CN110881215A - 五窗口联合定时提前量估计校准方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及五窗口联合定时提前量估计校准方法，该方法包括：获取5G中PRACH前导格式2的信号；将信号划分为5个窗口并对5个窗口编号；对窗口5的数据的前面补零，使得5个窗口的序列长度都为24576K；对窗口1的前导序列进行检测，记录检测到的前导序列和TA；利用窗口1检测到的前导序列与窗口2的前导序列相关，记录窗口2的前导序列号；窗口3～5的检测方法与窗口2的检测方法相同；获取5个窗口的检测结果，并对检测结果进行五窗口联合定时提前量估计；本发明将检测窗口划分为5个，解决了在时延超过CP长度而导致TA估计无法满足5G协议要求的问题。

Description

五窗口联合定时提前量估计校准方法及其系统

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及五窗口联合定时提前量估计校准方法及其系统。

背景技术

在移动通信系统中，若终端在通信时间段内存在中高速移动，由电磁波传输速度可以计算出基站与终端之间的传输时延会随之变化。时提前量(TA，Timing Advance)的主要作用是为了以确保所有UE传输的数据包的到达时间都同步。在5G系统中当终端在空闲模式下，如初始开机场景，终端要想知道自身与基站之间的距离就需要执行随机接入过程。基站接收随机接入过程中传输的前导码序列，通过对基带信号处理获取随机接入前导码特有性质并以此为依据估计出定时提前量，最后通过Msg2也即是随机接入响应(Random AccessResponse，RAR)给终端指示，终端按照反馈的TA大小调整时钟实现上行定时同步。

5G中长前导码是基于长度L＝839的序列生成的，子载波间隔为1.25kHZ或者5kHZ。长前导码部分源于LTE随机接入的前导码，仅用于6GHZ以下的频段。现有技术中，LTE中传统的前导检测方法对于前导格式2和格式3主要是：采用将前导序列的前半部分和后半部分进行重复合并，然后根据合并后的功率时延谱(Power Delay Profile，PDP)计算前导序列号和定时提前量。采用这种方法能在一定的时延下对前导格式2和前导格式3的信号进行估计。

但是由于在5G的信号传输过程中存在时延，在时延超过循环前缀(CyclicPrefix，CP)的长度时，TA估计无法满足5G协议要求，因此，前导格式2的信号在进行估计时会出现估计不准确，误差较大的问题。

发明内容

为解决上现有技术的问题，本发明提出了一种五窗口联合定时提前量估计校准方法，该方法步骤包括：

S1：获取5G中PRACH前导格式2的信号；

S2：将前导格式2的信号划分为5个窗口，对这5个窗口进行编号，从右到左分别为窗口1、窗口2，窗口3、窗口4、窗口5；

S3：前4个窗口的序列长度都为24576K，对窗口5中的数据前面进行补零操作，使得窗口5的序列长度为24576K；

S4：对窗口1的前导序列进行检测，并记录检测到的前导序列号和定时提前量TA；

S5：将窗口i-1的前导序列的根序列与后一个窗口i的前导序列相关，记录第i个窗口的前导序列，其中i∈{2，3，4，5}；

S6：获取5个窗口的检测结果，并对检测结果进行定时提前量估计，再对定时提前量进行校准。

优选的，接收端接收到5G中PRACH前导格式2的信号时，去掉接收信号中的CP、GP以及PRACH前导在一个子帧的起始位置。

优选的，前导序列的检测包括：

S41：对窗口i中的前导序列进行降采样，得到1024点降采样数据；对1024点降采样数据进行FFT变换，得到频域的1024点数据；

S42：对频域的1024点数据进行子载波解映射，确定频域的1024点数据的补零子载波位置；将频域的1024点数据去除补零的子载波，得到839点的频域前导序列；

S43：对窗口i-1中的本地ZC序列进行DFT变换，生成频域的ZC序列后取共轭，再与窗口i中的839点频域前导序列相乘，得到窗口i-1中的频域ZC序列和窗口i中的839点频域前导序列相关的序列

