CN103929825A - 基于zc序列的多用户检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高速度下基于ZC(Zadoff-Chu)序列的多用户检测方法。该方法对LTE高速场景下使用三个联合检测窗的ZC序列多用户检测方法进行了改进，首先选择特定的ZC序列根序列号产生ZC序列，而特定的ZC序列根序列号可以使得多普勒环境下的相关峰值偏移集中在单个检测窗可以检测的范围内，这样在检测端就能够利用单个检测窗口进行多用户检测，所以本发明能够有效规避频偏分散主窗口能量的劣势，在高速度、高频偏时依然有良好的性能。

Description

基于ZC序列的多用户检测方法

技术领域

本发明属于SC-FDMA(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access)系统中的上行随机接入技术，尤其涉及高速度、高多普勒频偏下的多用户检测方法。

背景技术

3GPP LTE是基于OFDM技术的SC-FDMA多址接入技术来进行上行链路的数据传输。通过随机接入过程，基站能检测到发起接入的用户并且能估计其传输时延和信号功率。物理层随机接入前导被用来区分不同的用户设备以建立通信链路。随机接入前导通过一个或多个Zadoff-Chu(ZC)序列及其循环移位产生。

在LTE多用户检测中，分别在普通场景和高速场景下使用非限制集和限制集来产生循环移位，再通过产生的循环移位来产生前导序列。在LTE的高速场景下，多普勒频移会使信号发生频谱扩展，造成接收端相关峰值的偏移，所以采用三个联合检测窗口来进行多用户检测，三个联合搜索窗由主搜索窗和前后循环移位的两个副本窗口组成，起始位置分别是C_v，(C_v+d_u)modN_ZC和(C_v-d_u)modN_ZC，窗口长度均为N_CS。如果检测窗内的相关峰值超过了门限，该窗对应的用户被认为接入了系统。

移动终端的频域信号会因为高速移动环境下的多普勒效应发生频偏，这会影响到ZC序列的正常检测，当发生单倍载波频偏时会对ZC序列产生如下影响：

假设原来的时域ZC序列为x_u(n)，如果频域发生单倍载波频偏，则时域的ZC序列为

$\begin{array}{c}{x}_u\left(n\right)e^{-\frac{j2\mathrm{\πn}}{N_{\mathrm{ZC}}}}=W^{[\mathrm{un}(n+1)/2+n]}\\ =W^{u[n(n+1)+2n/u]/2}\\ =W^{u[n(n+1)+2n{d}_u]/2}\\ =W^{u\left[(n+1+d_u)(n+d_u)\right]/2}{W}^{-u(d_u+1)d_u/2}\\ =x_u(n+d_u\mathrm{mod}{n}_{\mathrm{ZC}})W^{-(u+1)/2u}\end{array},$

其中，是单倍载波频偏，是旋转因子，d_u是根序号u相对于N_ZC模的乘逆，W^-(u+1)/2u是一个与时间n无关的模为1的相位旋转常量。单载波频偏使得时域发生d_u的移位，d_u是一个与根序列号u相关的整数，它是当m变化时，满足

ud_u＝m·N_ZC+1，m≥1的最小的正整数。同样可以证明当频移不是单倍载波频偏时时域的相关峰值移位情况如下：设载波间隔为Δf_RA，当频偏Δf满足

(n-1)*Δf_RA<Δf≤n*Δf_RA n＝1,2,3，...

则主峰位置为Cv处的的频偏位置为

(Cv±du)mod Nzc，(Cv±2du)mod Nzc，...，(Cv±ndu)mod Nzc，

即，频偏为Δf时，在接收端对ZC序列做时域相关U检测时，Cv处的相关峰值会偏移到(Cv±du)mod Nzc，(Cv±2du)mod Nzc,...，(Cv±ndu)mod Nzc这些位置上。

当多普勒频移达到单倍子载波间隔的时候主窗口的能量消失，能量基本全部转移到副本窗口中。当多普勒频移继续增加时能量会泄露到检测窗口外，造成虚警概率的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在高速度、高频偏下检测性能良好的多用户检测方法，弥补LTE的高速集仅支持多普勒频偏小于等于单倍载波频偏Δf_RA的不足。与LTE随机接入技术比较，本发明有以下特点：由于选择特定的根序列号，多普勒频偏造成的相关峰偏移集中在单个检测窗口可以检测的范围内，单个检测窗口就能包含所有的相关峰值，有效地规避了频偏分散主窗口能量的劣势，提高了高速度时的检测性能。

