一种基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方法技术

本发明专利技术涉及移动通信技术领域，具体涉及一种基于跳频规则的NB‑IOT定时提前量估计方法，包括：通过射频对空口信号进行采样，得到采样信号；在采样信号中提取出基带信号，并进行基带信号处理；确定符号组所在频点位置，并基于跳频图样判定RACH信号；基于跳频规则估计定时提前量，对随机接入符号组中的符号进行两两共轭相乘，之后利用随机接入符号组跳频规则消除残留载波偏移CFO，再估计出定时提前量；获得定时提前估计量及前导索引。本发明专利技术利用随机接入符号组的跳频规则，在频域消除了残留载波偏移，提高了定时提前量估计精度，采取共轭相乘的方式完成算法的计算，复杂度低，利于硬件实现。

A nb-iot timing lead estimation method based on frequency hopping rules

【技术实现步骤摘要】
一种基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方法
本专利技术涉及移动通信
，具体涉及一种基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方法。
技术介绍
窄带物联网(NarrowBandInternetofThings,NB-IoT)作为物联网结构体系中的重要的组成部分，具有低成本、低功耗、大连接、广覆盖等优势。随着NB-IOT技术的发展与普及，在物联网应用中变得越来越广泛。随机接入过程作为接入网络的必要过程，与LTE-A系统相似，NB-IoT系统也需要通过随机接入过程进行终端初始网络接入，进而实现上行同步过程。当传输时延过大，即终端在远离基站的方向移动的情况，会导致基站收到信息与终端前一个时间发送的数据信息有部分重叠，由此产生干扰，进而基站与终端见的通信质量会降低。在NB-IOT系统在设计之初便引入了定时提前量(TimeAdvance,TA)参数，以指示终端发送消息时，需要提前或推迟的时间。进而使得终端获得上行定时同步。由于NPRACH信号中存在残留载波偏移CFO，假设为50Hz，会降低NPRACH信号估计的性能。假设每个符号组中包含6个相同符号，则T为1.6ms，然后由50HzCFO引起的相位误差将为0.16。如果接收器没有特殊处理，相位误差将导致基于3.75kHz的较小跳变的TA估计值的误差增加21.3us，后果十分严重。对于基于较大跳频的TA估计，即使用22.5kHz的间隔，相位误差也将导致3.5us的额外定时误差。
技术实现思路
为了解决上述问题，降低定时提前量估计误差，引用随机接入符号组跳频规则，通过算法消除残留载波偏移，本专利技术提供一种基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方法。一种基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方法，包括以下步骤：S1、终端在高层配置下，生成随机接入前导码，生成基带信号，发起随机接入；S2、接收端根据高层配置参数，通过射频在随机接入前导码信号可能出现的时机对信号进行采样，从采样的信号中提取基带信号，进行基带信号处理；S3、确定符号组循环前缀CP在提取的基带信号中开始的位置，去除CP，对去除CP后的随机接入信号RACH信号进行采样，得到随机接入符号组；S4、将本地生成的跳频图样与检测到的随机接入信号跳频图样进行比较，判定当前信号是否为随机接入信号，若当前信号为随机接入信号则进入步骤S5，若当前信号不是随机接入信号，则不做处理，返回步骤S2继续提取随机接入信号；S5、对随机接入符号组中的符号进行两两共轭相乘，利用随机接入符号组跳频规则消除残留载波偏移CFO，获得定时提前估计量及前导索引。本专利技术的有益效果：1.本专利技术利用随机接入符号组的跳频规则，在频域消除了残留载波偏移，提高了定时提前量估计精度。2.本专利技术采取共轭相乘的方式完成算法的计算，复杂度低，利于硬件实现，同时定时提前量估计误差在[-1～1us]范围内的概率为100％。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细的说明。图1为本专利技术实施例的一种基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方法流程图；图2为本专利技术实施例的跳频结构图；图3为本专利技术实施例的频域定时提前量估计错误分布图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示为本专利技术实施例的基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方法流程图，该方法包括但不限于如下步骤：S1、终端在高层配置下，生成随机接入前导码，生成基带信号，发起随机接入；S2、接收端根据高层配置参数，通过射频在随机接入前导码信号可能出现的时机对信号进行采样，从采样的信号中提取基带信号，进行基带信号处理；S3、确定符号组循环前缀CP在提取的基带信号中开始的位置，去除CP，对去除CP后的随机接入信号(RandomAccessChannel,RACH)进行采样，得到随机接入符号组；S4、将本地生成的跳频图样与检测到的随机接入信号跳频图样进行比较，判定当前信号是否为随机接入信号，若当前信号为随机接入信号则进入步骤S5，若当前信号不是随机接入信号，则不做处理，返回步骤S2继续提取随机接入信号；S5、对随机接入符号组中的符号进行两两共轭相乘，利用随机接入符号组跳频规则消除残留载波偏移CFO，获得定时提前估计量及前导索引。为了使本专利技术实施例更加清楚、完整，接下来对本专利技术方法的各个步骤进行详细描述。第一步终端设备在高层配置下，生成随机接入前导码(一个随机接入前导码包含4个随机接入符号组)发送给接收端，生成基带信号，发起随机接入；第二步接收端根据高层配置参数，在随机接入前导码信号可能出现的时机对信号采样，提取出可能存在的基带信号，并对提取出的基带信号进行预处理，预处理包括：降采样、滤波等基带处理。第三步确定CP在接收信号中开始的位置，之后去除循环前缀CP，对于去除循环前缀CP后的基带信号，符号组中只有5个信号，进行RACH采样得到5个信号，每采样N点信号值进行一次FFT变换，每变换5次，对变换所得数组找出对应最大值并获得最大值所在行号，最大值所在的行号为当前符号所在的频点号，可得到随机接入符号组。上述步骤中，若当前采样符号组是随机接入发起时机上的第一个符号组，则当前符号组所在频点号为前导码的开始子载波索引号RAPID，对于除此之外的其它符号组，所得值即是当前符号组所在的子载波序号。第四步根据NB-IoT协议中的描述及高层配置参数，生成本地所使用的跳频图样，将本地生成的跳频图样，与随机接入信号检测到的跳频图样进行比较，判定当前信号是否为随机接入信号，若当前信号为随机接入信号则进入下一步骤估计定时提前量值，若当前信号不是随机接入信号，则不做处理，返回步骤S2继续提取随机接入信号。当前信号是否为随机接入信号的判断包括：若当前信号前四个随机接入符号组所得跳频图样与本地生成的初始四个跳频图样一致，则认为该信号为RACH信号，不再做继续处理，节省系统资源；若存在个别图样有偏差，但是跳频图样累计正确率不低于75％，同样认为是RACH信号；除此之外，则认为当前信号不是RACH信号，丢弃相应数据，返回步骤S2继续提取随机接入信号。同时，若检测出当前信号是随机接入信号，则将当前信号的第一个符号组所在的子载波认定为本次随机接入信号的前导码索引。第五步基于随机接入符号组跳变规则估计定时提前量值：对随机接入符号组中的符号进行两两共轭相乘，利用随机接入符号组跳频规则消除残留载波偏移CFO，估计出定时提前量。随机接入信号符号组中，随机接入前导码的时域表达形式如下：其中，t表示时间，0≤t＜TSEQ+TCP，TSEQ表示随机接入符号组长度，TCP本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、终端在高层配置下，生成随机接入前导码，生成基带信号，发起随机接入；/nS2、接收端根据高层配置参数，在随机接入前导码信号可能出现的时机对信号采样，从采样的信号中提取基带信号，进行基带信号处理；/nS3、确定符号组循环前缀CP在提取的基带信号中开始的位置，对去除CP后的随机接入信号RACH信号进行采样，得到随机接入符号组；/nS4、将本地生成的跳频图样与检测到的随机接入信号跳频图样进行比较，判定当前信号是否为随机接入信号，若当前信号为随机接入信号则进入步骤S5，若当前信号不是随机接入信号，则不做处理，返回步骤S2继续提取随机接入信号；/nS5、对随机接入符号组中的符号进行两两共轭相乘，利用随机接入符号组跳频规则消除残留载波偏移CFO，获得定时提前估计量及前导索引。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、终端在高层配置下，生成随机接入前导码，生成基带信号，发起随机接入；
S2、接收端根据高层配置参数，在随机接入前导码信号可能出现的时机对信号采样，从采样的信号中提取基带信号，进行基带信号处理；
S3、确定符号组循环前缀CP在提取的基带信号中开始的位置，对去除CP后的随机接入信号RACH信号进行采样，得到随机接入符号组；
S4、将本地生成的跳频图样与检测到的随机接入信号跳频图样进行比较，判定当前信号是否为随机接入信号，若当前信号为随机接入信号则进入步骤S5，若当前信号不是随机接入信号，则不做处理，返回步骤S2继续提取随机接入信号；
S5、对随机接入符号组中的符号进行两两共轭相乘，利用随机接入符号组跳频规则消除残留载波偏移CFO，获得定时提前估计量及前导索引。