S44：对得到的窗口i中的相关序列进行补0，将相关序列的长度扩展为2的幂次方，然后再对扩展后的相关序列进行IFFT变换，得到时域信号；计算时域信号的PDP；

S45：确定多个天线组合的PDP中的最大值，记录最大值所在的组号以及最大值所处序列中的位置，得到前导序列号和定时提前量TA；

其中，i表示窗口的编号，i∈{2，3，4，5}。

优选的，获取5个检测窗口的检测结果，根据检测前导序列和时延将得到的检测结果分成6种类型进行估计。

进一步的，6种类型包括：

情况A：时延为0到4688K，在窗口1到5检测到前导，不进行定时提前量校准；

情况B：时延为4688K到24576K，在窗口1到4检测到前导，而在窗口5未检测到前导，不进行定时提前量校准；

情况C：时延为24577K到29264K，在窗口1到4检测到前导，而在窗口5未检测到前导，定时提前量校准24576K；

情况D：时延为29265K到53840K，在窗口1到3检测到前导，而在窗口4和5未检测到前导，定时提前量校准29264K；

情况E：时延为53841K到78416K，在窗口1到2检测到前导，而在窗口3到5未检测到前导，定时提前量校准53840K；

情况F：时延为78417K到102992K，在窗口1可以检测到前导，而在窗口2到5未检测到前导，定时提前量校准78416K。

一种五窗口联合定时提前量估计校准系统，所述系统包括终端以及基站；

所述终端包括信号接收端，信号预处理模块，信号发送模块；

信号接收端用于接收5G中PRACH前导格式2的信号，并将接收到的信号发送给信号预处理模块；

信号预处理模块用于对接收到的信号进行处理，处理过程包括：去掉接收信号中的CP、GP以及PRACH前导在一个子帧的起始位置；

信号发送模块用于将信号预处理模块中处理好的信号发送给基站；

所述基站包括信号接收模块、窗口模块、窗口结果统计模块以及结果显示模块；

信号接收模块接收到信号用于接收终端的信号，并将信号发送给窗口模块；

所述窗口模块包括窗口添加模块、信号前导检测模块、检测记录模块以及记录发送模块；

窗口添加模块用于对发送给窗口模块的信号进行处理，包括对信号添加5个窗口，分别为窗口1、窗口2，窗口3、窗口4、窗口5；

信号前导检测模块用于对各个窗口中信号的序列进行前导检测，并将前导检测的结果发送给检测记录模块；

检测记录模块用于对检测结果的分类以及对检测结果的分析；

记录发送模块用于发送检测记录模块中的检测结果，包括将前导序列的根序列发送给下一个窗口的信号前导检测模块，将前导序列以及定时提前量TA发送给窗口结果统计模块；

窗口统计模块用于统计5个窗口中的结果，并对5个窗口的结果进行分类；然后对分类的结果进行分析；

结果显示模块用于对窗口统计模块结果的输出与显示。

本发明通过将检测窗口划分为5个，联合5个检测窗口的检测情况，将所估计的TA范围分为6类，根据分类结果进行TA校准从而准确估计出UE取得上行同步所需的TA，解决了在时延超过CP长度而导致TA估计无法满足5G协议要求的问题。

附图说明

图1是本发明的TA估计范围分类图；

图2是本发明的五窗口联合定时提前量估计流程图；

图3是本发明的本文方法在加性高斯白噪声下单UE验证图；

图4是本发明的五窗口联合定时提前量估计校准系统图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明为一种五窗口联合定时提前量估计校准方法，如图1所示，该方法步骤包括：

S1：获取5G中PRACH前导格式2的信号；

S2：将前导格式2的信号划分为5个窗口，对这5个窗口进行编号，从右到左分别为窗口1、窗口2，窗口3、窗口4、窗口5；

S3：前4个窗口的序列长度都为24576K，对窗口5中的数据前面进行补零操作，使得窗口5的序列长度为24576K；

S4：对窗口1的前导序列进行检测，并记录检测到的前导序列号和定时提前量TA；

S5：将窗口i-1的前导序列的根序列与后一个窗口i的前导序列相关，记录第i个窗口的前导序列，其中i∈{2，3，4，5}；

S6：获取5个窗口的检测结果，并对检测结果进行定时提前量估计，再对定时提前量进行校准；

其中，PRACH表示物理随机接入信道，TA表示定时提前量。

接收端接收到5G中PRACH前导格式2的信号时，去掉接收信号中的CP、GP以及PRACH前导在一个子帧的起始位置；

其中，CP表示循环前缀，GP表示保护间隔。

前导序列的检测包括：

S41：对窗口i中的前导序列进行降采样，得到1024点降采样数据；对1024点降采样数据进行FFT变换，得到频域的1024点数据；

S42：对频域的1024点数据进行子载波解映射，确定频域的1024点数据的补零子载波位置；将频域的1024点数据去除补零的子载波，得到839点的频域前导序列；

S43：对窗口i-1中的本地ZC序列进行DFT变换，生成频域的ZC序列后取共轭，再与窗口i中的839点频域前导序列相乘，得到窗口i-1中的频域ZC序列和窗口i中的839点频域前导序列相关的序列；

