CN106060864A - 一种门限自适应的物理随机接入信道的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种门限自适应的物理随机接入信道的检测方法，该方法用于LTE通信系统上行同步的随机接入检测，以解决不同环境下虚警和漏检的问题。技术方案的主要内容包括：低速模式和高速模式下分别采用单窗口检测和多窗口检测；根据接收信号的功率延迟分布，得到每个窗口的噪声功率；由设定的最低噪声功率与噪声功率，得出第一检测门限；根据信噪比的大小自适应地得到第二门限，若窗口中的最大值大于第二门限则判定当前窗中有用户接入。本发明能够有效地降低多用户和多径的干扰，适应高低速场景，适应高低信噪比情况，提高随机接入信号的性能。

Description

一种门限自适应的物理随机接入信道的检测方法

技术领域

本发明属于无线通信网络的监督监控领域，具体涉及一种门限自适应的物理随机接入信道的检测方法。

背景技术

LTE(Long Term Evolution)及其演进技术(LTE-Advanced)是现代移动通信的主流技术。在LTE系统中，终端与基站建立通信的前提是随机接入过程。因此，随机接入在通信中起着关键的作用。随机接入过程的第一个步骤是随机接入前导信号的传输。前导信号的主要目的是为基站指示随机接入尝试的出现以及允许基站对基站与移动终端之间的延时进行估计。用于传输前导信号的时频资源为PRACH(Physical Random Access Channel，物理随机接入信道)。网络在允许随机接入前导信号传输的时频资源内对所有移动终端进行信息广播。作为随机接入过程中第一个步骤的一部分，移动终端选择一个前导信号在PRACH上进行发送。每个小区存在64个可用的前导信号序列。因而多个用户能够同时进行接入，存在多用户干扰的问题。此外，移动终端离基站的远近不同，造成小区边缘用户到达基站的信号强度较弱，影响PRACH的检测。低速和高速下带来的多普勒频偏同样也影响着随机接入。

为解决上述问题，现有技术中采用了固定PRACH检测门限和加入功率控制的方法。在功率控制中，终端侧是根据计算得到的下行路损来确定自身发送前导信号功率的，由于无线信道的时变特性，功控手段并不能够完全保证到达接收端信号的功率一致，虽然可以使用功率爬坡的方式不断增大功率，但首次接入的成功率低，增大发射功率对电池带来巨大挑战且辐射更大。此外，固定的PRACH检测门限往往不能够适应多变的环境，具有局限性。现有专利文献中，公开号为CN102238580A、名称为"一种PRACH检测的方法和设备"的发明专利仅考虑了信噪比小的情况，但忽略了高信噪比的条件。在高信噪比、多用户情况下，此方案容易造成虚警。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对固定的PRACH检测门限存在的局限性以及功率控制方法带来的对电池的要求较高和辐射问题，平衡虚警概率和漏检概率，克服发射功率较低而不能接入的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种门限自适应的PRACH检测方法，包括以下步骤：

(1)生成PDP(Power Delay Profile，功率延迟分布)；

(2)区分低速模式和高速模式分别采用单窗口检测和多窗口检测；

(3)设定一个合适的最低噪声功率与步骤2中得到的噪声功率进行比较，若大于最低噪声功率则在的基础上提升L1dB作为第一门限，若小于最低噪声功率则在的基础上提升L2dB作为第一门限；

(4)将窗口中的最大值与第一门限进行比较，若大于第一门限，则判定为有效的信号，进行下一步的判断，若小于第一门限，则表示没有有效信号，结束此窗口中的检测；

(5)根据步骤4中得到的有效信号，求出信噪比，若有效信号是在小于最低噪声功率的情况下得到，则信噪比为若有效信号是在大于最低噪声功率的情况下得到，则信噪比为

(6)根据协议性能的要求，对于任何接收天线数目，任意帧结构和任意信道带宽，设定虚警概率的最大值和漏检概率的最小值。

(7)根据步骤5中得到的信噪比，求得第二门限值，将窗口中的最大值与此门限比较，若大于则有用户接入，并记录窗口中最大值的位置，其与窗口中第一个点的位置的差所用的时间就是上行定时提前量，否则，认为没有用户接入。

进一步，生成PDP包含以下步骤：在得到功率延迟序列之前，包括：(1)对接收机接收到的信号进行去除循环前缀、DFT(Discrete Fourier Transform)变换、解资源映射，在FDD(Frequency Division Duplex)模式下得到一组频域信号，在TDD(Time DivisionDuplex)模式下可能得到多组频域信号；

(2)根据高层参数配置的逻辑根序列找到对应的物理根序列u，对可用的u产生出当前可用的ZC(Zadoff-Chu)序列，每个u只产生一组本地ZC序列；

(3)将本地的ZC序列经过FFT(Fast Fourier Transformation)变换后与上述得到的频域信号做频域相关；(4)经过IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)运算得到PDP。

