基于ZC序列的6G低轨卫星随机接入信号生成及检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ZC序列的6G低轨卫星随机接入信号发送序列生成方法，属于卫星无线通信技术领域。本发明专利技术的随机接入信号包括循环前缀、前导序列Sequence、保护间隔，前导序列Sequence由两个长度为N的序列对应元素相乘所得，接入前导序列Sequence的数学表达式如下：其中第一序列是根值为s、长度为N

【技术实现步骤摘要】
基于ZC序列的6G低轨卫星随机接入信号生成及检测方法


[0001]本专利技术属于卫星无线通信
，具体地说，涉及基于ZC序列的6G低轨卫星随机接入信号发送序列生成方法及接收端检测方法。

技术介绍

[0002]移动通信系统的迅速发展给日常生活提供了极大的便利，随着通信需求的日益增长和新业务的不断拓展，地面蜂窝通信系统与卫星通信系统的相互融合已经逐渐成为下一代通信技术(6G)的研究热点之一。相较于中高轨道卫星通信系统，低轨卫星(low earth orbit,LEO)通信系统依靠其技术发展成熟、覆盖范围较广以及传输延时较低等优点可以作为地面蜂窝系统的有效扩展，为实现通信网络天地一体化奠定基础。
[0003]随机接入技术是蜂窝通信系统的关键技术之一，主要作用是建立基站与用户之间的通信链路、获得定时提前信息，保证上行数据的可靠传输。在当前地面的4G、5G蜂窝系统随机接入过程中，基站通过逐一检测所有可能的随机接入前导码序列，确定其对应用户是否想要接入系统以及相对应的往返传输时延。基站将检测到的信息反馈给用户设备，而用户设备根据接收到的时延信息进行定时提前(timing advance，TA)调整并发送后续的数据信息。
[0004]与当前地面4G、5G蜂窝通信系统不同的是，卫星通信系统的传播距离更长、覆盖范围更广以及用户终端与卫星之间相对运动速度更快，这导致现有的4G(例如LTE系统)、5G(例如NR系统)随机接入技术无法直接适用于卫星通信系统，需要重新设计随机接入信号的收发端以适应低轨卫星通信系统的特点并能够与地面通信系统相兼容。特别是卫星通信系统中，卫星与用户终端之间的相对运动会产生较大的多普勒频偏，这将会造成接收信号失真，严重影响接收端随机接入信号检测。因而，能够应对较大的频偏也成为了随机接入信号收发端设计的难点之一。
[0005]现有的随机接入信号设计方案未能够同时考虑低轨卫星系统的广覆盖、大传输时延、更多接入用户终端设备以及较大的多普勒频偏的特性。参考文献CN2022102755797中给出了一种适应卫星通信系统信道特点的随机接入前导码设计方案。该方案未考虑频偏的存在，也即所设计的随机接入信号方案只适用于用户终端静止不动的场景，并且配置GNSS设备能够对卫星的运动轨迹进行预测从而避免由于卫星运动产生的频偏。本专利技术综合考虑了包括频偏在内的这些因素，重新设计了发送端的随机接入信号序列以及接收端的检测定时方案。本专利技术中所设计的方案在终端设备运动的场景(也即存在频偏的场景)下也能够适用，具有更广阔的应用价值。