S44：对得到的窗口i中的相关序列进行补0，将相关序列的长度扩展为2的幂次方，然后再对扩展后的相关序列进行IFFT变换，得到时域信号；计算时域信号的PDP；

S45：选取多个天线组合的PDP中的最大值，记录最大值所在的组号以及最大值所处序列中的位置，得到前导序列号和定时提前量TA；

定时提前量TA等于最大值所处序列中的位置与理论上无时延时最大值应出现位置之差的绝对值。

其中，i表示窗口的编号，i∈{2，3，4，5}；本地ZC序列为前导序列的根序列，FFT表示快速傅里叶变换，IFFT表示快速傅里叶反变换，DFT表示离散傅里叶变换，PDP表示功率时延谱。

本地ZC序列的求解公式为：

其中，e为常量，i表示L_RA中的一个点，j为虚数，L_RA表示ZC序列的长度，u表示物理根序列号。

步骤S42中进行子载波解映射时会本地生成频移量不同的前导序列，不同的前导序列与接收的频域序列进行点乘，根据点成结果确定发送端的PRACH传输实际索引，根据传输时间索引确定补零的子载波位置。

如图2所示，获取5个检测窗口的检测结果TA，将得到的检测结果TA分成6种类型，根据检测前导序列和时延进行分类估计，6种类型包括：

情况A：时延为0到4688K，在窗口1到5检测到前导，不进行定时提前量校准；

情况B：时延为4688K到24576K，在窗口1到4检测到前导，而在窗口5未检测到前导，不进行定时提前量校准；

情况C：时延为24577K到29264K，在窗口1到4检测到前导，而在窗口5未检测到前导，定时提前量校准24576K；

情况D：时延为29265K到53840K，在窗口1到3检测到前导，而在窗口4和5未检测到前导，定时提前量校准29264K；

情况E：时延为53841K到78416K，在窗口1到2检测到前导，而在窗口3到5未检测到前导，定时提前量校准53840K；

情况F：时延为78417K到102992K，在窗口1可以检测到前导，而在窗口2到5未检测到前导，定时提前量校准78416K。

如图3所示，从图中可知在通过五窗口联合定时提前量估计校准方法补偿后的TA估计误差小于32KT_c，即在1.04μs之内，满足协议规定。

一种五窗口联合定时提前量估计校准系统，如图4所示，所述系统包括终端以及基站；

所述终端包括信号接收端，信号预处理模块，信号发送模块；

所述信号接收端用于接收5G中PRACH前导格式2的信号，并将接收到的信号发送给信号预处理模块；

所述信号预处理模块用于对接收到的信号进行处理，处理过程包括：去掉接收信号中的CP、GP以及PRACH前导在一个子帧的起始位置；

所述信号发送模块用于将信号预处理模块中处理好的信号发送给基站；

所述基站包括信号接收模块、窗口模块、窗口结果统计模块以及结果显示模块；

所述信号接收模块接收到信号用于接收终端的信号，并将信号发送给窗口模块；

所述窗口模块包括窗口添加模块、信号前导检测模块、检测记录模块以及记录发送模块；

所述窗口添加模块用于对发送给窗口模块的信号进行处理，包括对信号添加5个窗口，分别为窗口1、窗口2，窗口3、窗口4、窗口5；

所述信号前导检测模块用于对各个窗口中信号的序列进行前导检测，并将前导检测的结果发送给检测记录模块；

检测记录模块用于对检测结果的分类以及对检测结果的分析；

记录发送模块用于发送检测记录模块中的检测结果，包括将前导序列的根序列发送给下一个窗口的信号前导检测模块，将前导序列以及定时提前量TA发送给窗口结果统计模块；

所述窗口统计模块用于统计5个窗口中的结果，并对5个窗口的结果进行分类；然后对分类的结果进行分析；

所述结果显示模块用于对窗口统计模块结果的输出与显示。

所述信号前导检测模块的检测过程包括：

步骤1：对窗口i中的前导序列进行降采样，得到1024点降采样数据；对1024点降采样数据进行FFT变换，得到频域的1024点数据；对频域的1024点数据进行子载波解映射，确定频域的1024点数据的补零子载波位置；将频域的1024点数据去除补零的子载波，得到839点的频域前导序列；

步骤2：对窗口i-1中的本地ZC序列进行DFT变换，生成频域的ZC序列后取共轭，再与窗口i中的839点频域前导序列相乘，得到窗口i-1中的频域ZC序列和窗口i中的839点频域前导序列相关的序列

