CN115174333B - 适用于urllc场景下极简信号收发方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于URLLC场景下极简信号收发方法，在发送端通过使用Zadoff‑Chu序列作为载波序列，离散傅里叶变换矩阵为调制序列集，通过移位交织形成在同步误差范围内具有近似理想的自相关性和互相关性的广义啁啾序列，并通过扩充DFT序列集大小来实现承载信息量；在接收端通过短时傅里叶变换对接收信号进行忙检测，并根据频域波动对应接收序列的相对位置为粗同步位置，根据频域波动范围建立候选序列池，在粗同步位置左右范围内对接收序列进行相关检测，根据相关峰峰值对应接收序列的相对位置完成定时功能。本发明通过兼备同步及信息承载一体化的波形以及配套的同步检测算法，使得接收端不需要经过大量忙相关检测即可实现超高可靠性。

Description

适用于URLLC场景下极简信号收发方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信领域的技术，具体是一种同步兼备信息承载的时域波形 设计和快速同步检测该发送波形的方法，适用于通信双方交互信息量较小的场景，该技术可 带来符合高可靠性和低延迟通信场景(URLLC)要求的性能表现。

背景技术

3GPP针对5G典型应用场景URLLC提出的具体性能指标为：用户面的端到端延迟需要 在1ms以内，传输32字节URLLC服务数据包的误块率需要在10^-5以下。适用于URLLC场 景的现有工业技术如扩展子载波间隔、迷你时隙等方法无法在数据量较小的情况下仅能降低空口传输时延，无法解决在端到端时延中占比最大的收发端处理时延。LTE、NR等无线传输系统的同步信号使用时域序列，接收端同步处理方法是获取发端配置参数生成模拟序列池， 对接收信号进行忙检测，即使用该模拟序列池中所有序列与接收信号进行相关检测。如果在 主要使用时域序列承载信息的通信方案中，该忙检测所带来的计算复杂度过高不适用于 URLLC场景，因此，需要联合时域波形设计和配套快速同步检测的通信方案。

发明内容

本发明面向对收发双方交互信息量较少且对低时延和高可靠有极高要求的通信场景， 针对基于OFDM改进方案无法有效解决处理时延占比过大以及现有通信系统采用时域序列承 载信息的方法同步检测计算复杂度高等问题，提出了一种适用于URLLC场景下极简信号收发 方法，通过兼备同步及信息承载一体化的波形以及配套的同步检测算法，使得接收端不需要 经过大量盲相关检测即可实现超高可靠性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种适用于URLLC场景下极简信号收发方法，在发送端通过使用Zadoff- Chu序列作为载波序列，离散傅里叶变换矩阵为调制序列集，离散傅里叶变换序列调制截短后 的Zadoff-Chu序列形成兼备定时和信息承载功能的具有低相关区的GCL序列；在接收端通过 短时傅里叶变换对接收信号进行忙检测，并根据频域波动对应接收序列的相对位置为粗同步 位置，根据频域波动范围建立候选序列池，在粗同步位置左右范围内对接收序列进行相关检测，根据相关峰峰值完成同步和检测功能实现本发明信号收发。

所述的低相关性质GCL序列为具低/零相关区性质的啁啾信号，具体为：c(k)＝a(k)b(k mod m)，其中：k＝0，1，...，N-1，N为生成序列长度，N＝tm，m 和t是正整数，载波序列其中：/>b(k)是严 格要求单位模值为1的序列，该序列优选为DFT序列来承载信息量。控制具备该性质时域长 度小于预估的同步误差，即可等效获得理想的相关特性进而完成相应的同步和检测。根据上 述分析序列无法同时具有理想的自相关性和互相关性，但不论自相关函数还是互相关函数， 在零偏移附近(不包含零偏移)具有一段低相关值的区域(低相关区)或者零相关值的区域(零相关 区)，在实际应用中需要设置低/零相关区长度小于同步误差，该区域之外的相关值对最大相关峰检测不会造成影响，则不会造成接收端检测性能下降，所生成GCL序列基于此性质具有良 好的同步定时功能。

