CN104639295B

CN104639295B - 一种基于特征前缀码检测的消息定位方法

Info

Publication number: CN104639295B
Application number: CN201510076175.5A
Authority: CN
Inventors: 苏涛; 吕倩; 武婷; 蔡晓磊
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2018-05-04
Anticipated expiration: 2035-02-12
Also published as: CN104639295A

Abstract

本发明属于WCDMA系统的消息定位技术领域，特别涉及一种基于特征前缀码检测的消息定位方法，其具体步骤为：1)通过千兆以太网接收对上行接入信道的采样数据；2)对采样数据做快速傅里叶变换并保存；3)对各组特征前缀码分别做快速傅里叶变换；4)将过程2中保存好的数据傅里叶变换结果分别与各组特征前缀码的快速傅里叶变换结果进行复乘运算；5)对复乘结果做逆快速傅里叶变换；6)对逆快速傅里叶变换结果求模平方，并检测峰值。本发明利用可编程逻辑器件对上行接入信道进行检测，实现了快速、准确的信号处理。

Description

一种基于特征前缀码检测的消息定位方法

技术领域

本发明属于WCDMA系统的消息定位技术领域，特别涉及一种基于特征前缀码检测的消息定位方法。

背景技术

在移动通信系统中，基站和移动台之间的无线信号是在移动信道中传输的。在WCDMA系统中，用户在未获得与基站完全同步的传输上行数据之前必须获得一个专有ID、定时调整和被分配一定的时频资源，该过程一般称为“非同步用户随机接入过程”，简称“随机接入”。

在WCDMA通信系统中，随机接入过程起着十分重要的作用。在随机接入过程中，UE(用户终端)并不知道与基站的距离和无线环境的好坏，所以UE在发送消息数据之前会先使用较小的功率发送接入请求，如果得不到网络的回应，UE就重新使用稍大一点的功率进行尝试。在这种接入请求中，UE向基站发送的是特征前缀码，作为与基站连接的功率“探测”过程。

特征前缀码的总长度为4096码片，它是由一个16位的签名序列重复256次构造而成。这种16位的签名序列共设有16组，并且彼此完全正交，构成16组特征前缀码。网络方在接收到随机接入信道(PRACH)的接入前缀码后，通过捕获指示信道(AICH)响应该接入前缀码，UE在接收到AICH信道的ACK后，将停止发送接入前缀码，并在一个特定的时间间隔之后在随机接入信道上发送消息码。

物理层通过处理，发送、接收与随机接入过程紧密相关的PRACH信道和AICH信道，完成UE与网络方信息交互，最终实现物理层随机接入过程。这个过程需要建立两个信道的信号捕获及解调解码模型，以实现这两个信道的切换和信道间信息的交互，处理中需要严格满足两个信道的时序关系。所以这种实现方式的设计流程复杂度会很高，运算量也会增加。

通过上述处理方式可知，在WCDMA上行随机接入信道的接入过程中，需要处理PRACH和AICH两个信道，这会增加设计的复杂度，不够简洁、快速。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于特征前缀码检测的消息定位方法，实现随机接入过程的消息定位。

本发明的利用随机接入信道特征前缀码检测的消息定位方法包括的功能模块有：特征前缀码检测模块、消息码定位模块。特征前缀码检测利用特征前缀码对接收数据进行前缀码检测，消息定位模块是通过对前缀码检测结果的统计分析来定位消息码位置。为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种基于特征前缀码检测的消息定位方法包括以下步骤：

步骤1，采集来自WCDMA通信系统物理随机接入信道的数据，来自WCDMA通信系统物理随机接入信道的数据包括消息码X以及N组特征前缀码，N为自然数；将消息码X划分为长度相等的多段数据，由消息码X划分得到的每段数据的长度为L，L取2的整数幂次；由消息码X划分得到的第i段数据表示为X_i，i＝1,2,3...；当i＝1时，跳至步骤2；

步骤2，将由消息码X划分得到的第i段数据X_i分别与N组特征前缀码作频域循环相关检测，得到对应的N组检测量，其中第k组检测量由L个复数检测量组成，k＝1,2,...,N；第k组检测量中的L个复数检测量表示为：

