CN102377720B - 一种高速模式的zc序列检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速模式的ZC序列检测方法，将接收到的ZC序列信号和本地ZC序列相关，将相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到合并的相关能量序列；计算该相关能量序列的噪声功率估计N_u；设定三个检测窗口CS、CS_-1和CS₊₁各自的阈值因子ThreL、ThreM和ThreR；分别搜索这三个检测窗口的能量最大值，并判断其是否大于其阈值因子与噪声功率估计值的乘积；若所述三个判断中任一判断结果为是，则检出ZC序列并对ZC序列进行定时；若三个判断的判断结果均为否，则未检出ZC序列。本发明还提出另一种高速模式的ZC序列检测方法。

Description

一种高速模式的ZC序列检测方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种高速模式的ZC序列检测方法和装置。

背景技术

ZC（ZadOff-Chu）序列具有理想的自相关特性和不同ZC序列间最佳互相关特性，在通信系统（如LTE）中常作为训练序列，用于同步、随机接入以及扩频通信中。在高速应用中，多普勒效应或收发两端频率差，造成了接收信号和本地ZC参考信号之间频率差，给ZC序列检测和定时带来了挑战。

专利文献1（中国申请号CN200910129962.6）提出了多天线间相关能量合并后峰值检测的方案。专利文献2（欧洲申请号EP2107749(A2)）提出了一种优化不同长度ZC序列间干扰的方案。专利文献3（美国申请号US20090191875A1）中，提出了一种合并多次接收到的ZC序列信号的方案提高检测性能。但这些专利均未对接收信号和本地参考ZC序列存在较大频率偏差的应用场景提供解决方案。

专利文献4（世界局申请号WO2008057752A2）提出了由两个（不同根参数的）ZC序列组成一个训练序列，从而采用类似自相关的方式，从而克服了频偏（包含多普勒效应）的影响。但该方案首先需要采用双ZC序列，在一些应用场合不能满足该条件，如LTE。而且在某些场景下，采用单训练序列的互相关检测的性能优于双训练序列的自相关检测性能。

3GPP的提案R1-073178（Panasonic,NTT DoCoMo）提出了一种有效的针对高速用户的检测方案。但在支持高速模式的小区中，依然存在相对速度较小或相对静止的用户。该算法对低速或相对静止的用户要求的接入信噪比较高。

总之，怎样在支持高速相对移动的无线通信中，同时更好的支持相对移动速度较低或相对静止的用户，现有的专利文献未提出更有效的方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了高速模式的ZC序列检测方法和装置，不仅对相对高速移动的收发两端提供了有效的检测性能，同时对相对移动速度较低或静止的收发两端的ZC检测和定时具有很好的性能。

本发明实施例提出了一种高速模式的ZC序列检测方法，包括如下步骤：

将接收到的ZC序列信号和本地ZC序列相关，将相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到合并的相关能量序列；

计算该合并的相关能量序列的噪声功率估计N_u；

设定三个检测窗口CS、CS_-1和CS₊₁各自的阈值因子ThreL、ThreM和ThreR；

用于在合并的相关能量序列中搜索CS检测窗口的能量最大值，并判断其是否大于ThreM与N_u的乘积；搜索CS_-1检测窗口的能量最大值，并判断其是否大于ThreL与N_u的乘积；以及搜索CS₊₁检测窗口的能量最大值，并判断其是否大于ThreR与N_u的乘积；

所述三个判断中任一判断结果为是，则检出ZC序列并对ZC序列进行定时；若三个判断的判断结果均为否，则未检出ZC序列。

较佳地，所述计算该相关能量序列的噪声功率估计N_u包括如下步骤：

计算接收的ZC序列信号和某一个根的本地ZC序列的相关输出的总能量；

在每个随机接入检测窗口中，计算信道扩展时间T_DS检测窗口中的能量和的最大值；

计算总能量除去能量和的最大值后的剩余能量以及相应的剩余序列点数；

剩余的总能量除以相应的剩余序列点数得到该序列的噪声功率估计并输出。

较佳地，所述设定三个检测窗口CS、CS_-1和CS₊₁各自的阈值因子ThreL、ThreM和ThreR包括：

设定系统总体虚警概率要求为P_FA；

设定CS检测窗口、CS_-1检测窗口和CS₊₁检测窗口对应的虚警概率为αP_FA,βP_FA,γP_FA，其中0≤α,β，γ≤1且α+β+γ=1；

让应用场景中相应的噪声或高斯白噪声通过接收机，统计CS检测窗口、CS_-1检测窗口和CS₊₁检测窗口的能量最大值和/或噪声功率估计的值，搜索阈值因子ThreM、ThreL和ThreR，使得能量最大值和/或噪声功率估计的值大于阈值因子的概率小于或等于设定的虚警概率，从而按照设定的虚警概率确定了阈值因子ThreM、ThreL和ThreR。