为了方便描述，首先介绍本发明中提到的术语和前导序列的发送机、接收机和检测原理。

随机接入时频结构：随机接入过程中以发送前导(Preamble)序列开始，前导序列由长度为T_cp的循环前缀和长度为T_seq的序列部分组成。对于高速场景LTE使用格式0-3，成都为839的Zadoff-Chu序列作为随机接入码，每一个子载波上加载序列的一个数据，因此一共占有839个子载波，LTE分配864个子载波的带宽，两边各预留12.5个子载波的宽度用作保护频带，839个子载波间隔为Δf_RA＝1.25kHz。

随机接入前导序列：随机接入过程中根据分配给用户的前导序列用于标示不同用户的临时身份，并且估计不同用户的传输时延。Zadoff-Chu(ZC)序列可以作为前导序列。ZC序列的数学表达式为0≤n≤N_ZC-1，其中，u是ZC序列的根序列号，N_ZC是ZC序列的长度，在LTE中对于格式0～3的前导序列N_ZC＝839。考虑到ZC序列的零自相关性，为进一步降低随机接入时多用户间的多址干扰，LTE系统采用不同循环移位的ZC序列来扩充原始的ZC序列，即随机接入前导利用根序列x_u(n)和循环移位C_v生成。x_u，v(n)＝x_u((n+C_v)modN_ZC)，循环移位C_v定义为

其中，N_cs是根据小区半径来选用，N_cs越大，可支持的小区半径越大。

前导序列的发送机结构如图1所示，前导序列的接收机结构如图2所示，前导序列的检测过程概括如下：

步骤1：根据根序列号u和和ZC序列的长度，根据

0≤n≤N_ZC-1生成基本ZC序列x_u(n)。

步骤2：按照x_u,v(n)＝x_u((n+C_v)modN_ZC)对基本ZC序列x_u(n)作循环移位得到循环移位的ZC序列x_u，v(n)。

步骤3：对循环移位序列x_u，v(n)作长N_ZC点的DFT，将时域ZC序列转换成频移序列X_u，v(k)，按照LTE协议中的规定进行子载波映射，这个N_ZC个复数就被映射到相应的子载波上。

步骤4：IFFT之后的频域信号转换到时域。再加上循环前缀(CP)通过上载波之后，上行的同步前导序列就被发送出去。

步骤5：发送的ZC序列经过天线接收，连续的信号下载波将其频谱搬移到基带上，然后A/D转换，接收机首先移除前导信号的CP，串行信号被转换成并行信号，再做N点的FFT，此时时域信号被转换到频域。

步骤6：通过解映射将M点的频域复数ZC信号Y(k)提取出来。

步骤7：做M点IDFT，将得到的ZC序列并串转换送交后续模块检测。

前导序列的检测分为时域检测方法和频域检测方法。时域检测方法是将频域信号Y(k)IDFT到时域y(n)，然后与时域的ZC本地根序列x_u(n)做循环移位共轭的求和，即

$C\left(m\right)=\underset{n=0}{\overset{N_{\mathrm{ZC}}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}y*\left(n\right)x_u(n+m\mathrm{mod}{N}_{\mathrm{ZC}}),m=\mathrm{0,1},...,N_{\mathrm{ZC}}-1$

由此得到相关峰值，据此根据不同的算法进行检测。时域检测的实质是将收到的频域信号转换到时域，然后利用ZC序列的相关特性在时域上与多个不同的相关器运算，通过检测对相关值以及对应的坐标做判断，实现对不同用户的检测及时延估计。每个相关器中的相关序列与本地ZC时域序列x_u(n)的逐位循环移位序列。

移动终端的频域信号会因为高速移动环境下的多普勒效应发生频偏，这会影响到ZC序列的正常检测，当发生Δf_RA，即单倍载波频偏时会对ZC序列产生如下，假设原来的时域ZC序列为x_u(n)，如果频域发生单倍载波频偏，则时域的ZC序列为

$\begin{array}{c}{x}_u\left(n\right)e^{-\frac{j2\mathrm{\&pi;n}}{N_{\mathrm{ZC}}}}=W^{[\mathrm{un}(n+1)/2+n]}\\ =W^{u[n(n+1)+2n/u]/2}\\ =W^{u[n(n+1)+2n{d}_u]/2}\\ =W^{u\left[(n+1+d_u)(n+d_u)\right]/2}{W}^{-u(d_u+1)d_u/2}\\ =x_u(n+d_u\mathrm{mod}{n}_{\mathrm{ZC}})W^{-(u+1)/2u}\end{array}$