其中，n＝0,1,2,...L-1；

步骤3，得出复数检测量的模值平方值根据以下公式得出模值平方值的均值

其中，M为自然数且M<L-M-1；得出模值平方值和模值平方值的均值之比利用至组成第i段数据的第k组相关模值峰均比矢量得出第i段数据的每组相关模值峰均比矢量中元素的最大值，利用第i段数据的第1组相关模值峰均比矢量中元素的最大值至第i段数据的第N组相关模值峰均比矢量中元素的最大值组成峰均比最大值向量ρ_i；得出第i段数据相关模平方的峰均比最大值，第i段数据相关模平方的峰均比最大值为：峰均比最大值向量ρ_i中元素的最大值

步骤4，对第i段数据相关模平方的峰均比最大值与阈值γ进行比较，若则令μ_i＝1；否则令μ_i＝0

步骤5，如果μ_i-1＝1且μ_i＝0，则说明消息定位成功；否则，令i的值自增1，返回至步骤2。

本发明的特点和进一步改进在于：

在步骤1中，所述N组特征前缀码中第k组特征前缀码表示为P_k；

在步骤2中，复数检测量的计算公式为：

其中，X_i(n)表示由消息码X划分得到的第i段数据X_i中的第n+1个数值，n＝0,1,2,...L-1；P_k(n)表示第k组特征前缀码P_k中的第n+1个数值，FFT(·)表示进行L点傅里叶变换，*表示点乘，IFFT{·}表示进行L点逆傅里叶变换。

在步骤4中，阈值γ按照如下方法进行设定，在对第1段数据相关模平方的峰均比最大值和阈值γ进行比较时，将阈值γ设为γ₀，γ₀为设定值；在此之后的设定时间段内，如果每段数据的相关模平方的峰均比最大值小于γ₀，则在设定时间段之后，将阈值γ从γ₀-k'ε和γ_min中进行选取；其中，设定时间段的起始时刻为对第1段数据相关模平方的峰均比最大值和阈值γ进行比较的时刻，设定时间段的长度为T₁，T₁为设定值，ε为设定的大于0的常数，k'表示在设定时间段之后与阈值γ进行比较的相关模平方的峰均比最大值的个数，γ_min为设定的小于γ₀的数值；所述将阈值γ从γ₀-k'ε和γ_min中进行选取的过程为：判断γ₀-k'ε和γ_min的大小关系，如果γ₀-k'ε>γ_min，则阈值γ选取为γ₀-k'ε；否则，如果γ₀-k'ε≤γ_min，则阈值γ选取为γ_min。

本发明的有益效果为：1)易于硬件实现、运算量小。现有WCDMA系统的随机接入信道的接入过程处理都是基于卷积运算实现的，随着采集数据和特征前缀码码组的增多，卷积运算需要完成的乘法次数迅速增加，对硬件设备的处理性能要求很高，不便于硬件实现，而本发明采用快速傅里叶变换实现前缀码的检测方法，运算量小，能够快速、实时地实现信道信号处理，易于硬件实现。2)简化处理流程。现有的WCDMA通信系统中，对上行随机接入信道的处理都是配合目标捕获信道完成的，而这包括了两个信道的建模和信号处理，使得对上行接入信道的处理复杂化，而本发明利用PRACH信道上前缀码与消息码的发送特点，仅检测上行接入信道的特征前缀码就能完成此信道上消息定位。因此，大大地减少了WCDMA通信系统的设计复杂度和实现复杂度。

附图说明

图1为本发明的一种基于特征前缀码检测的消息定位方法的流程框图；

图2为本发明中实现前缀码循环相关的实现框图；

图3为本发明中实现左右共2M点求平均的原理框图；

图4为仿真实验中利用本发明得出的输入数据X₁与16组前缀码的相关检测结果图；

图5为仿真实验中利用本发明得出的输入数据X₂与16组前缀码的相关检测结果图；

图6为仿真实验中利用本发明得出的输入数据X₁与第9组前缀码的相关检测结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，为本发明的一种基于特征前缀码检测的消息定位方法的流程框图。该基于特征前缀码检测的消息定位方法包括以下步骤：