较佳地，α=β=γ=1/3。

较佳地，所述将相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到合并的相关能量序列之后，进一步包括：

计算各个相关能量序列的加权和；其中，权重因子

N_DS为检测窗口的检测窗口长度，或者权重因子为相应应用场景下的信道时延统计概率函数。

本发明实施例还提出另一种高速模式的ZC序列检测方法，包括如下步骤：

将接收到的ZC序列信号和本地ZC序列相关，将相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到合并的相关能量序列；

计算该相关能量序列的噪声功率估计N_u；

设定三个检测窗口CS、CS_-1和CS₊₁合并的阈值因子Thre3以及检测窗口CS的阈值因子ThreM；

搜索CS检测窗口的能量最大值，并判断其是否大于ThreM与N_u的乘积；以及将CS_-1检测窗口、CS检测窗口和CS₊₁检测窗口的能量合并，搜索合并后的能量最大值，并判断其是否大于Thre3与N_u的乘积；

所述两个判断中任一判断结果为是，则检出ZC序列并对ZC序列进行定时；若两个判断的判断结果均为否，则未检出ZC序列。

较佳地所述设定三个检测窗口CS、CS_-1和CS₊₁合并的阈值因子Thre3以及检测窗口CS的阈值因子ThreM包括：

设定系统总体虚警概率要求为P_FA；

设定CS检测窗口虚警概率为αP_FA，CS、CS-1和CS+1能量合并检测窗口对应的虚警概率为(1-α)P_FA，其中0≤α≤1；

让应用场景中相应的噪声或高斯白噪声通过接收机，统计CS检测窗口和CS、CS-1检测窗口、CS+1合并检测窗口的能量最大值和/或噪声功率估计的值，搜索阈值因子ThreM和Thre3，使得能量最大值和/或噪声功率估计的值大于阈值因子的概率小于或等于设定的虚警概率，从而按照设定的虚警概率确定阈值因子ThreM和Thre3。

较佳地，

较佳地，所述将相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到合并的相关能量序列之后，进一步包括：

计算各个相关能量序列的加权和；其中，权重因子

N_DS为检测窗口的检测窗口长度，或者权重因子为相应应用场景下的信道时延统计概率函数。

本发明实施例还提出一种高速模式的ZC序列检测装置，包括：

和本地序列相关器，用于将接收到的ZC序列信号和本地ZC序列相关，并输出相关后的ZC序列；

相关序列能量合并模块，用于将和本地序列相关器输出的相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到并输出合并的相关能量序列；

噪声估计模块，用于计算所述合并的相关能量序列的噪声功率估计N_u；

第一搜索模块，用于在合并的相关能量序列中搜索CS检测窗口的能量最大值，并将搜索到的能量最大值输出至第一判断模块；

第一判断模块，用于判断来自第一搜索模块的能量最大值是否大于预先设置的检测窗口CS的阈值因子ThreM与噪声功率估计N_u的乘积，并将判断结果输出至检测和定时模块；

第二搜索模块，用于在合并的相关能量序列中搜索CS_-1检测窗口的能量最大值，并将搜索到的能量最大值输出至第二判断模块；

第二判断模块，用于判断来自第二搜索模块的能量最大值是否大于预先设置的检测窗口CS_-1的阈值因子ThreL与噪声功率估计N_u的乘积，并将判断结果输出至检测和定时模块；

第三搜索模块，用于在合并的相关能量序列中搜索CS₊₁检测窗口的能量最大值，并将搜索到的能量最大值输出至第三判断模块；

第三判断模块，用于判断来自第三搜索模块的能量最大值是否大于预先设置的检测窗口CS₊₁的阈值因子ThreR与噪声功率估计N_u的乘积，并将判断结果输出至检测和定时模块；

检测和定时模块，用于在来自第一判断模块、第二判断模块和第三判断模块的判断结果中任一判断结果为是，则检出ZC序列并对ZC序列进行定时；若所述三个判断结果均为否，则未检出ZC序列。

较佳地，所述噪声估计模块包括：

总能量计算单元，用于计算接收的ZC序列信号和某一个根的本地ZC序列的相关输出的总能量；

最大值单元，用于在每个随机接入检测窗口中，计算信道扩展时间T_DS检测窗口中的能量和的最大值；

剩余能量与序列点数计算单元，用于计算总能量除去能量和的最大值后的剩余能量以及相应的剩余序列点数；

输出单元，用于将剩余的总能量除以相应的剩余序列点数得到该序列的噪声功率估计并输出。

较佳地，该装置进一步包括：加权和模块，用于计算所述相关序列能量合并模块输出的各个相关能量序列的加权和，并将所得加权和输出至第一搜索模块、第二搜索模块和第三搜索模块；其中，权重因子N_DS为检测窗口的检测窗口长度，或者权重因子为相应应用场景下的信道时延统计概率函数。