其中是旋转因子，d_u是根序号u相对于N_ZC模的乘逆，W^-(u+1)/2u是一个与时间n无关的模为1的相位旋转常量。可以看出，单载波频偏使得时域发生d_u的移位，d_u是一个与根序列号u相关的整数，它是当m变化时，满足

ud_u＝m·N_ZC+1，m≥1

的最小的正整数。同样可以证明当频移不是单倍载波频偏时时域的相关峰值移位情况如下：设载波间隔为Δf_RA，当频偏Δf满足

(n-1)*Δf_RA<Δf≤n*Δf_RA n＝1,2,3，...

则主峰位置为Cv处的的频偏位置为

(Cv±du)mod Nzc，(Cv±2du)mod Nzc，...，(Cv±ndu)mod Nzc

即频偏为Δf时，在接收端对ZC序列做时域相关U检测时，Cv处的相关峰值会偏移到(Cv±du)mod Nzc，(Cv±2du)mod Nzc,...，(Cv±ndu)mod Nzc这些位置上。

本发明的目的通过如下步骤实现：

基于ZC序列的多用户检测方法，包括如下步骤：

S1、根据系统需求得出系统能支持的最大用户数N和ZC序列的长度N_ZC，求取单个用户的最大检测窗口长度

S2、当移动速度为v时，产生多普勒频移为Fd＝fc*v/c，检测端的相关峰值会移动到(Cv±ndu)mod Nzc上，记为最大偏移距离，其中，fc是载波频率，c是光速，n＝1，2，...，

S3、序列的时域相关峰为Cv的偏移范围为：[Cv-dmax，Cv+dmax]，考虑到传输时延影响，修订检测窗范围为[Cv-dmax，Cv+dmax+Ncs]，范围宽为W_peak＝2*dmax+Ncs，化简可得当最大多普勒频移Fd已知时，我们可以得出 $d_u\&le;\frac{{\mathrm{\&Delta;f}}_{\mathrm{RA}}*(N_{\mathrm{ZC}}-N*N_{\mathrm{ZC}})}{2*\mathrm{Fd}*N};$

S4、通过ud_u＝m·N_ZC+1，得到根序列号u，利用u来产生ZC序列，其中，，m≥1；

S5、根据 $C\left(m\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{n=0}^{N_{\mathrm{ZC}}-1}y*\left(n\right)x_u(n+m\mathrm{mod}{N}_{\mathrm{ZC}})$ 得到839点的ZC序列x_u(n)，因此循环公式为Cv＝(2n-1)*dmax+(n-1)*N_cs，其中，m＝0,1,...N_ZC-1，n＝1,2,...N；

S6、根据S5所得Cv得到作为能支持用户数为N的ZC序列x_u，v(n)；

S7、对循环移位序列x_u，v(n)作长N_ZC点的DFT，将时域ZC序列转换成频移序列X_u，v(k)，进行子载波映射，这个N_ZC个复数就被映射到相应的子载波上，IFFT之后的频域信号转换到时域。再加上CP通过上载波之后，上行的同步前导序列就被发送出去；

S8、发送的ZC序列经过天线接收，连续的信号下载波将其频谱搬移到基带上，然后A/D转换，接收机首先移除前导信号的CP，串行信号被转换成并行信号，再做N点的FFT，此时时域信号被转换到频域；

S9、通过解映射将M点的频域复数ZC信号Y(k)提取出来，做M点IDFT，将得到的ZC序列并串转换送交后续模块检测，前导序列的检测分为时域检测方法和频域检测方法。

S10、多用户检测，具体为：

S101、对于第i个用户，主峰位置Cv_i＝(2i-1)*dmax+(i-1)*N_cs，其中，i＝1,...，N，检测窗范围为[Cv_i-dmax，Cv_i+dmax+Ncs-1]，判决参量为 ${\mathrm{\&lambda;}}_i=\underset{{\mathrm{Cv}}_i-d\max \&le;m<{\mathrm{Cv}}_i+d\max +\mathrm{Ncs}-1}{\max }\frac{{\left|C\left(m\right)\right|}^2}{{\mathrm{\&delta;}}_w^2},$ 为噪声功率，判决门限值为 $\mathrm{\&lambda;}=\ln (1-\sqrt[\mathrm{Ncs}]{1-P_f})/\mathrm{Nzc},$ Pf为要求的虚警率上限；