步骤1，采集来自WCDMA通信系统物理随机接入信道的数据(例如利用千兆以太网进行采集)，来自WCDMA通信系统物理随机接入信道的数据包括消息码X以及16组特征前缀码。

在采集来自物理随机接入信道的数据之后，将消息码X存入存储器中(该存储器表示为RAM0)，取出消息码X；将消息码X划分为长度相等的多段数据，由消息码X划分得到的每段数据的长度为L，L取2的整数幂次；优选地，L＝16384。由消息码X划分得到的第i段数据表示为X_i，i＝1,2,3...；本发明实施例中，16组特征前缀码中第k组特征前缀码表示为P_k，k＝1,2,...,16；在采集到16组特征前缀码，将其存入对应的16个存储器(ROM)中。16组特征前缀码中的每组特征前缀码的长度为4096，第k组特征前缀码的4096个数值分别表示为P_k(0),P_k(1),...,P_k(m'),...,P_k(4095)，其中，P_k(m')表示第k组特征前缀码的第m'+1个数值，m＝0,1,2,…,4095。

当i＝1时，跳至步骤2。

步骤2，将由消息码X划分得到的第i段数据X_i分别与16组特征前缀码作频域循环相关检测，得到对应的16组检测量，其中第k组检测量由L个复数检测量组成，k＝1,2,...,16；第k组检测量中的L个复数检测量表示为：

其中，n＝0,1,2,...L-1。

在现有技术中，第k组检测量中的复数检测量中的表达式为：

其中，n＝0,1,2,...L-1，R_L(n)为1；X_i(l)表示由消息码X划分得到的第i段数据X_i中的第l+1个数值，l＝0,1,2,...L-1；P_k((n-l))_L表示对第k组特征前缀码P_k进行反转并按长度L进行周期扩展得出的数据。式(1)是循环相关的时域定义表达式，得出的过程为：首先对第k组特征前缀码P_k进行反转并按长度L进行周期扩展，然后与由消息码X划分得到的第i段数据X_i进行点乘，再取相乘结果的L点主值并求和，得到复数检测量

在本发明实施例中，第k组检测量中的复数检测量中的计算公式为：

式(2)是本发明使用的循环相关的等效频域表达式。本发明中得出的过程为：首先对第i段数据X_i中的第n+1个数值X_i(n)做L点傅里叶变换，同时对第k组特征前缀码P_k中的第n+1个数值P_k(n)做L点傅里叶变换；然后对X_i(n)的傅里叶变换后的数据和P_k(n)的傅里叶变换后的数据进行点乘，之后将点乘结果再做L点逆傅里叶变换，得到复数检测量

其中，M为自然数且M<L-M-1；得出模值平方值和模值平方值的均值之比利用至组成第i段数据的第k组相关模值峰均比矢量得出第i段数据的每组相关模值峰均比矢量中元素的最大值，利用第i段数据的第1组相关模值峰均比矢量中元素的最大值至第i段数据的第16组相关模值峰均比矢量中元素的最大值组成峰均比最大值向量ρ_i，得出第i段数据相关模平方的峰均比最大值，第i段数据相关模平方的峰均比最大值为：峰均比最大值向量ρ_i中元素的最大值