本发明实施例还提出另一种高速模式的ZC序列检测装置，包括：

和本地序列相关器，用于将接收到的ZC序列信号和本地ZC序列相关，并输出相关后的ZC序列；

相关序列能量合并模块，用于将和本地序列相关器输出的相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到并输出合并的相关能量序列；

噪声估计模块，用于计算所述合并的相关能量序列的噪声功率估计N_u；

CS检测窗口搜索模块，用于在合并的相关能量序列中搜索CS检测窗口的能量最大值，并将搜索到的能量最大值输出至第四判断模块；

第四判断模块，用于判断来自第一搜索模块的能量最大值是否大于预先设置的检测窗口CS的阈值因子ThreM与噪声功率估计N_u的乘积，并将判断结果输出至检测和定时模块；

能量合并及搜索模块，用于将检测窗口CS、CS_-1和CS₊₁合并，搜索合并检测窗口的能量最大值，并将搜索到的能量最大值输出至第五判断模块

第五判断模块，用于判断来自能量合并及搜索模块的能量最大值是否大于预先设置的合并检测窗口的阈值因子Thre3与噪声功率估计N_u的乘积，并将判断结果输出至检测和定时模块；

检测和定时模块，用于在来自第四判断模块和第五判断模块的判断结果中任一判断结果为是，则检出ZC序列并对ZC序列进行定时；若所述两个判断结果均为否，则未检出ZC序列。

较佳地，加权和模块，用于计算所述相关序列能量合并模块输出的各个相关能量序列的加权和，并将所得加权和输出至CS检测窗口搜索模块和能量合并及搜索模块；其中，权重因子

N_DS为检测窗口的检测窗口长度，或者权重因子为相应应用场景下的信道时延统计概率函数。

本发明实施例提出两种ZC序列的检测和定时方案，一种是对CS、CS_-1，CS₊₁三个检测窗口分别检测和定时方案；另一种是分别对CS检测窗口和CS、CS_-1，CS₊₁能量合并检测窗口检测和定时方案。本发明实施例提出的技术方案不仅对相对高速移动的收发两端提供了有效的检测性能，同时对相对移动速度较低或静止的收发两端的ZC检测和定时具有很好的性能。

附图说明

图1为接收的ZC序列与本地ZC序列相关的示意图；

图2为现有技术中的一种支持高速用户的检测和定时装置示意图；

图3为本发明实施例一提出的一种支持高速用户的检测和定时装置示意图；

图4为本发明实施例二提出的一种支持高速用户的检测和定时装置示意图。

具体实施方式

如图1所示，对于接收到存在频率偏差的ZC序列(白色矩形表示)，和本地ZC序列（带阴影的矩形表示）相关时，不仅在检测窗口CS出现峰值，而且在检测窗口CS_-1和CS₊₁出现较大的峰值（不考虑CS、CS_-1和CS₊₁之外的分量）。图1中，d_u表示u的乘逆，mod(u·d_u,N_ZC)=1，N_ZC表示ZC序列的长度

现有技术中的一种支持高速用户的检测和定时装置如图2所示，包括时域ZC序列发射机模块201、等价多径频偏模块202、和本地序列相关器203、相关序列能量合并模块204、噪声估计模块205、窗口能量合并模块206以及峰值监测和定时模块207。

时域ZC序列发射机模块201用于发射时域循环移位的ZC序列，其中可能包含循环前缀（CP，Cyclic Prefix）和保护时间间隔（GT，Guard Time）。

等价多径频偏模块202用于通过等价多径频偏信道将来自时域ZC序列发射机201的ZC序列传递到和本地序列相关器203。所述等价多径频偏信道是指等价到基带中的射频信道，包含了由于收发机两端本振或频率同步后的误差、多普勒效应以及射频信道的多径效应等。

和本地序列相关器203用于将接收到的ZC序列信号和本地ZC序列（即需要检测的ZC序列）相关，在LTE中有可能需要进行不同根参数的ZC序列的多次检测。

相关序列能量合并模块204用于实现天线能量合并和重复能量合并功能。在某些场景中，如LTE中的PRACH格式2和3，使用了重复的两个ZC序列组成一个长的ZC序列，在接收中可以分别对两个ZC序列的接收信号进行相关，再进行能量合并，输出得到的合并后的能量序列PDP_u。

本发明方案是在上述现有技术的参考方案的基础上加以改进，并且本发明方案主要体现在相关序列能量合并模块204之后的处理中，因此上述模块201至模块204的具体处理方式不同并不影响本发明的使用。

