CN114521028A - 一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法 - Google Patents

一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法，属于地空通信等覆盖范围广的技术领域。包括以下步骤：1.根据覆盖半径求出随机接入前导帧结构中循环前缀长度、序列长度以及保护间隔长度。2.根据随机接入前导序列设计与格式设计，单个序列长前导序列不利于在高速运动的场景，后得到基于5G前导格式的短序列级联长前导形式。3.利用短序列的根序列索引与循环移位的不同情况下，设计了与小区覆盖半径无关的循环移位间隔，对比分析得到在不同的载波频率偏移、信噪比及用户数条件下，相同根不同移位间隔级联的长前导形式一次接入成功概率更好，随机接入检测性能更好。本发明适用于空对地场景、沙漠等卫星覆盖范围较广的场景。

Description

一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法
技术领域
本发明属于空对地通信、沙漠海洋甚至卫星等覆盖半径较大的场景，具体设计到超广覆盖随机接入级联长前导序列研究。
背景技术
民航空地宽带通信***为旅客和机组提供宽带服务。空地宽带***主要分为两类，一类是基于卫星的宽带接入，另一类是基于地面基站的宽带接入。基于卫星的宽带接入具有覆盖范围广、通信频带宽及通信容量大等优点，应用范围及广，适合国际航班。基于地面基站的宽带接入沿着航线规划基站，在陆上航线同等覆盖面积下，相比于卫星宽带接入，空对地(Air To Ground,ATG)通信***带宽更大，成本更低，适合国内航班。
将5G技术应用到ATG***中，相当于把地面上的基站搬移天上覆盖终端(飞机上的用户)，能够使飞机上的用户可以像在地面一样高流量使用。但是该场景设计存在很多问题需要解决，如时间提前量估计补偿、多普勒频移消除等。机上用户通信属于上行通信，首先进行的是随机接入，随机接入技术是基于5GATG宽带接入***的重点研究之一。
基于5G的ATG研究国内正处于研究阶段，其中***、中国电信及中兴通讯在ATG研究要求覆盖半径均为300km，移动速度高达1200km/h，目前关于在此覆盖半径要求，只是提及深度修改PRACH帧，并没有给出具体做法。影响接入半径的主要因素是循环前缀、保护时间。其中CP的作用是保证发送的子帧信号可以避免由通信距离不同产生的ISI(Inter-Symbol Interference,符号间干扰)，在正确的接收窗口内能够完整接收信号。TCP应该大于小区的最大往返时延TRTD和时延扩展τds的和，如式(1)。GT的作用是避免相邻子帧之间的干扰，TGT应该等于TRTD，如式(2)。序列持续时间反映了序列覆盖性能，增大序列持续时间将会取得更大的覆盖范围，因此，TSEQ的取值需要大于CP的持续时间，TSEQ的取值限制来在上行单载波频分多址(Single Carrier Frequency Division Multiple Access，SC-FDMA)的信号生成原则。为了保证PRACH与PUSCH之间的子载波正交性，避免产生载波间干扰(Inter-Carrier Interference，ICI)，序列持续时间必须为上行数据符号持续时间的整数倍。同时序列长度最好是5G地面场景小区序列长度(0.8ms)的整数倍，有利于复用5G地面前导序列，降低检测复杂度且节约设计成本。
现有的随机接入前导用的5G前导格式，在5G***中，NZC的取值有839和139两种，根据ZC序列长度的不同，NZC应用的FR(Frequency Range，频率范围)也不同。当前我国研究的5G ATG业务链路通信频率是Sub 6G频段，5G ATG研究常用3.5GHz，此频段范围下NZC＝839。当NZC为839时，5G标准规定了4种长前导格式，如表1所示。
不同的前导格式覆盖半径不同，可以满足陆地地区不同覆盖要求，与格式0相比，格式1中CP和GT持续时间最长，支持的小区半径最大；格式2级联4个SEQ序列，子载波间隔不变，在低信噪比环境下可有良好的接收，适合通信质量差，损耗大的地区；格式3与其他三种最大的不同是SEQ采用的是4个0.2ms的短序列，子载波间隔为5kHz，能够抵抗较大的载波频率偏移，适合高速场景。以上分析能够看出CP和GT持续时间长，支持的小区半径大；序列级联个数多，适合低信噪比环境下接收；子载波间隔大，抵抗较大的载波频率偏移，适合高速场景。ATG场景覆盖半径大，移动速度高，需要依据5G前导设计原则选择适用于ATG场景的前导。
本文讨论5G ATG覆盖范围更广，传输时延较大，多普勒频移较大，所以，综上所述随机接入前导需要重新设计，随机接入前导设计包括前导格式设计和前导序列设计。