S102、当λ_i≥λ判定第i个用户接入了系统。

进一步地，S3所述范围宽小于等于单个用户检测的最大宽度，即W_peak≤W。

进一步地，S9所述前导序列的检测分为时域检测方法和频域检测方法，所述时域检测方法是将频域信号Y(k)IDFT到时域y(n)，然后与时域的ZC本地根序列xu(n)做循环移位共轭的求和，即 $C\left(m\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{n=0}^{N_{\mathrm{ZC}}-1}y*\left(n\right)x_u(n+m\mathrm{mod}{N}_{\mathrm{ZC}}),$ m＝0,1,...，N_zc-1。

本发明的有益效果是：本发明通过选择满足的根序列号为u的ZC序列来产生随机接入前导可以支持的最大多普勒频移为Fd，最大用户数为N。长度为2*dmax+Ncs的单个检测窗口就能包含所有的相关峰值，有效规避了频偏分散主窗口能量的劣势，提高了检测的性能。在高速度、高频偏时依然有良好的性能，是一种高速下性能良好的多用户检测方法。

附图说明

图1为上行前导序列发送机框图。

图2为上行前导序列接收机框图。

图3为前导序列时域检测图原理。

图4为本发明的时域搜索窗示意图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的具体实施方式：

步骤1：产生基本ZC序列。

高速场景时使用格式0-3长度Nzc＝839的ZC序列，通过ud_u＝m·N_ZC+1，m≥1和得到满足条件的根序列号u，根据0≤n≤N_ZC-1得到839点的ZC序列。

步骤2：产生循环移位后的ZC序列。

新的循环移位公式为：Cv＝(2n-1)*dmax+(n-1)*N_csn＝1,2,...N，新的循环移位公式可以保证相关峰值的偏移位置不会落入相邻的检测窗中。由得到的循环移位Cv值根据x_u，v(n)＝x_u((n+C_v)modN_ZC)得到x_u，v(n)作为能支持最大用户数为N的ZC序列。

步骤3：发送前导序列，接收前导序列。

在接收在载波解映射得到将频域信号Y(k)，再IDFT到时域得到y(n)，然后与时域的ZC本地根序列x_u(n)做循环移位共轭的求和，即m＝0,1,...，N_ZC-1。

步骤4：多用户检测。

由于多普勒频偏的存在，相关峰值最远偏移距离为dmax，对于第i(i＝1,...，N)个用户，时域峰值的中心位置Cv_i＝(2i-1)*dmax+(i-1)*N_cs，此时检测窗范围为：[Cv_i-dmax，Cv_i+dmax+Ncs-1]，那么判决参量可以由i＝1,...，得到，其中，为噪声功率。判决门限值为：其中P_f为要求的虚警率上限。当λ_i≥λ判定第i个用户接入了系统。

检测算法和判决门限具体计算步骤如下：

首先估计接收信号中的噪声功率然后将相关的噪声功率之比作为判决参量，即

其中C(m)由式m＝0,1,...，N_ZC-1得到，假设第i个用户没有接入系统，那么可以认为它发送的前导序列是长度为Nzc的零序列。在接收端子载波解映射之后，提取的ZC序列对应的子载波上承载的数据只有复高斯白噪声，即

R(k)＝W(k)。

复高斯白噪声序列{W(k)}之间相互独立，并且期望为0，方差为可以证明相互独立的复高斯随机变量，归一化IDFT之后仍然是相互独立的复高斯随机变量，并且方差和期望不变。因此，在接收端的相关运算为m＝0,1,...，N_ZC-1，其中{w(n)}是方差为期望为0的复高斯随机序列。假设判决门限的分母是一个无偏估计量，那么

$E\left[{\mathrm{\&lambda;}}_i\right]=\frac{1}{N_{\mathrm{ZC}}}\underset{n=0}{\overset{N_{\mathrm{ZC}}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}E[w*\left(n\right)/{\mathrm{\&sigma;}}_0]x_u(n+m\mathrm{mod}{N}_{\mathrm{ZC}})=0$

$D\left[{\mathrm{\&lambda;}}_i\right]=\frac{1}{{N_{\mathrm{ZC}}}^2}\underset{n=0}{\overset{N_{\mathrm{ZC}}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}D[w*\left(n\right)/{\mathrm{\&sigma;}}_0]{|x}_u(n+m\mathrm{mod}{N}_{\mathrm{ZC}}){|}^2=\frac{1}{N_{\mathrm{ZC}}}$