注意，本发明中提及的噪声功率和噪声功率估计均指的是相关序列能量合并模块204输出的CS_n、CS_n-1，CS_n+1合并前的噪声功率和噪声功率估计。

在峰值监测和定时模块207中，采用三个检测窗（CS_-1、CS，CS₊₁）能量合并的方法，生成检测统计量；将此检测统计量与检测门限（即：阈值因子和噪声功率估计值的乘积）进行比较，从而判决和定时。

对于ZC序列：

c为复常数，当收发两端频偏和ZC序列的时长之积在正负1之内时，相关能量主要集中在三个检测窗（CS_-1、CS，CS₊₁）中。由正交空间的能量不变性，三个检测窗（CS_-1、CS，CS₊₁）能量相加，小于或接近于无频偏时检测窗口CS中的能量。当天线数、重复格式等参数一定时，指定虚警概率P_FA，实质上指定了检测门限中的阈值因子大小。三窗合并后，决定阈值因子的开方分布的自由度相应的增加到3倍。

本发明提出了一种有效的支持高速模式的ZC序列检测和定时方案，对CS、CS_-1，CS₊₁检测窗口分别检测，三个检测窗口虚警概率之和为P_FA。虽然每个检测窗口的虚警概率降低从而提高了相应的阈值因子，但决定阈值因子的开方分布自由度仅为参考方案的三窗合并方式的1/3，从而检测门限低于三窗合并方案的检测门限。本发明并提出了另一种折中的方案，将三窗合并和CS窗检测合并起来。这两种方案都能有效地提高了支持高速模式小区内对低速或相对静止的移动终端的检测和定时性能。

本发明实施例一方案提出了分别对CS、CS_-1和CS₊₁进行检测和定时（CS、CS_-1或CS₊₁检测顺序不限）的方法；当其中一个检测窗口通过门限检测，则检测出ZC序列并定时；若三个检测窗口都没有通过门限检测，则未检出。CS检测窗口判决、CS_-1检测窗口判决，CS₊₁检测窗口判决的先后次序可交换。

本发明实施例一提出的支持高速模式的ZC序列检测和定时装置框图如图3所示，包括时域ZC序列发射机模块301、等价多径频偏模块302、和本地序列相关器303、相关序列能量合并模块304、噪声估计模块305、第一搜索模块306、第一判断模块307、第二搜索模块308、第二判断模块309、第三搜索模块310和第三判断模块311。其中模块301至304与图2所示的模块201至204的功能相同。

其中，第一搜索模块306用于搜索能量序列PDP_u的CS检测窗口能量的最大值，并将所述最大值输出至第一判断模块307。第一判断模块307用于判断检测窗口能量的最大值是否大于ThreM×N_u，并将判断结果通知检测和定时模块312；

第二搜索模块308用于搜索能量序列PDP_u的CS_-1检测窗口能量的最大值，并将所述最大值输出至第二判断模块309。第二判断模块309用于判断检测窗口能量的最大值是否大于ThreL×N_u，并将判断结果通知检测和定时模块312；

第三搜索模块310用于搜索能量序列PDP_u的CS₊₁检测窗口能量的最大值，并将所述最大值输出至第三判断模块311。第三判断模块311用于判断检测窗口能量的最大值是否大于ThreR×N_u，并将判断结果通知检测和定时模块312；

检测和定时模块312若收到来自第一判断模块307、第二判断模块309或第三判断模块311中任一模块的检测结果为是，则输出检测出ZC序列并定时；若收到所述三个模块中的判断结果均为否，则输出未检出ZC序列。

在经过相关序列能量合并模块304相关序列能量合并后，噪声估计模块305进行该ZC序列的噪声估计。针对LTE的PRACH信道，本发明实施例提出噪声估计模块305的一种实现方式，包括如下单元：

总能量计算单元，用于计算接收信号和某一个根的本地ZC序列（序列长度N_ZC≈T_ZC/T_S）的相关输出的总能量；若本地序列能量归一化，则该能量和相关之前接收序列的能量相等，因而也可以计算相关之前的接收序列的能量和；

最大值单元，用于在每个随机接入检测窗口中，计算信道扩展时间T_DS检测窗口（检测窗口长度N_DS≈T_DS/T_S）中的能量和的最大值；记所有的竞争模式的随机接入检测窗口中，计算出m个最大值；所有非竞争模式检测窗口中，计算出n个最大值；

剩余能量与序列点数计算单元，用于计算除去能量和的最大值后的剩余能量以及相应的序列点数；若该根序列上存在竞争模式下的最大值集合中的某m个以及非竞争模式检测窗口n个，则在总能量中减去相应的m+n个T_DS窗的能量和；相应的序列点数为N_ZC减去m+n个N_DS；