又进一步，上述DFT变换之前可以先进行多次的滤波降采样处理。

进一步，步骤2中，低速模式下单窗口检测的窗口长度为N_CS，高速模式下使用三窗口合并检测，相关峰值的主瓣和左右两个旁瓣的检测范围分别为：[C_v,C_v+N_CS-1]， 根据PDP，在每个检测窗口中去掉一个或者适当的几个最大值，将窗口中对剩余的值做平均处理，得到每个窗口的噪声功率

进一步，步骤3中，L1、L2可自行设定。作为优选，L1、L2的值为3dB。

进一步，步骤6中所述虚警概率的最大值设为0.1％，漏检概率的最小值设为1％。有益效果：

通过基于门限自适应的PRACH检测方法，能够实现以下技术效果：

1)边缘小区用户能够正常地完成PRACH检测，有效地降低了终端功耗和电池损耗。

2)高速(大频偏)、低速(小频偏)的情况下能够正常地完成PRACH检测，克服了大频偏的影响。

3)多用户接入的情况下能够正常的检测出多个用户，克服了多用户之间的干扰。

4)噪声功率较大、较小和不断变化的情况下能够正常地完成PRACH检测，一定程度上克服了噪声的影响。

附图说明

图1为本发明方法的整体框架流程图。

图2为本发明方法的检测模型。

图3为本发明方法的流程图。

图4为PRACH检测的第二门限图。

图5为高速模式下三窗口的PDP合并图。

图6为高信噪比下的仿真图及局部放大图形。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细的说明：

本发明提出了一种门限自适应的PRACH检测方法，并设计了该方法实施的过程模型如图1所示。从该图中可以看出，该模型有去除循环前缀(CP,Cyclic Prefix)模块、大点数DFT模块、解资源映射模块、频域相关检测模块(包括频域点乘、IFFT)和门限检测模块组成。

本发明的目的是设计一种门限自适应的PRACH检测的方法，为防止高速下多普勒频偏较大而造成相关峰值能量泄露，采用多窗口合并的技术；设置了最低的噪声功率，防止在高速、多用户的情况下，噪声功率过小而使门限很小造成虚警，因为在高速下，相关峰值能量泄露到旁瓣，加上是多个用户干扰的情况，相关峰的能量可能泄露到其他窗口中形成虚警的情况，如附图6所示；根据信噪比的大小，设置了自适应的第二门限，一定程度上将虚警概率和漏检概率达到平衡，克服发射功率较低而不能接入的问题。

本发明方法的关键之处在于门限检测模块中的门限的选取。下面通过一个实施例来详细介绍PRACH检测算法的实施细节过程，如附图1、附图2和附图3所示。

1、对于接收的PRACH基带信号，先进行去循环前缀(CP)。PRACH的基本参数如下表1所示：

表1 PRACH的基本参数

Preamble format	TCP	TSEQ
			0	3168·Ts	24576·Ts
1	21024·Ts	24576·Ts
			2	6240·Ts	2·24576·Ts
3	21024·Ts	2·24576·Ts
			4	448·Ts	4096·Ts

2、进行DFT变换。为克服大点数DFT的问题，可以通过滤波降采样的方法来解决。

3、解资源映射，即发射过程中资源映射的逆过程。

4、将解资源映射后的序列与本地产生的时域序列经FFT变换后的序列做相关点乘，然后经过IFFT变换得到功率延迟分布(PDP)。本地序列产生方式如下：

x_u,v(n)为ZC的时域序列，一个小区下有64个可用的前导序列：

x_u,v(n)＝x_u((n+C_v)modN_ZC)

其中x_u(n)为根序列：

$x_u\left(n\right)=e^{-j\frac{\mathrm{\π}un(n+1)}{N_{ZC}}},0\≤n\≤N_{ZC}-1$

N_ZC见3GPP TS 36.211协议中表5.7.2-1，u是物理根序列(physical rootsequence index)，由高层配置的逻辑根序列(logical root sequence index)得到，见3GPP TS 36.211协议中的表5.7.2-4和表5.7.2-5。

由根序列产生不同前导码所需的循环移位量C_v为：

d_u由如下公式计算得到：

$d_u=\left\{\begin{array}{cc}p& 0\&le;p<N_{ZC}/2\\ N_{ZC}-p& otherwise\end{array}\right.$

其中p是满足(pu)modN_ZC＝1的最小的非负整数。

得到d_u后,由以下的公式分别计算得到

如果N_CS≤d_u＜N_ZC/3：

如果N_ZC/3≤d_u≤(N_ZC-N_CS)/2：

5、根据低速和高速的情况，在低速下使用单窗口检测，窗口长度为N_CS，在高速下使用三窗口合并检测，如附图5所示，相关峰值的主瓣和左右两个旁瓣的检测范围分别为：[C_v,C_v+NCS-1]， 根据功率延迟序列，在每个检测窗口中去到一个或者适当的几个最大值，将窗口中剩余的值做平均处理，得到每个窗口的噪声功率如果d_u不在上面的范围，在限制集中就没有循环移位，即此时的根序列无法在高速下使用。