其中可以看出判决门限是一个与噪声无关的随机变量。定义P_f为虚警率，指从未发起随机接入但是被检测到的用户与所有未发起随机接入用户数目的比率。比如LTE小区的用户容量为64，假设第1～20号用户发送前导序列，基站端检测出来的用户为15～30号，那么虚警率P_f＝10/(64-20)。，因此，虚警率固定的情况下判决参量是一个与信噪比无关的固定值。

其中F(λ)是λ的概率累积函数。判决门限值为

$\mathrm{\&lambda;}=-\ln (1-\sqrt[\mathrm{Ncs}]{1-P_f})/\mathrm{Nzc}.$

Claims (3)

1.基于ZC序列的多用户检测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、根据系统需求得出系统能支持的最大用户数N和ZC序列的长度N_ZC，求取单个用户的最大检测窗口长度

S2、当移动速度为v时，产生多普勒频移为Fd＝fc*v/c，检测端的相关峰值会移动到(Cv±ndv)mod Nzc上，记为最大偏移距离，其中，fc是载波频率，c是光速，

S3、序列的时域相关峰为Cv的偏移范围为：[Cv-dmax，Cv+dmax]，考虑到传输时延影响，修订检测窗范围为[Cv-dmax，Cv+dmax+Ncs]，范围宽为W_peak＝2*dmax+Ncs，化简可得当最大多普勒频移Fd已知时，我们可以得出

S4、通过ud_u＝m·N_ZC+1，得到根序列号u，利用u来产生ZC序列，其中，，m≥1；

S5、根据 $C\left(m\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{n=0}^{N_{\mathrm{ZC}}-1}y*\left(n\right)x_u(n+m\mathrm{mod}{N}_{\mathrm{ZC}})$ 得到839点的ZC序列x_u(n)，因此循环公式为Cv＝(2n-1)*dmax+(n-1)*N_cs，其中，m＝0,1，...N_ZC-1，n＝1,2,...N；

S6、根据S5所得Cv得到作为能支持用户数为N的ZC序列x_u，v(n)；

S7、对循环移位序列x_u，v(n)作长N_ZC点的DFT，将时域ZC序列转换成频移序列X_u，v(k)，进行子载波映射，这个N_ZC个复数就被映射到相应的子载波上，IFFT之后的频域信号转换到时域，再加上CP通过上载波之后，上行的同步前导序列就被发送出去；

S8、发送的ZC序列经过天线接收，连续的信号下载波将其频谱搬移到基带上，然后A/D转换，接收机首先移除前导信号的CP，串行信号被转换成并行信号，再做N点的FFT，此时时域信号被转换到频域；

S9、通过解映射将M点的频域复数ZC信号Y(k)提取出来，做M点IDFT，将得到的ZC序列并串转换送交后续模块检测，前导序列的检测分为时域检测方法和频域检测方法；

S10、多用户检测，具体为：

S101、对于第i个用户，主峰位置Cv_i＝(2i-1)*dmax+(i-1)*N_cs，其中，i＝1,...，N，检测窗范围为[Cv_i-dmax，Cv_i+dmax+Ncs-1]，判决参量为 ${\mathrm{\&lambda;}}_i=\underset{{\mathrm{Cv}}_i-d\max \&le;m<{\mathrm{Cv}}_i+d\max +\mathrm{Ncs}-1}{\max }\frac{{\left|C\left(m\right)\right|}^2}{{\mathrm{\&delta;}}_w^2},$ 为噪声功率，判决门限值为 $\mathrm{\&lambda;}=\ln (1-\sqrt[\mathrm{Ncs}]{1-P_f})/\mathrm{Nzc},$ P_f为要求的虚警率上限；

S102、当λ_i≥λ判定第i个用户接入了系统。

2.根据权利要求1所述的基于ZC序列的多用户检测方法，其特征在于：S3所述范围宽小于等于单个用户检测的最大宽度，即W_peak≤W。

3.根据权利要求1所述的基于ZC序列的多用户检测方法，其特征在于：S9所述前导序列的检测分为时域检测方法和频域检测方法，所述时域检测方法是将频域信号Y(k)IDFT到时域y(n)，然后与时域的ZC本地根序列x_u(n)做循环移位共轭的求和，即 $C\left(m\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{n=0}^{N_{\mathrm{ZC}}-1}y*\left(n\right)x_u(n+m\mathrm{mod}{N}_{\mathrm{ZC}}),m=\mathrm{0,1},...,N_{\mathrm{ZC}}-1.$