输出单元，用于将剩余的总能量除以相应的剩余序列点数得到该序列的噪声功率估计并输出。

本发明实施例还提出一种检测门限的设定方法，包括如下步骤：

A.设定系统总体虚警概率要求为P_FA。

B.设定CS检测窗口、CS-1检测窗口和CS+1检测窗口对应的虚警概率为αP_FA,βP_FA,γP_FA，其中0≤α,β，γ≤1且α+β+γ=1。例如，在已知通信场景中，相关能量最大峰值处于CS、CS_-1或CS₊₁检测窗口的概率为P_CS,P_CS-1，P_CS+1，P_CS+P_CS-1+P_CS+1=1，则可以设定CS、CS_-1和CS₊₁检测窗口对应的虚警概率分别为P_CS,P_FA,P_CS-1,P_FA,P_CS+1P_FA。或者例如，简单设定α=β=γ=P_FA/3。

C.让应用场景中相应的噪声或高斯白噪声通过接收机，统计CS检测窗口、CS_-1检测窗口和CS₊₁检测窗口的能量最大值和/或噪声功率估计的值，搜索阈值因子ThreM、ThreL和ThreR，使得能量最大值和/或噪声功率估计的值大于阈值因子的概率小于或等于设定的虚警概率，从而按照设定的虚警概率确定了阈值因子ThreM、ThreL和ThreR；或者参照附录中的分析方法得到阈值因子。

D.由检测门限因子和噪声功率估计的乘积，得到CS、CS_-1和CS₊₁检测窗口相应的检测门限。

图3中第一搜索模块306、第二搜索模块308和第三搜索模块310使用能量最大值进行门限判决，但该实施例方案也可以推广到基于多点能量加权和进行门限判决。即在相关序列能量合并模块304之后，且第一搜索模块306、第二搜索模块308和第三搜索模块310之前，增加一个加权和模块：所述加权和模块的输入为

序列，输出为上述序列的加权和 ${\mathrm{PDF}}_k^{\mathrm{fitler}}=\underset{j=0}{\overset{N_{\mathrm{DS}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_j{\mathrm{PDP}}_{\mathrm{mod}(k-\frac{N_{\mathrm{DS}}-1}{2}+j,\mathrm{Nzc})},$ 其中，权重因子 ${\mathrm{\ω}}_j=\frac{1}{N_{\mathrm{DS}}},j=\mathrm{0,1},\·\·\·N_{\mathrm{DS}},$ 或者将ω设定为相应应用场景下的信道时延统计概率函数（Profile of Delay Probability）。

本发明实施例二提出的支持高速模式的ZC序列检测和定时方案首先进行CS检测窗口的能量检测，对于频偏较小的信号，主要能量落入CS检测窗口。若CS检测窗口未检测出，则进行CS、CS_-1和CS₊₁能量合并检测窗口进行检测。当通过门限检测则进行定时；否则两次都没有通过门限检测，则未检出。当然，CS检测窗口判决和CS、CS_-1，CS₊₁合并检测窗口判决的次序可交换。

本发明实施例二提出的支持高速模式的ZC序列检测和定时装置框图如图4所示，其中模块401至404与图2中的模块201至204功能相同，另外还包括噪声估计模块405，CS检测窗口搜索模块406、第四判断模块407、能量合并及搜索模块408、第五判断模块409以及检测和定时模块410。

相关序列能量合并模块404，用于将和本地序列相关器输出的相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到并输出合并的相关能量序列

噪声估计模块405，用于计算所述合并的相关能量序列的噪声功率估计N_u；

CS检测窗口搜索模块406，用于在合并的相关能量序列中搜索CS检测窗口的能量最大值，并将搜索到的能量最大值输出至第四判断模块407；

第四判断模块407，用于判断来自第一搜索模块的能量最大值是否大于预先设置的检测窗口CS的阈值因子ThreM与噪声功率估计N_u的乘积，并将判断结果输出至检测和定时模块410；

能量合并及搜索模块408，用于将检测窗口CS、CS_-1和CS₊₁合并，搜索合并检测窗口的能量最大值，并将搜索到的能量最大值输出至第五判断模块409；

第五判断模块409，用于判断来自能量合并及搜索模块408的能量最大值是否大于预先设置的合并检测窗口的阈值因子Thre3与噪声功率估计N_u的乘积，并将判断结果输出至检测和定时模块410；

检测和定时模块410，用于在来自第四判断模块407和第五判断模块409的判断结果中任一判断结果为是，则检出ZC序列并对ZC序列进行定时；若所述两个判断结果均为否，则未检出ZC序列。