技术实现思路

[0006]卫星通信相较于当前的4G、5G地面蜂窝通信系统有着更长的传播延时以及更大的频偏，这将造成接收信号的严重失真，影响接收端的定时以及检测性能。针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的在提供一种适用于LEO卫星系统的物理层随机接入信号发送序
列生成以及接收端检测定时的方法，包括发送端的随机接入前导码方案设计、根值集合生成算法设计以及接收端的检测定时算法设计，所提出的方法能够对抗频偏同时又不影响接收端定时检测性能。
[0007]为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：所述随机接入信号包括循环前缀(Cyclic Prefix，CP)、前导序列Sequence、保护间隔(Guard Time，GT)，
[0008]所述前导序列Sequence由两个长度为N的序列对应元素相乘所得，所述接入前导序列Sequence的数学表达式如下：其中所述第一序列是根值为s、长度为N
ZC
的短ZC序列重复K次后所得到的长度为N(N＝K
·
N
ZC
)的序列，不同随机接入前导序列的短序列完全相同；
[0009]所述第二序列是根值分别为r1和r2的两个长度为N的ZC序列相加乘以所得到的序列。
[0010]作为本专利技术的一种优选方案，具体通过如下步骤获取前导序列Sequence的各项参数：
[0011]S1：确定地面终端设备和低轨卫星之间的最大往返传输时延差
[0012]S2：根据所述最大往返传输时延差确定所述循环前缀CP和所述保护间隔GT的持续时间T
CP
、T
GT
，
[0013]S3：确定随机接入前导序列Sequence持续时间T
Seq
及所述前导序列Sequence长度N；
[0014]S4：设置第一序列根值s，使得所述第一序列根值s与所述短ZC序列长度N
ZC
互质；
[0015]S5：获取不同随机接入前导序列(需要提供的随机接入前导序列数量为I)所使用的第二序列根值r1和r2所组成的集合R
root1
,R
root2
。
[0016]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤S1根据LEO卫星系统的参数以及覆盖范围计算最大往返传输时延差具体方法如下：
[0017]S101：获取卫星通信系统的波束直径d
cell
和地球半径D，根据所述卫星通信系统的波束直径d
cell
和所述地球半径D，计算出波束直径d
cell
与地球半径D的夹角
[0018]S102：设卫星与卫星信号能够到达地球的最大范围点的距离为最大传输距离L，设卫星与卫星信号能够到达地球的最大范围点的连线和卫星信号能够到达地球的最大范围点处的切线的夹角为最小通信仰角θ，再根据所述最大传输距离L和所述最小通信仰角θ计算出卫星覆盖的小区边缘到卫星的最小距离
[0019]S103：根据所述卫星覆盖的小区边缘到卫星的最小距离d、所述最大传输距离L和光速c，计算得到所述最大往返传输时延差
[0020]作为本专利技术的一种优选方案，步骤S3具体包括如下步骤：
[0021]S301：获取随机接入信道的噪声密度N0、噪声系数N
f
、PRACH信号目标接收功率P
RA
、6G地面蜂窝通信系统物理层随机接入前导序列Sequence持续时间T
ss
、接收端随机接入信号采样频率f
s
、虚警概率p
FA
和检测系统的漏检概率p
MD
；
[0022]S302：根据公式求得检测门限a，检测窗口长度求得检测门限a，检测窗口长度f
s
为接收端随机接入信号采样频率，符号表示对x向上取整；
[0023]S303：根据公式得到满足检测概率要求的前导序列能量与热噪声比其中，Q1为马库姆函数，
[0024]S304：为满足覆盖性能要求，令所述前导序列Sequence持续时间
[0025]S305：考虑与地面蜂窝通信系统物理层随机接入信号设计方案的兼容性，令所述前导序列持续时间T
Seq
为6G地面蜂窝通信系统随机接入前导序列Sequence持续时间Tss的K倍，即T
Seq
＝K
×
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于ZC序列的6G低轨卫星随机接入信号发送序列生成方法，所述随机接入信号包括循环前缀、前导序列Sequence、保护间隔，其特征在于，所述前导序列Sequence由两个长度为N的序列对应元素相乘所得，所述接入前导序列Sequence的数学表达式如下：其中所述第一序列是根值为s、长度为N
ZC
的短ZC序列重复K次后所得到的长度为N(N＝K
·
N
ZC
)的序列，不同随机接入前导序列的短序列完全相同；所述第二序列是根值分别为r1和r2的两个长度为N的ZC序列相加乘以所得到的序列。2.根据权利要求1所述的基于ZC序列的6G低轨卫星随机接入信号发送序列生成方法，其特征在于，具体通过如下步骤获取前导序列Sequence的各项参数：S1：确定地面终端设备和低轨卫星之间的最大往返传输时延差S2：根据所述最大往返传输时延差确定所述循环前缀CP和所述保护间隔GT的持续时间T
CP
、T
GT
，S3：确定随机接入前导序列Sequence持续时间T