2.根据权利要求1所述的一种基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方法，其特征在于，随机接入符号组的确定包括：对去除CP后的随机接入信号RACH信号进行采样，每采样N点信号值进行一次快速傅里叶FFT变换，每变换5次，在FFT变换所得数组中找出最大值并获得最大值所在的行号，最大值所在的行号为当前符号所在的频点号，采样完成后，将FFT变换所得数组中找出的最大值的集合作为随机接入符号组。


3.根据权利要求1所述的一种基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方法，其特征在于，当前信号是否为随机接入信号的判断包括：若当前信号前四个符号组所得跳频图样与本地生成的初始四个跳频图样一致，则该信号为随机接入信号；若存在个别图样有偏差，但是跳频图样的累计正确率不低于75％，则该信号为随机接入信号；否则，不是随机接入信号。


4.根据权利要求1所述的一种基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方法，其特征在于，随机接入前导码的时域表达形式如下：



其中，t表示时间，且0≤t＜TSEQ+TCP，TSEQ表示随机接入符号组长度，TCP表示循环前缀长度，βNPRACH为幅度比例因子，j表示虚数单位，表示第i个随机接入符号组占用的频域位置，决定随机接入信号在频域中的位置，K表示载波间隔比，且K＝Δf/ΔfRA，Δf表示表示采样率归一化的残余载波频率偏移，ΔfRA表示NPRACH子载波间隔，取值为3.75kHz，中间变量为上行载波对应的子载波数。


5.根据权利要求1所述的一种基于跳频规则的NB-IOT定时提前量估计方...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭钦红，梁泽乾，王华华，陈发堂，王丹，郑焕平，杨黎明，余永坤，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50