本发明实施例二相应的检测门限的设定方法如下：

A.设定系统总体虚警概率要求为P_FA。

B设定CS检测窗口虚警概率为αP_FA，CS、CS_-1和CS₊₁能量合并检测窗口对应的虚警概率为(1-α)P_FA，其中0≤α≤1。例如，在已知通信场景中，相关能量峰值最大值分别处于CS检测窗口和非CS检测窗口的概率为P_CS,1-P_CS，则CS检测窗口检测虚警概率和CS、CS_-1和CS₊₁合并检测窗口的检测虚警概率分别为P_CSP_FA,(1-P_CS)P_FA。或者例如，设定

C.让应用场景中相应的噪声或高斯白噪声通过接收机，统计CS检测窗口和CS、CS-1检测窗口、CS+1合并检测窗口的能量最大值和/或噪声功率估计的值，搜索阈值因子ThreM和Thre3，使得能量最大值和/或噪声功率估计的值大于阈值因子的概率小于或等于设定的虚警概率，从而按照设定的虚警概率确定阈值因子ThreM和Thre3；或者参照附录中的分析方法得到阈值因子。

D.由阈值因子和噪声功率估计的乘积，得到CS检测窗口和CS、CS_-1和CS₊₁合并检测窗口的检测门限

同样的，图4中使用能量最大值进行门限判决（CS检测窗口搜索模块406和能量合并及搜索模块408），但该方案也可以推广到基于多点能量加权和进行门限判决。即在相关序列能量合并模块404之后，能量序列数据输入CS检测窗口搜索模块406及能量合并及搜索模块408之前，增加一个加权和模块。设加权和模块的输入为

则模块输出为 ${\mathrm{PDF}}_k^{\mathrm{fitler}}=\underset{j=0}{\overset{N_{\mathrm{DS}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_j{\mathrm{PDP}}_{\mathrm{mod}(k-\frac{N_{\mathrm{DS}}-1}{2}+j,\mathrm{Nzc})},$ 其中， ${\mathrm{\ω}}_j=\frac{1}{N_{\mathrm{DS}}},j=\mathrm{0,1},\·\·\·N_{\mathrm{DS}},$ 或者将ω设定为信道时延统计概率函数（Profile of Delay Probability）。

虚警概率与阈值因子的关系简单分析如下：

在实际应用中，可采用仿真统计的方法来确定定义阈值因子，但也可以从理论上对简单情况进行推导。下面仅举出一例，供参考。

为方便记，此处定义ZC序列的时域形式为：

（即令

），处理中均采用和该处一致的采样率。计算阈值因子时，接收机接收端收到复数高斯噪声，实部和虚部的噪声功率均为1。设定天线数为P，天线之间的噪声不相关，且不考虑ZC序列重复情况。则接收噪声和ZC序列的相关输出能量序列PDP_u服从自由度为2×P的开方分布χ²(2×P)。

为简单记，噪声估计为理想估计且实部和虚部噪声已经归一化，本发明的两种方案中虚警概率平均分配，采用简单的最大值门限判决。

设定每个检测窗（CS，或CS_-1，或CS₊₁）长度为N_CS，虚警概率要求为P_FA。则门限因子为Thre，使得分布χ²(2×P)在Thre点处的分布函数 $\mathrm{CDF}(\mathrm{Thre},2\×P)={(1-P_{\mathrm{FA}})}^{\frac{1}{N_{\mathrm{CS}}}}.$

三检测窗口能量合并时，则门限因子为Thre3，使得分布χ²(2×P×3)在Thre3点处的分布函数 $\mathrm{CDF}(\mathrm{Thre}3,2\×P\×3)={(1-P_{\mathrm{FA}})}^{\frac{1}{N_{\mathrm{CS}}}}.$

对于参考方案，

对于本发明实施例一的方案，则 $\mathrm{ThreM}=\mathrm{ThreL}=\mathrm{ThreR}={\mathrm{CDF}}^{-1}({(1-P_{\mathrm{FA}}/3)}^{\frac{1}{N_{\mathrm{CS}}}},2\×P);$ 对于本发明的实施例二的方案，则 $\mathrm{ThreM}={\mathrm{CDF}}^{-1}({(1-P_{\mathrm{FA}}/2)}^{\frac{1}{N_{\mathrm{CS}}}},2\×P),$ $\mathrm{Thre}3={\mathrm{CDF}}^{-1}({(1-P_{\mathrm{FA}}/2)}^{\frac{1}{N_{\mathrm{CS}}}},2\×P\×3).$