所述的具有低相关区的GCL序列是指：当N＝tm＝9，m＝3，t＝3，从m阶DFT 矩阵中选择调制正交序列，则周期为N的低相关性质GCL序列集为 当0≤s＜9时，/>因此该序列集中所有序列均是位移等价序列，即DFT序列对Zadoff-Chu序列进行调制，在接 收信号短时傅里叶变换后时频光谱图中的表现是不同发送序列为相同斜率、不同截距的高亮斜线，故生成GCL序列间具有位移等价性质，通过此性质具备承载信息能力。

技术效果

本发明解决了收发双方交互信息量较少且对低时延和高可靠有极高要求的通信场景下 现有技术无法有效降低处理时延的问题，摒弃OFDM框架而直接采用具有低相关区性质的 GCL序列达到同步和信息承载一体化效果，接收端采用基于STFT的快速同步检测算法，现有系统处理同步信号的方法是使用生成序列池中所有序列去与接收信号相关进行盲检测，所带 来的计算复杂度过高。

与现有技术相比，本发明使用过Zadoff-Chu序列与DFT序列交织构造形成同步兼备信 息传输一体化的GCL序列，对GCL序列生成方法进行改进，设计具有低相关性质的GCL序列。 接收端改进的快速检测同步算法利用接收信号STFT后的时频信息进行同步位置粗估计，建立 备选序列池去相关细纠，减少同步检测的计算复杂度。

附图说明

图1为实施例系统示意图；

图2为实施例生成GCL序列相关性质图；

图3为改进GCL序列相关性质图

图4为短时傅里叶变换时频特性示意图；

图5为同步和检测流程图；

图6为序列池中与发送序列相关结果图；

图7为CSMA和TDMA下的误检率示意图；

图8为TDMA下不同莱斯因子对误检率的影响示意图；

图9为TDMA下时延扩展对误检率的影响示意图；

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种实现上述适用于URLLC场景下极简信号收发方法 的极简信号收发系统，包括：位于发送端的Zadoff-Chu序列生成模块、DFT序列集生成模块、 GCL序列集生成模块以及位于接收端的STFT模块、粗同步模块、建立备选序列池模块和相关 检测模块，其中：Zadoff-Chu序列生成模块生成长Zadoff-Chu序列并进行截短，DFT序列集 生成模块生成DFT矩阵，GCL序列集生成模块利用DFT矩阵行向量与截短后的Zadoff-Chu 序列循环相乘生成GCL序列池，位于接收端的STFT模块对接收信号进行短时傅里叶变换后 得到时频光谱图，粗同步模块通过分析STFT后时域信息进行粗定时并建立备选序列池，相关 检测模块将接收序列与备选序列池内各序列相关找到相关峰峰值出现位置。

所述的粗同步模块，通过频域波动对应的时域信息即相对接收序列的位置作为粗同步结果，根据频域波动对应的频域标号信息建立备选序列池。

所述的相关检测模块，优选将接收序列在一段移位范围内与备选序列池内各序列相关， 得到准确定时和检测结果，具体为：以两个长度为N的复数序列为例，u＝{u_i，i＝0，1，...，N- 1}，v＝{v_i，i＝0，1，...，N-1}，复数序列的周期互相关函数定义为θ_u，v(τ)： τ∈Z，当u＝v时上式变为周期自相关函数θ_u(τ)。序列理想的自相关性质是除 零延时外相关函数值处处为零，理想互相关性质是不同序列间相关函数值处处为零，具有上 述理想性质的序列可以通过相关的方法快速判断序列间的相似程度。

根据序列性质理论界证明该序列并不存在，其中著名的Sarwate界为：假定(N，K)序列 池U是一组K个周期为N的序列uⁱ的集合，其中任意序列零延时周期自相关函数值θ_ui(0)＝ N，则其中：θ_c和θ_a分别是序列间所有延时互相关函数最大值和非零延 时自相关函数最大值，由上式可知无法同时减少θ_c和θ_a，即序列自相关性质和互相关性质无法 同时达到理想的预期，存在性能的折中。

