CN111010741A - 一种5g系统随机接入前导双门限联合检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法，包括将得到的频域信号进行离散傅里叶逆变换到时域；通过设置门限，对信号进行峰值功率检测，包括：对主窗和4个副窗分别进行窗内检测，将5个窗口的信号进行叠加；将叠加后的信号作为合并窗口；设置第一门限，如果存在主窗口或者任意一个副窗口或者合并窗口的值大于第一门限，则判决有用户接入；设置第二门限，如果合并窗大于第二门限且搜索窗内的最大值大于第二门限，则认为有用户接入，随机接入检测成功；本发明在虚警概率满足3GPP协议要求的情况下，对接收端的随机接入前导进行检测，降低了漏检概率，提高了检测成功率，可广泛用于5G随机接入过程中。

Description

一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法。

背景技术

第五代(the 5th generation，5G)移动通信网络具有更高流量密度、更快传输速率、更高用户移动性要求的特点。对移动通信而言，随机接入是一个非常重要的过程。随机接入前导的发送和接收就是随机接入过程的第一步。随机接入前导序列是由Zadoff-Chu(简称ZC)根序列通过循环移位产生。ZC序列具有良好的自相关性和互相关性，这就使得用户可以很好的抵抗干扰。

如今，中国的高速铁路的最高实验速度可达到605公里每小时，这样的超高速移动会使得UE的随机接入前导发生较大的多普勒频偏。根据最大多普勒频偏公式：

其中f为中心频率，v为移动速度。在5G的频谱划分中，有3.5GHz的频段，在这一频段中，最大多普勒频移有2016.67Hz，远远超过了 PRACH在高速小区下的检测范围。这使得已有的前导序列的生成方式和检测算法不能很好地适应需求。

随着高速铁路的发展和公众对数据业务需求的不断增长，对高速铁路移动通信系统提出了更高的技术要求。在这种情况下，国内外学者提出了一些检测方法。有学者提出根据特定的初始物理跟序列号使相关峰值的偏移集中在单一的搜索窗口内，然后用单个搜索窗口进行前导检测，这种方法有一定的局限性；也有学者提出由于多普勒频偏会产生多个副峰，因此采用5检测窗口对前导序列进行检测。

发明内容

为了解决超高速场景下产生的大多普勒频偏问题，本发明提出一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法及系统，所述方法包括：

对接收到的前导信号去除循环前缀(Cyclic Prefix，CP)、保护间隔(GuardPeriod，GP)，并进行进行降采样处理；

进行快速傅里叶变换，得到频域序列，并将其与预先配置的前导序列进行相关；

将得到的频域信号进行离散傅里叶逆变换到时域；

通过设置门限，对信号进行峰值功率检测，包括：

对主窗和4个副窗分别进行窗内检测，将5个窗口的信号进行叠加；

计算经5窗口叠加后的信号作为合并窗口；

设置第一门限，如果存在主窗口或者任意一个副窗口或者合并窗口的值大于第一门限，则判决有用户接入；

设置第二门限，如果合并窗大于第二门限且搜索窗内的最大值大于第二门限，则认为有用户接入，随机接入检测成功。

进一步的，所述并窗口的值表示为：

其中，R表示合并窗口的值，

m＝0,1,…,L_RA-1，R(i,n)表示r_y,x(m)补零到1024点后的序列，r_y,x(m)为基站接收信号与本地ZC序列相关后产生的序列，其中i表示第i个窗口。

进一步的，第一门限根据改进的噪声判决法确定，表示为：

ThA＝Max(|r_y,x(m)|²)*K₁；

其中，ThA为第一门限的值；r_y,x(m)表示；|·|表示绝对值运算；K₁是根据多次仿真实验计算得出。

进一步的，进行仿真实验，根据在虚警概率和漏检概率满足3GPP协议要求的情况下，得到第一门限的权重因子K₁＝0.7。

进一步的，第二门限的值根据改进的噪声判决法确定，表示为：

其中，ThB为第二门限；

为去掉峰值噪声后的功率均值；K₂是根据多次仿真实验计算得出。

进一步的，进行仿真实验，根据在虚警概率和漏检概率满足3GPP协议要求的情况下，得到第二门限的权重因子K₂＝11。

本发明提出一种5G系统随机接入前导双门限联合检测装置，包括在接入端设置第一门限计算器、第二门限计算器以及设置五个窗口，在进行检测时，判断将任意一个窗口的值或者五个的合并窗口的值与第一门限计算器的值进行比较，若任意一个值大于第一门限值，则判断有用户接入；