在噪声功率估计为理想估计、重复合并采用能量合并方案、天线间噪声不相关的情况下，假定

且设定N_CS=15，则不同天线数与ZC序列重复次数之积时，各方案的阈值因子如表1所示：

注：当虚警概率P_FA很小时，

（本发明实施例中提到关于P_FA分配方式之处，直接使用了该约等式）

本发明实施例提供两种ZC序列的检测和定时方法，一种是对CS、CS_-1，CS₊₁三个窗分别检测和定时方案；另一种是分别对CS检测窗口和CS、CS_-1，CS₊₁能量合并检测窗口检测和定时方案。本发明实施例还进一步提出了按照应用场景中接收信号相关能量序列在CS、CS_-1，CS₊₁三检测窗口的能量统计分布情况，分配相应的虚警概率的方案；或者简单的平分虚警概率的方案；以及按照信道的时间扩展特性，对相关序列能量合并模块合并的相关能量序列进行类似匹配滤波的方案；在信道时间扩展统计特性未知但最大延时T_DS确定的情况下，采用T_DS长度的矩形窗方案；本发明实施例还ZC序列的检测和定时方案中的噪声功率估计加以改进。

本发明实施例提出的技术方案不仅对相对高速移动的收发两端提供了有效的检测性能，同时对相对移动速度较低或静止的收发两端的ZC检测和定时具有很好的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (14)

1.一种高速模式的ZC序列检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

将接收到的ZC序列信号和本地ZC序列相关，将相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到合并的相关能量序列；

计算该合并的相关能量序列的噪声功率估计N_u；

设定三个检测窗口CS、CS_-1和CS₊₁各自的阈值因子ThreL、ThreM和ThreR；

用于在合并的相关能量序列中搜索CS检测窗口的能量最大值，并判断其是否大于ThreM与N_u的乘积；搜索CS_-1检测窗口的能量最大值，并判断其是否大于ThreL与N_u的乘积；以及搜索CS₊₁检测窗口的能量最大值，并判断其是否大于ThreR与N_u的乘积；

所述三个判断中任一判断结果为是，则检出ZC序列并对ZC序列进行定时；若三个判断的判断结果均为否，则未检出ZC序列。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算该相关能量序列的噪声功率估计N_u包括如下步骤：

计算接收的ZC序列信号和某一个根的本地ZC序列的相关输出的总能量；

在每个随机接入检测窗口中，计算信道扩展时间T_DS检测窗口中的能量和的最大值；

计算总能量除去能量和的最大值后的剩余能量以及相应的剩余序列点数；

剩余的总能量除以相应的剩余序列点数得到该序列的噪声功率估计并输出。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定三个检测窗口CS、CS_-1和CS₊₁各自的阈值因子ThreL、ThreM和ThreR包括：

设定系统总体虚警概率要求为P_FA；

设定CS检测窗口、CS_-1检测窗口和CS₊₁检测窗口对应的虚警概率为αP_FA,βP_FA,γP_FA，其中0≤α,β,γ≤1且α+β+γ＝1；

让应用场景中相应的噪声或高斯白噪声通过接收机，统计CS检测窗口、CS_-1检测窗口和CS₊₁检测窗口的能量最大值和/或噪声功率估计的值，搜索阈值因子ThreM、ThreL和ThreR，使得能量最大值和/或噪声功率估计的值大于阈值因子的概率小于或等于设定的虚警概率，从而按照设定的虚警概率确定了阈值因子ThreM、ThreL和ThreR。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，α＝β＝γ＝1/3。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，

所述将相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到合并的相关能量序列之后，进一步包括：

计算各个相关能量序列的加权和；其中，权重因子

N_DS为检测窗口的检测窗口长度，或者权重因子为相应应用场景下的信道时延统计概率函数。

6.一种高速模式的ZC序列检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

将接收到的ZC序列信号和本地ZC序列相关，将相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到合并的相关能量序列；

计算该相关能量序列的噪声功率估计N_u；

设定三个检测窗口CS、CS_-1和CS₊₁合并的阈值因子Thre3以及检测窗口CS的阈值因子ThreM；

搜索CS检测窗口的能量最大值，并判断其是否大于ThreM与N_u的乘积；以及将CS_-1检测窗口、CS检测窗口和CS₊₁检测窗口的能量合并，搜索合并后的能量最大值，并判断其是否大于Thre3与N_u的乘积；

所述两个判断中任一判断结果为是，则检出ZC序列并对ZC序列进行定时；若两个判断的判断结果均为否，则未检出ZC序列。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述设定三个检测窗口CS、CS_-1和CS₊₁合并的阈值因子Thre3以及检测窗口CS的阈值因子ThreM包括：

设定系统总体虚警概率要求为P_FA；

设定CS检测窗口虚警概率为αP_FA，CS、CS-1和CS+1能量合并检测窗口对应的虚警概率为(1-α)P_FA，其中0≤α≤1；

让应用场景中相应的噪声或高斯白噪声通过接收机，统计CS检测窗口和CS、CS-1检测窗口、CS+1合并检测窗口的能量最大值和/或噪声功率估计的值，搜索阈值因子ThreM和Thre3，使得能量最大值和/或噪声功率估计的值大于阈值因子的概率小于或等于设定的虚警概率，从而按照设定的虚警概率确定阈值因子ThreM和Thre3。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到合并的相关能量序列之后，进一步包括：

