移动通信系统随机接入前导序列检测与定时提前量确定的方法技术方案

本发明专利技术针对高速移动通信中多普勒频率偏移较大的特点，提出了一种随机接入前导序列检测与定时提前量确定的方法，可以有效支持航空及地面的高速移动通信。其优点如下：本发明专利技术提供的方法保持了SZC序列检测算法对较大频偏的容忍性，同时解决了SZC检测算法在时延不是采样间隔的整倍数时出现的检测错误平底问题；PZC序列并不像SZC序列一样要求两个子序列是对称的，因而可支持更灵活的系统配置。

Detection of Random Access Leader Sequence and Determination of Timing Advance in Mobile Communication System

According to the characteristics of large Doppler frequency offset in high-speed mobile communication, the invention proposes a random access preamble sequence detection and timing advance determination method, which can effectively support high-speed mobile communication in aviation and ground. The advantages of the method are as follows: the method provided by the invention maintains the tolerance of the SZC sequence detection algorithm for larger frequency offset, and solves the detection error flat bottom problem when the time delay of the SZC detection algorithm is not an integer multiple of the sampling interval; the PZC sequence does not require two subsequences to be symmetrical like the SZC sequence, so it can support more flexible system configuration.

【技术实现步骤摘要】
移动通信系统随机接入前导序列检测与定时提前量确定的方法
本专利技术针对高速移动通信中多普勒频率偏移较大的特点，提出了一种随机接入前导序列检测与定时提前量确定的方法。该方法可用于各种高速、超高速通信场景，如高速铁路通信、飞行器与地面基站通信(空地通信)、飞行器与飞行器通信(空空通信)和飞行器与卫星之间通信(空天通信)等。
技术介绍
近年来，将宽带网络服务范围扩展到高速、超高速移动通信场景，如为高空区域的客机、无人机等飞行器提供网络接入等，已成为学术界与工业界的研究热点之一[1]。一种方案是将长期演进(LongTermEvolution，LTE)、第五代(TheFifthGeneration，5G)通信的新无线(NewRadio，NR)系统的相关技术应用在航空通信中[2]。LTE技术已在陆地通信中使用数年，发展成熟，有望为高空飞行器提供高速、稳定的数据服务。NR作为下一代移动通信技术，也是应用于高速移动通信的候选技术之一。随机接入是用户进行网络接入的初始步骤，是用户与基站之间进行通信的必要条件[3]。在航空通信场景下，飞行器较高的移动速度会导致较大的多普勒频移，降低了随机接入前导序列检测的成功率和定时提前量估计的准确率，增加了接入时延。LTE与NR系统中传统的随机接入检测算法[3]已经考虑了用户移动性导致的频率偏移的问题，设计了随机接入前导序列限制集来克服该问题。除此以外，改进的基于广义似然比检验(GeneralizedLikelihoodRatioTest，GLRT)的检测器[4]进一步提高了随机接入检测的可靠性。然而，以上算法只适用于频率偏移在1250Hz以下的场景。另一方面，在LTE和NR支持的高速列车场景下，列车高速移动引起的频偏超过1250Hz。对此，第三代合作伙伴计划(3rdGenerationPartnershipProject，3GPP)设计了用于高铁随机接入的特殊前导序列集合[5]，但该设计仅能应对小于2.5kHz的频偏。为了解决更大的频率偏移问题，文献[6]提出使用对称Zadoff-Chu(SymmetricZadoff-Chu，SZC)序列作为前导序列。SZC序列将两段共轭的Zadoff-Chu(ZC)序列并行发送，利用两段序列与本地序列的互相关函数峰值的关系，消除频率偏移的影响。这种算法可以克服任意大小的频率偏移，但在前导序列的时延不是接收机采样间隔的整倍数时，会出现检测错误平底。
技术实现思路
本专利技术为解决传统技术提供的方法用于各种高速、超高速移动通信场景进行前导序列检测时，会出现检测错误平底的的技术缺陷，提供了一种可用于各类高速、超高速移动通信系统的随机接入前导序列检测与定时提前量确定的方法。为实现以上专利技术目的，采用的技术方案是：一种移动通信系统随机接入前导序列检测与定时提前量确定的方法，包括以下内容：(1)当终端进行随机接入时，选择根序列指数分别为u1和u2的两个ZC序列形成PZC序列，作为前导序列进行发送，发送信号的表达式为：其中，xu[n]表示根序列指数为u的ZC序列，NZC表示PZC序列的序列长度；(2)对s[n]进行NZC点离散傅里叶变换得到频域信号，将频域信号到系统设定的子载波后再进行N点离散傅里叶逆变换得到时域信号，然后将时域信号进行射频发送；(3)在基站端，基站对接收信号进行N点离散傅里叶变换，完成子载波解映射得到频域信号；然后对频率信号进行NZC点离散傅里叶逆变换得到接收序列：其中mod为取余数运算符，Nd为估计的终端的往返时延，fD表示多普勒频移，TS＝TSEQ/NZC表示采样间隔，TSEQ表示序列持续时间；z[n]表示高斯白噪声；然后进行(4)～(6)的前导序列检测；(4)基站将接收序列和本地序列进行互相关操作，得到接收序列与本地序列的互相关函数的模的平方，表示为：由于根序列指数不同的ZC序列可认为是近似正交的，将式(1)、式(2)、式(3)代入式(4)，可得到：(5)基站通过下式判断是否接收到前导序列：集合M定义为M＝{0,1,…,NZC-1}，ui取u1或u2其中的一个序列，γ为根据目标虚警概率预先设定的阈值；(6)若步骤(5)中判断有终端发送了前导序列，则进一步对终端的往返时延进行估计，首先，寻找cu1[m]的峰值位置：(7)寻找与匹配的的峰值回顾式(5)，得到出现峰值的位置应满足以下条件其中F＝round(fDTSEQ)，round(·)表示取整运算；消去Nd后可得根据实际的应用场景设定fD的最大值的取值，使得F的取值有限；基于此，给定后，在有限集合内寻找保证和的匹配性；具体地，定义集合M2为其中f＝-Fmax,-(Fmax-1),…,-1,0,1,…,Fmax，则可在M2中搜索得到为基于式(7)、式(11)计算出后，再代入式(8)消去F，可得注意到Nd∈{0,1,…,NZC-1}，因此选择满足式(12)的Nd的估计值即为往返时延的估计值；基站将往返时延的估计值发送给终端，由终端根据往返时延的估计值确定发送上行数据的时间提前量，从而达到上行同步的目的。与传统技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种使用成对Zadoff-Chu(PairedZadoff-Chu，PZC)序列作为前导序列的检测和定时提前量确定方法，可以有效支持航空通信及地面高速通信。其优点如下：本专利技术提供的方法保持了SZC序列检测算法对较大频偏的容忍性，同时解决了SZC检测算法在时延不是采样间隔的整倍数时出现的检测错误平底问题；PZC序列并不像SZC序列一样要求两个子序列是对称的，因而可支持更灵活的系统配置。附图说明图1为随机接入前导序列发送与接收系统模型示意图。图2为出现峰值能量泄露时的SAV-CCF示例图。图3为PZC序列检测与定时提前量确定算法的流程图。图4为不同场景下的错误检测率性能对比图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步的阐述。实施例1图1是本专利技术采用的随机接入前导序列发送与接收系统模型的示意图。该模型包含基站(BaseStation，BS)和终端(UserEquipment，UE)两类设备实体。根据通信场景的不同，BS可以是地面基站，也可以是安装在飞行器上的基站或是卫星基站等；UE可以是空中高速飞行器或地面高速终端。首先，UE选取要发送的前导序列，并进行NZC点(NZC是序列长度，并且是一个质数)离散傅里叶变换(DiscreteFourierTransform，DFT)得到频域信号，将其映射到系统设定的子载波后再进行N点离散傅里叶逆变换(InverseDiscreteFourierTransform，IDFT)得到时域信号用于射频发送。在接收端，BS对接收信号进行N点DFT，完成子载波解映射得到频域信号后，再进行NZC点IDFT获得接收序列，完成前导序列检测。如果检测到有UE发送了前导序列，根据接收序列估计UE的往返时延(Round-TripDelay，RTD)。随后BS将RTD的估计值发送给UE，由UE根据RTD将发送上行数据的时间提前，从而达到上行同步的目的。图1中UE的NZC点DFT、子载波映射和N点IDFT步骤实际上是LTE中的单载波频分多址(Single-CarrierFrequency-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.移动通信系统随机接入前导序列检测与定时提前量确定的方法，其特征在于：包括以下内容：(1)当终端进行随机接入时，选择根序列指数分别为u1和u2的两个ZC序列形成PZC序列，作为前导序列进行发送，发送信号的表达式为：