其具体子步骤为：

3a)将复数检测量的实部表示为虚部表示为得出复数检测量的模值平方值 k＝1,2,...,16，n＝0,1,2,...L-1。

3b)对模值平方值的左右各M点数据取平均，得到模值平方值的均值即根据以下公式得出模值平方值的均值

其中，M为自然数且M<L-M-1；

在得出模值平方值的均值之后，得出模值平方值和模值平方值的均值之比利用至组成第i段数据的第k组相关模值峰均比矢量

3c)得出第i段数据的每组相关模值峰均比矢量中元素的最大值，第i段数据的第k组相关模值峰均比矢量中元素的最大值表示为k＝1,2,...,16。

3d)利用第i段数据的第1组相关模值峰均比矢量中元素的最大值至第i段数据的第16组相关模值峰均比矢量中元素的最大值组成峰均比最大值向量ρ_i，

选出峰均比最大值向量ρ_i中元素的最大值将选出的最大值作为第i段数据相关模平方的峰均比最大值。

步骤4，对第i段数据相关模平方的峰均比最大值与阈值γ进行比较，若则令μ_i＝1；否则令μ_i＝0。

具体地说，在步骤4中，为检测出峰值，需要对步骤3中的第i段数据相关模平方的峰均比最大值与一个阈值γ进行比较。本发明实施例中，阈值γ按照如下方法进行设定，在对第1段数据相关模平方的峰均比最大值和阈值γ进行比较时，将阈值γ设为实际工程的经验值γ₀；在此之后的设定时间段内，如果每段数据的相关模平方的峰均比最大值小于γ₀，则在设定时间段之后，将阈值γ从γ₀-k'ε和γ_min中进行选取；其中，设定时间段的起始时刻为对第1段数据相关模平方的峰均比最大值和阈值γ进行比较的时刻，设定时间段的长度为T₁，T₁为设定值，ε为设定的大于0的常数，k'表示在设定时间段之后与阈值γ进行比较的相关模平方的峰均比最大值的个数，γ_min为设定的小于γ₀的数值。

本发明实施例中，将阈值γ从γ₀-k'ε和γ_min中进行选取的过程为：判断γ₀-k'ε和γ_min的大小关系，如果γ₀-k'ε>γ_min，则阈值γ选取为γ₀-k'ε；否则，如果γ₀-k'ε≤γ_min，则阈值γ选取为γ_min。

步骤5，检测消息定位是否成功，如果μ_i-1＝1且μ_i＝0，则说明消息定位成功，此时结束特征前缀码检测；否则，令i的值自增1，返回至步骤2，循环上述步骤，直至消息定位成功。消息定位成功后，则说明WCDMA通信系统物理随机接入信道接入成功。

下面结合MATLAB仿真实验对本发明效果做进一步的说明和分析

1)仿真条件：

为方便起见，本发明采用已经在实际应用中得到验证的两批输入数据X₁和X₂进行仿真，这两批数据是经过专用的数据采集板采集得到，并通过千兆以太网传入上位机并保存，两批仿真输入数据的长度L均等于16384。16组特征前缀码长度均为4096。

2.仿真内容：

按照上述步骤及仿真条件，在软件MATLAB8.0中按照本发明进行仿真实验，简要说明如下：

①对以太网传入的数据以长度L进行截断并保存，如图2所示。首先对输入数据做L点快速傅里叶变换；其次，对16组特征前缀码作16次L点FFT并将16组结果保存至ROM；最后，将输入数据的FFT结果分别与16组特征前缀码的FFT结果进行复乘和逆快速傅里叶变换。

②对上述得到的逆傅里叶变换结果求取前后各M点的平均。参照图3，为本发明中实现左右共2M点求平均的原理框图，按照图中所示，对每一个检测单元的左右各M个数据累加求和求平均后，再与原始检测单元进行比较获得该检测单元的峰均比，求取每一组IFFT结果的峰均比最大值，之后再将16组峰均比的最大值与阈值比较，进行消息定位。

3.仿真结果分析：

参照图4，为仿真实验中利用本发明得出的输入数据X₁与16组前缀码的相关检测结果图。图4中，水平面的两个轴分别表示特征前缀码组号和输入数据X₁的长度位置，竖直轴表示幅度。从图4可以看出，输入数据X₁分别与16组特征前缀码相关后，在长度位置4097处，明显出现一个尖峰，按照消息定位原则，此时还需结合阈值比较及输入数据X₂与特征前缀码相关检测结果来确定消息是否定位成功。

参照图5，为仿真实验中利用本发明得出的输入数据X₂与16组前缀码的相关检测结果图。图5中，水平面的两个轴分别表示特征前缀码组号和输入数据X₂的长度位置，竖直轴表示幅度。从图5可以看出，输入数据X₂分别与16组特征前缀码相关后，整个数据区域内，均未出现明显的尖峰。