计算各个相关能量序列的加权和；其中，权重因子N_DS为检测窗口的检测窗口长度，或者权重因子为相应应用场景下的信道时延统计概率函数。

10.一种高速模式的ZC序列检测装置，其特征在于，包括：

和本地序列相关器，用于将接收到的ZC序列信号和本地ZC序列相关，并输出相关后的ZC序列；

相关序列能量合并模块，用于将和本地序列相关器输出的相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到并输出合并的相关能量序列；

噪声估计模块，用于计算所述合并的相关能量序列的噪声功率估计N_u；

第一搜索模块，用于在合并的相关能量序列中搜索CS检测窗口的能量最大值，并将搜索到的能量最大值输出至第一判断模块；

第一判断模块，用于判断来自第一搜索模块的能量最大值是否大于预先设置的检测窗口CS的阈值因子ThreM与噪声功率估计N_u的乘积，并将判断结果输出至检测和定时模块；

第二搜索模块，用于在合并的相关能量序列中搜索CS_-1检测窗口的能量最大值，并将搜索到的能量最大值输出至第二判断模块；

第二判断模块，用于判断来自第二搜索模块的能量最大值是否大于预先设置的检测窗口CS_-1的阈值因子ThreL与噪声功率估计N_u的乘积，并将判断结果输出至检测和定时模块；

第三搜索模块，用于在合并的相关能量序列中搜索CS₊₁检测窗口的能量最大值，并将搜索到的能量最大值输出至第三判断模块；

第三判断模块，用于判断来自第三搜索模块的能量最大值是否大于预先设置的检测窗口CS₊₁的阈值因子ThreR与噪声功率估计N_u的乘积，并将判断结果输出至检测和定时模块；

检测和定时模块，用于在来自第一判断模块、第二判断模块和第三判断模块的判断结果中任一判断结果为是，则检出ZC序列并对ZC序列进行定时；若所述三个判断结果均为否，则未检出ZC序列。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述噪声估计模块包括：

总能量计算单元，用于计算接收的ZC序列信号和某一个根的本地ZC序列的相关输出的总能量；

最大值单元，用于在每个随机接入检测窗口中，计算信道扩展时间T_DS检测窗口中的能量和的最大值；

剩余能量与序列点数计算单元，用于计算总能量除去能量和的最大值后的剩余能量以及相应的剩余序列点数；

输出单元，用于将剩余的总能量除以相应的剩余序列点数得到该序列的噪声功率估计并输出。

12.根据权利要求10或11任一项所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：加权和模块，用于计算所述相关序列能量合并模块输出的各个相关能量序列的加权和，并将所得加权和输出至第一搜索模块、第二搜索模块和第三搜索模块；其中，权重因子

N_DS为检测窗口的检测窗口长度，或者权重因子为相应应用场景下的信道时延统计概率函数。

13.一种高速模式的ZC序列检测装置，其特征在于，包括：

和本地序列相关器，用于将接收到的ZC序列信号和本地ZC序列相关，并输出相关后的ZC序列；

相关序列能量合并模块，用于将和本地序列相关器输出的相关后的ZC序列进行多天线和重复能量合并，得到并输出合并的相关能量序列；

噪声估计模块，用于计算所述合并的相关能量序列的噪声功率估计N_u；

CS检测窗口搜索模块，用于在合并的相关能量序列中搜索CS检测窗口的能量最大值，并将搜索到的能量最大值输出至第四判断模块；

第四判断模块，用于判断来自第一搜索模块的能量最大值是否大于预先设置的检测窗口CS的阈值因子ThreM与噪声功率估计N_u的乘积，并将判断结果输出至检测和定时模块；

能量合并及搜索模块，用于将检测窗口CS、CS_-1和CS₊₁合并，搜索合并检测窗口的能量最大值，并将搜索到的能量最大值输出至第五判断模块

第五判断模块，用于判断来自能量合并及搜索模块的能量最大值是否大于预先设置的合并检测窗口的阈值因子Thre3与噪声功率估计N_u的乘积，并将判断结果输出至检测和定时模块；

检测和定时模块，用于在来自第四判断模块和第五判断模块的判断结果中任一判断结果为是，则检出ZC序列并对ZC序列进行定时；若所述两个判断结果均为否，则未检出ZC序列。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，装置进一步包括：加权和模块，用于计算所述相关序列能量合并模块输出的各个相关能量序列的加权和，并将所得加权和输出至CS检测窗口搜索模块和能量合并及搜索模块；其中，权重因子

N_DS为检测窗口的检测窗口长度，或者权重因子为相应应用场景下的信道时延统计概率函数。

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