【技术特征摘要】
1.移动通信系统随机接入前导序列检测与定时提前量确定的方法，其特征在于：包括以下内容：(1)当终端进行随机接入时，选择根序列指数分别为u1和u2的两个ZC序列形成PZC序列，作为前导序列进行发送，发送信号的表达式为：其中，xu[n]表示根序列指数为u的ZC序列，NZC表示PZC序列的序列长度；(2)对s[n]进行NZC点离散傅里叶变换得到频域信号，将频域信号到系统设定的子载波后再进行N点离散傅里叶逆变换得到时域信号，然后将时域信号进行射频发送；(3)在基站端，基站对接收信号进行N点离散傅里叶变换，完成子载波解映射得到频域信号；然后对频率信号进行NZC点离散傅里叶逆变换得到接收序列：其中mod为取余数运算符，Nd为估计的终端的往返时延，fD表示多普勒频移，TS＝TSEQ/NZC表示采样间隔，TSEQ表示序列持续时间；z[n]表示高斯白噪声；然后进行(4)～(6)的前导序列检测；(4)基站将接收序列和本地序列进行互相关操作，得到接收序列与本地序列的互相关函数的模的平方，表示为：由于根序列指数不同的ZC序列可认为是近似正交的，将式(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵磊，黄颂康，江明，刘为，任后文，温文坤，
申请(专利权)人：中山大学，中国电子科技集团公司第七研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44