计算第二门限值，若第二门限值大于合并窗的值或者，则判断接入成功。

进一步的，第一门限根据改进了的噪声判决法，然后根据多次仿真实验确定，表示为：

ThA＝Max(|r_y,x(m)|²)*K₁；

其中，ThA为第一门限的值；r_y,x(m)表示；|·|表示绝对值运算；K₁是根据多次仿真实验计算得出。

进一步的，第二门限的值根据改进了的噪声判决法确定，表示为：

其中，ThB为第二门限；

为去掉峰值噪声后的功率均值；K₂是根据多次仿真实验计算得出。

本发明针对超高速场景下产生的大多普勒频偏问题，利用五窗口检测和二次阈值算法相结合，在虚警概率满足3GPP协议要求的情况下，对接收端的随机接入前导进行检测，降低了漏检概率，提高了检测成功率，本发明可广泛用于 5G随机接入过程中。

附图说明

图1是本发明提供PRACH接收端系统框图；

图2是频偏为2016Hz不同算法性能比较图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法，如图1，包括：

对接收到的前导信号去除CP、GP，并进行进行降采样处理；

进行快速傅里叶变换，得到频域序列，并将其与预先配置的前导序列进行相关；

将得到的频域信号进行离散傅里叶逆变换到时域；

通过设置门限，对信号进行峰值功率检测，包括：

对主窗和4个副窗分别进行窗内检测，将5个窗口的信号进行叠加；

计算经5窗口叠加后的信号作为合并窗口；

设置第一门限，如果存在主窗口或者任意一个副窗口或者合并窗口的值大于第一门限，则判决有用户接入；

设置第二门限，如果合并窗大于第二门限且Maxvalue＞ThA，则认为有用户接入，随机接入检测成功。

随机接入前导的峰值检测主要分为三步：搜索窗检测，确定检测门限以及确定检测结果。在超高速移动情景下，相关峰的能量泄漏到C_v modL_RA、 (C_v±d_u)modL_RA处以及(C_v±2d_u)modL_RA处，其中，C_v表示循环移位，d_u表示协议规定的多普勒频偏对应的循环移位值；为了提高检测性能，需将这五处的能量进行合并，再对其进行检测。检测门限的确定是通过3GPP协议规定的虚警概率来设定的，可以通过基于噪声估计的方法来计算检测门限。噪声估计方法的思想是假设噪声的相关模平方值在服从自由度为2的卡方分布的情况下，先将基站接收信号与本地ZC序列相关，在判决量λ≥λ_threshold的条件下，并且虚警概率满足0.1％的情况下，从而计算出对应的门限λ_threshold。其中，相关后的序列为

m＝0,1,…,L_RA-1，则判决量为

σ为噪声的标准差，λ_threshold为噪声估计法所计算得出的门限。

然而这种门限检测的方法在信道的信噪比变化时，无法及时的反应到检测中，从而影响检测质量。因此改进噪声估计门限值算法，在接收端，检测过程可以基于接收信号和本地前导码之间的互相关的两个不同阈值。一个阈值用于确定接收到的信号是否为噪声，另一个阈值通过相关信号的概率分布来设置门限，进一步灵活的处理因噪声而带来的影响，采用改进的双门限判决法来进一步提高检测性能。

进一步的，所述并窗口的值表示为：

其中，R表示合并窗口的值；R(i,n)表示。

进一步的，第一门限根据改进了的噪声判决法，然后根据多次仿真实验确定确定，表示为：

ThA＝Max(|r_y,x(m)|²)*K₁；

其中，ThA为第一门限的值；r_y,x(m)表示；|·|表示绝对值运算；K₁是根据多次仿真实验计算得出。

进一步的，进行仿真实验，根据在虚警概率和漏检概率满足3GPP协议要求的情况下，估算得到K₁＝0.7。

进一步的，第二门限的值根据改进了的噪声判决法确定，表示为：

其中，ThB为第二门限；

为去掉峰值噪声后的功率均值；K₂为根据多次仿真实验计算得出。

进一步的，进行仿真实验，根据在虚警概率和漏检概率满足3GPP协议要求的情况下，估算得到K₂＝11。

本发明提出一种5G系统随机接入前导双门限联合检测装置，包括在接入端设置第一门限计算器、第二门限计算器以及设置五个窗口，在进行检测时，判断将任意一个窗口的值或者五个的合并窗口的值与第一门限计算器的值进行比较，若任意一个值大于第一门限值，则判断有用户接入；