Seq
及所述前导序列Sequence长度N；S4：设置第一序列根值s，使得所述第一序列根值s与所述短ZC序列长度N
ZC
互质；S5：获取不同随机接入前导序列所使用的第二序列根值r1和r2所组成的集合R
root1
,R
root2
。3.根据权利要求2所述的基于ZC序列的6G低轨道卫星随机接入信号发送序列生成方法，其特征在于，所述步骤S1根据LEO卫星系统的参数以及覆盖范围计算最大往返传输时延差具体方法如下：S101：获取卫星通信系统的波束直径d
cell
和地球半径D，根据所述卫星通信系统的波束直径d
cell
和所述地球半径D，计算出波束直径d
cell
与地球半径D的夹角S102：设卫星与卫星信号能够到达地球的最大范围点的距离为最大传输距离L，设卫星与卫星信号能够到达地球的最大范围点的连线和卫星信号能够到达地球的最大范围点处的切线的夹角为最小通信仰角θ，再根据所述最大传输距离L和所述最小通信仰角θ计算出卫星覆盖的小区边缘到卫星的最小距离S103：根据所述卫星覆盖的小区边缘到卫星的最小距离d、所述最大传输距离L和光速c，计算得到所述最大往返传输时延差4.根据权利要求2所述的基于ZC序列的6G低轨道卫星随机接入信号发送序列生成方法，其特征在于，步骤S3具体包括如下步骤：S301：获取随机接入信道的噪声密度N0、噪声系数N
f
、PRACH信号目标接收功率P
RA
、6G地面蜂窝通信系统物理层随机接入前导序列Sequence持续时间T
SS
、接收端随机接入信号采样频率f
s
、虚警概率p
FA
和检测系统的漏检概率p
MD
；S302：根据公式求得检测门限a，检测窗口长度求得检测门限a，检测窗口长度f
s
为接收端随机接入信号采样频率，符号表示对x向上取整；
S303：根据公式得到满足检测概率要求的前导序列能量与热噪声比其中，Q1为马库姆函数，S304：为满足覆盖性能要求，令所述前导序列Sequence持续时间S305：考虑与地面蜂窝通信系统物理层随机接入信号设计方案的兼容性，令所述前导序列持续时间T
Seq
为6G地面蜂窝通信系统随机接入前导序列Sequence持续时间T
SS
的K倍，即T
Seq
＝K
×
T
SS
，K为整数；S306：考虑最大往返传输时延差的要求，令所述前导序列Sequence持续时间T
Seq
≥ΔT
RTDmax
；S307：根据S304、S305、S306，获得最小的正整数K，使得所述前导序列Sequence持续时间T
Seq
＝K
×
T
ss
，且且S308：根据已获得的K和所述短ZC序列的长度N
ZC
，求得第一序列和第二序列的长度M＝K
×
N
ZZ
。5.根据权利要求2所述的基于ZC序列的6G低轨道卫星随机接入信号发送序列生成方法，其特征在于，所述步骤S4包括在确定N
NC
、K和N的情况下，第一序列短序列根值s设置为s＝1，满足条件s与N
NC
互质。6.根据权利要求2所述的基于ZC序列的6G低轨道卫星随机接入信号发送序列生成方法，其特征在于，所述S5中第二序列长序列根值r1和r2所组成的集合R
root1
(r1∈R
root1
)和R
root2
(r2∈R
root2
)包括如下步骤：S501、初始化参数N、K、N
ZC
，需要提供的随机接入前导序列数量为I，第一序列根值s＝1,长ZC序列根值r1的集合长ZC序列根值r2的集合R
root2
[1:I]＝0，长ZC序列所有根值的集合以及中间变量t＝1，r＝1，i＝1，j＝1；S502、检查参数r，如果r<N,进入步骤S503，否则，初始化参数t＝t+1,r＝1，R
root2
[1：I]＝0，i＝1，j＝1，并返回步骤S502；S503、检查r是否与N互质以及r+s
×
K是否与N互质；对满足这两个要求的r进入步骤S504，否则令r＝r+1跳至步骤S502；S504、如果i＝1，将r放入集合R
root
和R
root1
中，也即R
root
[i]＝r，R
root1
[j]＝r，同时令i＝i+1，j＝j+1，跳至步骤S506；如果i≠1，检查r与R
root
中的任意根值元素μ(μ∈R
root
)是否满足.g＝GCD(N，r
‑
μ)≤t，如对某一个根值元素μ不满足g≤t，则令r＝r+1跳至步骤S502，否则(也即对于所有的μ∈R
root
，都有g＝GCD(N，r
‑
μ)≤t)，则在k＝1到k＝j
‑
1的范围内逐一检查，看看能否找到k使得((r+Ks)
‑1‑
(R
root1
[k]+Ks)
‑1)mod N
ZC
≠0以及R
root2
[k]＝＝0，如果能够找到这样的k，对于第一个满足条件的k，令R
root2
[k]＝r，并将r放入集合R
root
中，也即R
root
[i]＝r，并令i＝i+1，跳至步骤S506；如果在k＝1到k＝j
‑
1的范围不能找到这样的k满足((r+Ks)
‑1‑
(R
root1
[k]+Ks)
‑1)mod N
ZC
≠0以及R
root2
[k]＝＝0，则跳至步骤S505；S505、检查...

【专利技术属性】
技术研发人员：花敏，许泽阳，赵伟，魏佳楠，孟硕，刘晓明，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：