根据以上所述，即可产生可用的64个前导序列，得到所有可以使用的u，并将每个u对应的v设置为0，作为本地产生的序列，将本地序列经过IFFT变换到频域，与解资源映射后的序列进行频域相关，有多少个可用的u即有多少个本地序列。

6、设定一个合适的最低噪声功率与步骤2中得到的噪声功率进行比较，若大于最低噪声功率则在的基础上提升L1dB作为第一门限，L1可自行设定，可以设为3dB，若小于最低噪声功率则在的基础上提升L2dB作为第一门限，L2可自行设定，可设为3dB。

7、将窗口中的最大值与第一门限进行比较，若大于第一门限，则判定为有效的信号，进行下一步的判断，若小于第一门限，则表示没有有效信号，结束此窗口中的检测。

8、根据步骤4中得到的有效信号，求出信噪比。若有效信号是在小于最低噪声功率的情况下得到，则信噪比为若有效信号是在大于最低噪声功率的情况下得到，则信噪比为

9、根据协议性能的要求：对于任何接收天线数目,任意帧结构和任意信道带宽,总的虚警概率应该小于0.1％，漏检概率不大于1％。通过仿真设定图4中的X1、X2、Y1、Y2的值，横坐标对应信噪比大小，纵坐标对应第二门限值。

10、根据步骤5中得到的信噪比，对应到图4中求得第二门限值。将窗口中的最大值与此门限比较，若大于则有用户接入，并记录窗口中的最大值的位置，其与窗口中第一个点的位置的差所用的时间就是上行定时提前量，否则，没有用户接入。

需要说明的是，本发明所提供的上述实施例仅具有示意性，不具有限定本发明的具体实施的范围的作用。本发明的保护范围应包括那些对于本领域的普通技术人员来说显而易见的变换或替代方案。

Claims (7)

1.一种门限自适应的物理随机接入信道的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)生成PDP；

(2)区分低速模式和高速模式分别采用单窗口检测和多窗口检测；

(3)设定一个合适的最低噪声功率与步骤2中得到的噪声功率进行比较，若大于最低噪声功率则在的基础上提升L1dB作为第一门限，若小于最低噪声功率则在的基础上提升L2dB作为第一门限；

(4)将窗口中的最大值与第一门限进行比较，若大于第一门限，则判定为有效的信号，进行下一步的判断，若小于第一门限，则表示没有有效信号，结束此窗口中的检测；

(5)根据步骤4中得到的有效信号，求出信噪比，若有效信号是在小于最低噪声功率的情况下得到，则信噪比为若有效信号是在大于最低噪声功率的情况下得到，则信噪比为

(6)根据协议性能的要求，对于任何接收天线数目，任意帧结构和任意信道带宽，设定虚警概率的最大值和漏检概率的最小值；

(7)根据步骤5中得到的信噪比，求得第二门限值，将窗口中的最大值与此门限比较，若大于则有用户接入，并记录窗口中最大值的位置，其与窗口中第一个点的位置的差所用的时间就是上行定时提前量，否则，认为没有用户接入。

2.根据权利要求1所述的一种门限自适应的物理随机接入信道的检测方法，其特征在于步骤1中，生成PDP包含以下步骤：在得到功率延迟序列之前，包括：

(1)对接收机接收到的信号进行去除循环前缀、DFT变换、解资源映射，在FDD模式下得到一组频域信号，在TDD模式下可能得到多组频域信号；

(2)根据高层参数配置的逻辑根序列找到对应的物理根序列u，对可用的u产生出当前可用的ZC序列，每个u只产生一组本地ZC序列；

(3)将本地的ZC序列经过FFT变换后与上述得到的频域信号做频域相关；(4)经过IFFT运算得到PDP。

3.根据权利要求2所述的一种门限自适应的物理随机接入信道的检测方法，其特征在于在所述的DFT变换之前可以先进行多次的滤波降采样处理。

4.根据权利要求1所述的一种门限自适应的物理随机接入信道的检测方法，其特征在于步骤2中，低速模式下单窗口检测的窗口长度为N_CS，高速模式下使用三窗口合并检测，相关峰值的主瓣和左右两个旁瓣的检测范围分别为：[C_v,C_v+N_CS-1]，根据PDP，在每个检测窗口中去掉一个或者适当的几个最大值，将窗口中对剩余的值做平均处理，得到每个窗口的噪声功率

5.根据权利要求1所述的一种门限自适应的物理随机接入信道的检测方法，其特征在于步骤3中，L1、L2可自行设定。

6.根据权利要求5所述的一种门限自适应的物理随机接入信道的检测方法，其特征在于L1、L2的值为3dB。

7.根据权利要求1所述的一种门限自适应的物理随机接入信道的检测方法，其特征在于步骤6中所述虚警概率的最大值设为0.1％，漏检概率的最小值设为1％。