本实施例面向小数据量传输以满足超可靠和低延迟通信性能指标，所采用序列的长度 不应过长。因此通过生成长Zadoff-Chu序列后根据实际通信需要截取短Zadoff-Chu序列，然后与DFT序列循环相乘形成GCL序列。

如图3所示，现有技术生成GCL序列虽然在零延时处具有类似冲激响应的自相关性质， 但零相关区长度较短且非零延时自相关边峰峰峰值较大。如图3b所示，为不同长Zadoff-Chu 序列截取相同长度短Zadoff-Chu序列后生成GCL序列的自相关性质，对比直接生成短Zadoff- Chu序列后生成的GCL序列，周期性自相关函数的零相关性质受到破坏，低相关区长度扩大 的同时零延时处主峰峰值的宽度扩大，即将严格满足零相关区的GCL序列转变成低相关区的 GCL序列，以提高后续同步检测容错性。

所述的STFT具体为：通过采样得到长度为L的实值离散时间信号

其中：x：[0：L-1]：＝{0，1，...，L-1}，w(n)是分析窗，仅当n∈[0，N- 1]时w(n)不为0，H表示步进长度，/>表示使得窗口时间范围完全包含在信 号时间范围内的最大帧索引，其与现有傅里叶变换的区别在于短时傅里叶变换将信号的时域 和频域联系起来，可以据此对信号进行时频分析。

如图4所示，通过对实际接收到的信号做短时傅里叶变换，即获得信号时频信息，高 亮部分起始的时域信息完成同步功能，高亮部分对应于频域的宽度去帮助完成序列的检测。

如图3所示，所述的备选序列池，具体通过以下方式得到：接收端使用对接收序列进 行短时傅里叶变换，当发送端建立序列池S＝{s₀,s₁，...，s_M-1}，其中M为序列池中序列总数， 并实际传输数据后经过空口传输到达接收端，接收序列经过STFT模块后其时频域信息发生变 化，因此同步位置粗估计是指信号产生频域波动时所对应接收序列的相对位置t，由于需要精 准的定时性能来保证后续的检测可靠性，根据信号产生频域波动时高亮的斜线所对应的标号集I＝{i₀,i₁,...，i_N-1}，其中N为高亮斜线对应频域标号的个数，接收端根据标号集建立备选序 列池此标号对应于发送端生成序列池中序列的排布顺序，为了进一步提 高定时性能，备选序列池还加入了与标号相邻的初始序列池中序列，新生成的标号集I′＝ {(i₀-1)mod M，(i₀+1)mod M，...，(i_N-1-1)mod M，(i_N-1+1)mod M}。

如图4所示，所述的相关检测，具体包括：设定位移长度τ并根据同步位置粗估计出的 接收序列相对位置t，在[t-τ，t+τ]的区间内使用接收序列与备选序列池中序列相关检测，通 过利用初始设计序列良好的自互相关性找到相关峰峰值所对应的接收序列相对位置t₀，即发送 序列的确切起始位置。

当发送端连续发送序列时，信道干扰会导致接收端所接收的数据存在“粘连”的现象，即 连续发送的两个序列在接收端出现了时域信号重叠，在成功同步第一个发送序列后，确定了 该序列的起始位置t₀，由于接收端预先知道发送端生成序列池的参数配置，则在[t₀+L- τ，t₀+L+τ]的区间内使用接收序列与整个序列池中的序列进行相关检测，其中L为序列长度，与未出现时域信号重叠的检测方法类似，找到其相关峰峰值对应的相对位置t₁为第二个序列确 切起始位置。

本实施例使用的基本参数如下表所示：

参数名	设定
		信道	有限长单位冲激响应滤波器+加性高斯白噪声
低自相关区长度	32
		序列长度	512
STFT窗长	8
		STFT步进长度	2
加窗类型	Blackman