步骤3：对得到的窗口i中的相关序列进行补0，将相关序列的长度扩展为2的幂次方，然后再对扩展后的相关序列进行IFFT变换，得到时域信号；计算时域信号的PDP；

步骤4：选取多个天线组合的PDP中的最大值，记录最大值所在的组号以及最大值所处序列中的位置，得到前导序列号和定时提前量TA；

其中，i表示窗口的编号，i∈{2，3，4，5}；FFT表示快速傅里叶变换，DFT表示离散傅里叶变换，PDP表示功率时延谱。

所述窗口统计模块分成6种类型的定时提前量估计包括：

情况A：时延为0到4688K，在窗口1到5检测到前导，不进行定时提前量校准；

情况B：时延为4688K到24576K，在窗口1到4检测到前导，而在窗口5未检测到前导，不进行定时提前量校准；

情况C：时延为24577K到29264K，在窗口1到4检测到前导，而在窗口5未检测到前导，定时提前量校准24576K；

情况D：时延为29265K到53840K，在窗口1到3检测到前导，而在窗口4和5未检测到前导，定时提前量校准29264K；

情况E：时延为53841K到78416K，在窗口1到2检测到前导，而在窗口3到5未检测到前导，定时提前量校准53840K；

情况F：时延为78417K到102992K，在窗口1可以检测到前导，而在窗口2到5未检测到前导，定时提前量校准78416K。

本系统的实施例可以参考方法中的实施例。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种五窗口联合定时提前量估计校准方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

S1：获取5G中PRACH前导格式2的信号；

S2：将前导格式2的信号划分为5个窗口，对这5个窗口进行编号，从右到左分别为窗口1、窗口2，窗口3、窗口4、窗口5；

S3：前4个窗口的序列长度都为24576K，对窗口5中的数据前面进行补零操作，使得窗口5的序列长度为24576K；

S4：对窗口1的前导序列进行检测，并记录检测到的前导序列号和定时提前量TA；

S5：将窗口i-1的前导序列的根序列与后一个窗口i的前导序列相关，记录第i个窗口的前导序列，其中i∈{2，3，4，5}；

S6：获取5个窗口的检测结果，并对检测结果进行定时提前量估计，再对定时提前量进行校准；

其中，PRACH表示物理随机接入信道，TA表示定时提前量。

2.根据权利要求1所述的五窗口联合定时提前量估计校准方法，其特征在于，所述接收端接收到5G中PRACH前导格式2的信号时，去掉接收信号中的CP、GP以及PRACH前导在一个子帧的起始位置；

其中，CP表示循环前缀，GP表示保护间隔。

3.根据权利要求1所述的五窗口联合定时提前量估计校准方法，其特征在于，所述前导序列的检测包括：

S41：对窗口i中的前导序列进行降采样，得到1024点降采样数据；对1024点降采样数据进行FFT变换，得到频域的1024点数据；

S42：对频域的1024点数据进行子载波解映射，确定频域的1024点数据的补零子载波位置；将频域的1024点数据去除补零的子载波，得到839点的频域前导序列；

S43：对窗口i-1中的本地ZC序列进行DFT变换，生成频域的ZC序列后取共轭，再与窗口i中的839点频域前导序列相乘，得到窗口i-1中的频域ZC序列和窗口i中的839点频域前导序列相关的序列

S44：对得到的窗口i中的相关序列进行补0，将相关序列的长度扩展为2的幂次方，然后再对扩展后的相关序列进行IFFT变换，得到时域信号；计算时域信号的PDP；

S45：选取多个天线组合的PDP中的最大值，记录最大值所在的组号以及最大值所处序列中的位置，得到前导序列号和定时提前量TA；

其中，i表示窗口的编号，i∈{2，3，4，5}；本地ZC序列为前导序列的根序列，FFT表示快速傅里叶变换，IFFT表示快速傅里叶反变换，DFT表示离散傅里叶变换，PDP表示功率时延谱。

4.根据权利要求3所述的五窗口联合定时提前量估计校准方法，其特征在于，所述步骤S42中进行子载波解映射时，本地生成频移量不同的前导序列，不同的前导序列与接收的频域序列进行点乘，根据点成结果确定发送端的PRACH传输实际索引，根据传输时间索引确定补零的子载波位置。