参照图6，为仿真实验中利用本发明得出的输入数据X₁与第9组前缀码的相关检测结果图。图6中，横轴表示输入数据X₁的长度位置，纵轴表示幅度。从图6可以看出，第9组特征前缀码与输入数据X₁相关后，确实在整个数据区域内出现一个明显的尖峰，说明批输入数据与第9组特征前缀码相匹配。

从以上仿真结果及分析可以看出，利用本发明所提方法后，第一批输入数据X₁的最后检测结果为μ₁＝1，且第二批输入数据X₂的最后检测结果为μ₂＝0，由此可以判断，输入数据X₁与第9组特征前缀码相匹配，且消息成功定位于第一批输入数据X₁的长度位置4097处。

综上，本发明利用快速傅里叶变换运算，降低了输入数据与特征前缀码做循环相关过程中的复杂度和计算量，提高了WCDMA中消息定位的实时处理效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种基于特征前缀码检测的消息定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采集来自WCDMA通信系统物理随机接入信道的数据，来自WCDMA通信系统物理随机接入信道的数据包括消息码X以及N组特征前缀码，N为自然数；将消息码X划分为长度相等的多段数据，由消息码X划分得到的每段数据的长度为L，L取2的整数幂次；由消息码X划分得到的第i段数据表示为X_i，i＝1，2，3...；当i＝1时，跳至步骤2；

步骤2，将由消息码X划分得到的第i段数据X_i分别与N组特征前缀码作频域循环相关检测，得到对应的N组检测量，其中第k组检测量由L个复数检测量组成，k＝1，2，...，N，N＝16；第k组检测量中的L个复数检测量表示为：

其中，n＝0，1，2，...L-1；

其中，M为自然数且M＜L-M-1；得出模值平方值和模值平方值的均值之比利用至组成第i段数据的第k组相关模值峰均比矢量得出第i段数据的每组相关模值峰均比矢量中元素的最大值，利用第i段数据的第1组相关模值峰均比矢量中元素的最大值至第i段数据的第16组相关模值峰均比矢量中元素的最大值组成峰均比最大值向量ρ_i；得出第i段数据相关模平方的峰均比最大值，第i段数据相关模平方的峰均比最大值为：峰均比最大值向量ρ_i中元素的最大值

步骤4，对第i段数据相关模平方的峰均比最大值与阈值γ进行比较，若则令μ_i＝1；否则令μ_i＝0；

2.如权利要求1所述的一种基于特征前缀码检测的消息定位方法，其特征在于，在步骤1中，所述N组特征前缀码中第k组特征前缀码表示为P_k；

在步骤2中，复数检测量的计算公式为：

其中，X_i(n)表示由消息码X划分得到的第i段数据X_i中的第n+1个数值，n＝0，1，2，...L-1；P_k(n)表示第k组特征前缀码P_k中的第n+1个数值，FFT(·)表示进行L点傅里叶变换，*表示点乘，IFFT{·}表示进行L点逆傅里叶变换。

3.如权利要求1所述的一种基于特征前缀码检测的消息定位方法，其特征在于，在步骤4中，阈值γ按照如下方法进行设定，在对第1段数据相关模平方的峰均比最大值和阈值γ进行比较时，将阈值γ设为γ₀，γ₀为设定值；在此之后的设定时间段内，如果每段数据的相关模平方的峰均比最大值小于γ₀，则在设定时间段之后，将阈值γ从γ₀-k′ε和γ_min中进行选取；其中，设定时间段的起始时刻为对第1段数据相关模平方的峰均比最大值和阈值γ进行比较的时刻，设定时间段的长度为T₁，T₁为设定值，ε为设定的大于0的常数，k′表示在设定时间段之后与阈值γ进行比较的相关模平方的峰均比最大值的个数，γ_min为设定的小于γ₀的数值；所述将阈值γ从γ₀-k′ε和γ_min中进行选取的过程为：判断γ₀-k′ε和γ_min的大小关系，如果γ₀-k′ε＞γ_min，则阈值γ选取为γ₀-k′ε；否则，如果γ₀-k′ε≤γ_min，则阈值γ选取为γ_min。