发送端生成ZCZ长度为32的16*512的GCL-ZCZ序列池，在这里定义序列误检率为：序列错误率＝错误序列数/总发送序列数。

CSMA是发送端发送单个序列，TDMA是发送端连续发送两个序列，依靠第一个序列的同步信息来帮助检测第二个序列。TDMA情况下的误检率为两个序列的错检数/总序列的发 送数。

该实施例信道通过采用有限长单位冲激响应滤波器(FIR)实现，长度为N的有限长单位 冲激响应滤波器输出对应于输入时域序列x(n)的关系由有限卷积和的形式给出 其中h(t)是期望的频率特征函数H(f)在时域里的表达式，输入信号是时 域序列，每个时刻输入值随时间变化，有限长单位冲激响应滤波器滤波器最终的输出是各个 时刻的输入乘以相应的权重(系数)，然后进行叠加输出以达到多径衰落信道的效果。

仿真实施例总体流程通过发送端生成GCL序列池后随机选择序列发送，初始FIR信道 参数为[1,0,0,0,0.3]，将发送的时域序列与信道卷积后加上噪声后即为接收端接收信号。

如图6所示，根据实施例结果可见单序列检测可以在SNR为5dB的情况下达到10^-6以下的误检率，由于TDMA模式下检测第二个序列在一定程度上依靠第一个序列的同步精度，所以相应的TDMA模式下效果并不及CSMA。

在实际通信场景中，考虑发送序列在空口传输的过程中，经过信道干扰后在接收端接 收序列时产生时域重叠，针对这种情况，通过随机重叠点数去设置连续发送两个序列的重叠 程度，这里设置时间序列的重叠点数在5以内。

在5G标准协议中定义主径与次径之比为莱斯因子，随着莱斯因子的增大意味着主径发 射功率越强，在这里通过调整FIR滤波器中尾部系数的大小来探究莱斯因子大小对平台仿真 误检率的影响，这里选择的信道参数是[1,0,0,0,0.7]，[1,0,0,0,0.5]，[1,0,0,0,0.3]，而时延扩展 是通过调整FIR滤波器中零系数的个数来探究其对平台仿真误检率的影响，这里选择的信道 参数是[1,0,0,0,0.7]，[1,0,0,0,0.5]，[1,0,0,0,0.3]。

如图8所示，为在莱斯因子为0.7时所得到的实验结果，可得出TDMA模式下随着时延扩展的增大，平台仿真的可靠性相比图7有着更差的表现，并且可靠性方面逐渐变差，在采样率为20M的情况下，时延扩展达到35μs需要在10dB时才能达到URLLC的目标可靠性 性能。

如图8所示，为在时延扩展为15μs时得到的实验结果，可以看到TDMA模式下，随 着莱斯因子的增大，即次径与主径的发射功率之比越大，平台仿真的可靠性越差，在莱斯因子为0.7时最差在8dB时可达到URLLC场景下对误块率10^-5以下的要求。

与现有技术相比，本方法可生成具有低相关区性质的GCL序列，该GCL序列兼备同步 及信息传输一体化的功能，接收端采用基于STFT的快速同步检测模块相比现有同步序列处理 使用序列池中所有序列与接收序列相关计算复杂度低，且能够带来满足URLLC可靠性指标的 性能表现，可适用于面向URLLC场景下车联网中车辆间通信等应用场景。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式 对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范 围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种适用于URLLC场景下极简信号收发方法，其特征在于，在发送端通过使用Zadoff-Chu序列作为载波序列，离散傅里叶变换矩阵为调制序列集，离散傅里叶变换序列调制截短后的Zadoff-Chu序列形成兼备定时和信息承载功能的具有低相关区的GCL序列；在接收端通过STFT对接收信号进行忙检测，并根据频域波动对应接收序列的相对位置为粗同步位置，根据频域波动范围建立候选序列池，在粗同步位置左右范围内对接收序列进行相关检测，根据相关峰峰值完成同步和检测功能实现信号收发；