5.根据权利要求1所述的五窗口联合定时提前量估计校准方法，其特征在于，获取5个检测窗口的检测结果，根据检测前导序列和时延将得到的检测结果分成6种类型进行估计。

6.根据权利要求5所述的五窗口联合定时提前量估计校准方法，其特征在于，所述6种类型包括：

情况A：时延为0到4688K，在窗口1到5检测到前导，不进行定时提前量校准；

情况B：时延为4688K到24576K，在窗口1到4检测到前导，而在窗口5未检测到前导，不进行定时提前量校准；

情况C：时延为24577K到29264K，在窗口1到4检测到前导，而在窗口5未检测到前导，定时提前量校准24576K；

情况D：时延为29265K到53840K，在窗口1到3检测到前导，而在窗口4和5未检测到前导，定时提前量校准29264K；

情况E：时延为53841K到78416K，在窗口1到2检测到前导，而在窗口3到5未检测到前导，定时提前量校准53840K；

情况F：时延为78417K到102992K，在窗口1可以检测到前导，而在窗口2到5未检测到前导，定时提前量校准78416K。

7.一种五窗口联合定时提前量估计校准系统，其特征在于，所述系统包括终端以及基站；

所述终端包括信号接收端，信号预处理模块，信号发送模块；

所述信号接收端用于接收5G中PRACH前导格式2的信号，并将接收到的信号发送给信号预处理模块；

所述信号预处理模块用于对接收到的信号进行处理，处理过程包括：去掉接收信号中的CP、GP以及PRACH前导在一个子帧的起始位置；

所述信号发送模块用于将信号预处理模块中处理好的信号发送给基站；

所述基站包括信号接收模块、窗口模块、窗口结果统计模块以及结果显示模块；

所述信号接收模块接收到信号用于接收终端的信号，并将信号发送给窗口模块；

所述窗口模块包括窗口添加模块、信号前导检测模块、检测记录模块以及记录发送模块；

所述窗口添加模块用于对发送给窗口模块的信号进行处理，包括对信号添加5个窗口，分别为窗口1、窗口2，窗口3、窗口4、窗口5；

所述信号前导检测模块用于对各个窗口中信号的序列进行前导检测，并将前导检测的结果发送给检测记录模块；

所述检测记录模块用于对检测结果的分类以及对检测结果的分析；

所述记录发送模块用于发送检测记录模块中的检测结果，包括将前导序列的根序列发送给下一个窗口的信号前导检测模块，将前导序列以及定时提前量TA发送给窗口结果统计模块；

所述窗口统计模块用于统计5个窗口中的结果，并对5个窗口的结果进行分类；然后对分类的结果进行分析；

所述结果显示模块用于对窗口统计模块结果的输出与显示。

8.根据权利要求7所述的一种五窗口联合定时提前量估计校准系统，其特征在于，所述信号前导检测模块的检测过程包括：

步骤1：对窗口i中的前导序列进行降采样，得到1024点降采样数据；对1024点降采样数据进行FFT变换，得到频域的1024点数据；对频域的1024点数据进行子载波解映射，确定频域的1024点数据的补零子载波位置；将频域的1024点数据去除补零的子载波，得到839点的频域前导序列；

步骤2：对窗口i-1中的本地ZC序列进行DFT变换，生成频域的ZC序列后取共轭，再与窗口i中的839点频域前导序列相乘，得到窗口i-1中的频域ZC序列和窗口i中的839点频域前导序列相关的序列

步骤3：对得到的窗口i中的相关序列进行补0，将相关序列的长度扩展为2的幂次方，然后再对扩展后的相关序列进行IFFT变换，得到时域信号；计算时域信号的PDP；

步骤4：选取多个天线组合的PDP中的最大值，记录最大值所在的组号以及最大值所处序列中的位置，得到前导序列号和定时提前量TA；

其中，，i表示窗口的编号，i∈{2，3，4，5}；FFT表示快速傅里叶变换，DFT表示离散傅里叶变换，PDP表示功率时延谱。

9.根据权利要求7所述的一种五窗口联合定时提前量估计校准系统，其特征在于，所述窗口统计模块中将5个检测窗口检测结果分成6种类型。

10.根据权利要求9所述的一种五窗口联合定时提前量估计校准系统，其特征在于，所述窗口统计模块分成的类型包括：

情况A：时延为0到4688K，在窗口1到5检测到前导，不进行定时提前量校准；

情况B：时延为4688K到24576K，在窗口1到4检测到前导，而在窗口5未检测到前导，不进行定时提前量校准；

情况C：时延为24577K到29264K，在窗口1到4检测到前导，而在窗口5未检测到前导，定时提前量校准24576K；

情况D：时延为29265K到53840K，在窗口1到3检测到前导，而在窗口4和5未检测到前导，定时提前量校准29264K；

情况E：时延为53841K到78416K，在窗口1到2检测到前导，而在窗口3到5未检测到前导，定时提前量校准53840K；

情况F：时延为78417K到102992K，在窗口1可以检测到前导，而在窗口2到5未检测到前导，定时提前量校准78416K。

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