计算第二门限值，若第二门限值大于合并窗的值或者，则判断接入成功。

进一步的，第一门限根据改进了的噪声判决法，然后根据多次仿真实验确定确定，表示为：

ThA＝Max(|r_y,x(m)|²)*K₁；

其中，ThA为第一门限的值；r_y,x(m)表示；|·|表示绝对值运算；K₁是根据多次仿真实验计算得出。

进一步的，第二门限的值根据改进了的噪声估计法确定，表示为：

其中，ThB为第二门限；

为去掉峰值噪声后的功率均值；K₂是根据多次仿真实验计算得出。

K₁、K₂的具体数值会根据频偏发生变化。在本发明中，频偏都是大于1250HZ 的，根据多次的仿真实验，K₁的值可设为0.7，K₂的值可设为11。

如图1所示的接收端的流程图，本发明的主要创新点在峰值检测那一个环节。现今高铁速度越来越快，最高实验速度可达到605公里每小时，此时最大多普勒频偏可达到2016.67Hz。在超高速模式下，随机接入的信号会因为多普勒频偏的影响使得接收信号的峰值发生变化，产生能量泄露和伪峰，接收到的前导序列会产生副峰，会影响信号的检测。附图2是在虚警概率满足3GPP协议的情况下，即虚警概率为0.1％，频偏为2016Hz的不同算法的性能对比图。

如图2，其中方块表示五窗口检测，×表示本发明算法，从图2的泄露概率可以看出，本文提出的联合检测算法的性能是最优的，相对于五窗口检测，本文方法性能改善了大约1dB。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法，包括：

对接收到的前导信号去除循环前缀CP、保护间隔GP，进行降采样处理；

进行快速傅里叶变换，得到频域序列，并将其与预先配置的前导序列进行相关；

将得到的频域信号进行离散傅里叶逆变换到时域；

其特征在于，通过设置门限，对信号进行峰值功率检测，包括：

对主窗和4个副窗分别进行窗内检测，将5个窗口的信号进行叠加；

计算经5窗口叠加后的信号作为合并窗口；

设置第一门限，如果存在主窗口或者任意一个副窗口或者合并窗口的值大于第一门限，则判决有用户接入；

设置第二门限，如果合并窗大于第二门限且五个窗内的最大值大于第二门限，则认为有用户接入，随机接入检测成功。

2.根据权利要求1所述的一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法，其特征在于，所述并窗口的值表示为：

其中，R表示合并窗口的值；

R(i,n)表示序列r_y,x(m)补零到1024点后的序列，r_y,x(m)为基站接收信号与本地ZC序列相关后产生的序列，i表示第i个窗口。

3.根据权利要求1所述的一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法，其特征在于，第一门限根据改进的噪声判决法确定，表示为：

ThA＝Max(|r_y,x(m)|²)*K₁；

其中，ThA为第一门限的值；r_y,x(m)表示接收信号与本地前导码相关的序列；|·|表示绝对值运算；K₁为第一门限的权重因子。

4.根据权利要求3所述的一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法，其特征在于，进行仿真实验，根据在虚警概率和漏检概率满足3GPP协议要求的情况下，得到第一门限的权重因子K₁＝0.7。

5.根据权利要求1所述的一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法，其特征在于，第二门限的值根据改进了的噪声判决法确定，表示为：

其中，ThB为第二门限；

为去掉峰值噪声后的功率均值；K₂为第二门限的权重因子。

6.根据权利要求5所述的一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法，其特征在于，进行仿真实验，根据在虚警概率和漏检概率满足3GPP协议要求的情况下，得到第二门限的权重因子K₂＝11。

7.根据权利要求3所述的一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法，其特征在于，接收信号与本地前导码相关的序列r_y,x(m)表示为：

其中，y(n)为接收序列，x^*(n+m)为本地ZC序列，L_RA为前导码长度。

8.一种5G系统随机接入前导双门限联合检测装置，其特征在于，包括在接入端设置第一门限计算器、第二门限计算器以及设置五个窗口，在进行检测时，判断将任意一个窗口的值或者五个的合并窗口的值与第一门限计算器的值进行比较，若任意一个值大于第一门限值，则判断有用户接入；

计算第二门限值，若第二门限值大于合并窗的值或者，则判断接入成功。

9.根据权利要求6所述的一种5G系统随机接入前导双门限联合检测系统，其特征在于，第一门限根据改进的噪声判决法确定，表示为：

ThA＝Max(|r_y,x(m)|²)*K₁；

其中，ThA为第一门限的值；r_y,x(m)表示；|·|表示绝对值运算，K₁为第一门限的权重因子。

10.根据权利要求7所述的一种5G系统随机接入前导双门限联合检测方法，其特征在于，第二门限的值根据改进的噪声判决法确定，表示为：

其中，ThB为第二门限；

为去掉峰值噪声后的功率均值；K₂为第二门限的权重因子。

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