所述的低相关性质GCL序列为具低/零相关区性质的啁啾信号，具体为：c(k)＝a(k)b(kmod m)，其中：k＝0，1，…，N-1，N为生成序列长度，N＝tm，m和t是正整数，载波序列其中：/>b(k)是严格要求单位模值为1的序列；

所述的具有低相关区的GCL序列是指：当N＝tm＝9，m＝3，t＝3，从m阶DFT矩阵中选择调制正交序列，则周期为N的低相关性质GCL序列集为 当0≤s<9时，/>因此该序列集中所有序列均是位移等价序列，即DFT序列对Zadoff-Chu序列进行调制，在接收信号短时傅里叶变换后时频光谱图中的表现是不同发送序列为相同斜率、不同截距的高亮斜线，故生成GCL序列间具有位移等价性质，通过此性质具备承载信息能力；

所述的STFT具体为：通过采样得到长度为L的实值离散时间信号 其中：x:[0:L-1]:＝{0,1,…,L-1}，w(n)是分析窗，仅当n∈[0,N-1]时w(n)不为0，H表示步进长度，/>表示使得窗口时间范围完全包含在信号时间范围内的最大帧索引。

2.根据权利要求1所述的适用于URLLC场景下极简信号收发方法，其特征是，所述的候选序列池，通过以下方式得到：使用对接收序列进行短时傅里叶变换，当发送端建立序列池S＝{s₀,s₁,…,s_M-1}，其中M为序列池中序列总数，根据信号产生频域波动时高亮的斜线所对应的标号集I＝{i₀,i₁,…,i_N-1}，其中N为高亮斜线对应频域标号的个数，接收端根据标号集建立备选序列池此标号对应于发送端生成序列池中序列的排布顺序，为了进一步提高定时性能，备选序列池还加入了与标号相邻的初始序列池中序列，新生成的标号集I'＝{(i₀-1)mod M,(i₀+1)mod M,…,(iN_-1-1)mod M,(iN_-1+1)mod M}。

3.根据权利要求1所述的适用于URLLC场景下极简信号收发方法，其特征是，所述的相关检测，具体包括：设定位移长度τ并根据同步位置粗估计出的接收序列相对位置t，在[t-τ,t+τ]的区间内使用接收序列与备选序列池中序列相关检测，通过利用初始设计序列良好的自互相关性找到相关峰峰值所对应的接收序列相对位置t₀，即发送序列的确切起始位置；

当发送端连续发送序列时，信道干扰会导致接收端所接收的数据存在“粘连”的现象，即连续发送的两个序列在接收端出现了时域信号重叠，在成功同步第一个发送序列后，确定了该序列的起始位置t₀，由于接收端预先知道发送端生成序列池的参数配置，则在[t₀+L-τ,t₀+L+τ]的区间内使用接收序列与整个序列池中的序列进行相关检测，其中L为序列长度，与未出现时域信号重叠的检测方法类似，找到其相关峰峰值对应的相对位置t₁为第二个序列确切起始位置。

4.一种实现权利要求1～3中任一所述适用于URLLC场景下极简信号收发方法的极简信号收发系统，其特征在于，包括：位于发送端的Zadoff-Chu序列生成模块、DFT序列集生成模块、GCL序列集生成模块以及位于接收端的STFT模块、粗同步模块、建立备选序列池模块和相关检测模块，其中：Zadoff-Chu序列生成模块生成长Zadoff-Chu序列并进行截短，DFT序列集生成模块生成DFT矩阵，GCL序列集生成模块利用DFT矩阵行向量与截短后的Zadoff-Chu序列循环相乘生成GCL序列池，位于接收端的STFT模块对接收信号进行短时傅里叶变换后得到时频光谱图，粗同步模块通过分析STFT后时域信息进行粗定时并建立备选序列池，相关检测模块将接收序列与备选序列池内各序列相关找到相关峰峰值出现位置。

5.根据权利要求4所述的极简信号收发系统，其特征是，所述的粗同步模块，通过频域波动对应的时域信息即相对接收序列的位置作为粗同步结果，根据频域波动对应的频域标号信息建立备选序列池。