经过检索，最接近的现有技术中，一种大面积覆盖下的随机接入方法(公开号：CN113747472A)。该发明用在卫星场景的广覆盖，使用的依旧是5G随机接入前导序列结构，根据往返时延差分区域设置多个检测窗口获得峰值，与本发明的修改随机接入前导序列结构的循环前缀、序列长度存在差异，本发明的优点在于后续通过差分共轭检测算法可以在一个检测窗口中获得峰值。本发明优点在于在给定覆盖半径下，能够选择合适的级联长前导序列，可以提前抑制载波频率偏移的影响。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法。本发明的技术方案如下：
一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法，(用于项目需求中空对地通信***随机接入)，其包括以下步骤：
根据空对地ATG覆盖半径求出随机接入前导帧结构中循环前缀长度、序列长度以及保护间隔长度；
再根据长前导序列长度与子载波间隔反比关系，序列长度长，子载波间隔短，支持的载波频率偏移小，不适用于载波偏移较大的空对地通信***。(空对地通信***多普勒频移较大，空对地***中的载波频率偏移是由多普勒频移引起的，最大能够容忍子载波间隔一半的载波频率偏移。)
为了满足空对地通信场景下的序列持续时间要求，可以利用多个鲁棒于载波频率偏移的短序列，采用时域级联的方式来构建长前导序列结构，如图3所示。其中，长序列持续时间表示为TLS，由最大往返时延和覆盖性能确定；短序列持续时间为TSEQ，由PRACH子载波间隔决定。
利用短序列的根序列索引与循环移位的不同情况下，设计了与小区覆盖半径无关的循环移位间隔。随机接入长前导序列作为本地序列，与经过航空信道后的接收信号序列，本地序列与接收序列进行相关变换后PDP(Power Delay Profile，功率时延谱)，根据得到的PDP峰值位置能够确定TA(Time Advance,时间提前量)，随机接入的目的就是获得初始TA值。
进一步的，所述根据空对地ATG覆盖半径求出随机接入前导帧结构中循环前缀长度TCP、序列长度TSEQ以及保护间隔长度TGT，具体公式为：
TCP≥TRTD+τds (1)
TGT＝TRTD (2)
TSEQ≥TCP (3)
其中TRTD表示覆盖范围内终端发送端与基站接收端之间往返时延，τds表示时延扩展。
当空对地ATG覆盖半径要求为300km条件下，根据循环前缀CP长度、序列SEQ长度及保护时间GT长度公式计算出各自时长分别为2ms、2.4ms及2ms。
进一步的，所述级联的长前导序列的设计看作短前导序列的设计；结合5G地面前导进行适用于ATG场景的前导设计，选择Zadoff-Chu(5G***使用的随机接入前导，简称ZC序列)短前导序列级联的长前导设计；根据覆盖半径仍为300km条件，能够通过公式(4)计算得出长前导序列长度，并根据公式(5)计算得出级联段数为3，其中，k为整数，TRTD表示覆盖范围内终端发送端与基站接收端之间往返时延，如公式(6)所示。TSEQ表示5G***中前导格式1中序列长度，如公式(7)所示。其中TLS表示长前导序列长度，TSYS表示上行符号持续时间。
TLS＝kTSEQ (4)
TSEQ＝kTSYS (5)
TRTD＝6.67us/km (6)
TSEQ＝0.8ms (7)
进一步的，所述级联的短前导序列如式(9)所示，式(8)表示ZC短序列的生成公式，由步骤3计算得知在空对地覆盖半径为300km条件下，计算得出3段级联，那么级联长前导序列如式(10)所示。根据根序列索引u和循环移位NCS构造短序列，从接入复杂度与检测性能两个方面选择较好的一个级联随机接入前导作为ATG场景随机接入前导，具体包括：
5G***的随机接入前导序列依旧是ZC序列，ZC短序列的生成公式如式8所示。
Figure BDA0003478177200000051
其中，u表示物理根序列索引值，NZC是序列长度，长度为839，n表示样点数。
根据该根序列号，ZC序列循环移位后生成前导序列，如式(9)表示。
xu,v＝xu((n+NCS)mod NZC) (9)
其中，NCS表示循环移位。
Figure BDA0003478177200000052
根据根序列索引u和循环移位v构造短序列包括下面三种方案：1)不同的根，循环移位任意；2)相同的根相同的循环移位；3)相同的根不同的循环移位，即级联的循环移位间隔是相同的。
进一步的，所述3)相同的根不同的循环移位，具体包括：
5G地面前导设计中循环移位间隔主要是与小区覆盖半径与时延扩展相关，小区覆盖半径越大，边缘用户往返时延越大，此种情况下，需要的循环移位间隔，进而就会需要更多的根序列提供64个接入前导序列；根序列多，相关次数大，计算复杂度高检测性能差；为了显著降低根序列数目，寻找一种与覆盖半径无关的循环移位间隔设计；
定义第l个长序列的第k个短序列的循环移位是
Figure BDA0003478177200000053
k是正整数，l表示可用的前导序列个数，l＝1,2....L,L＝64；由于循环移位值必须小于序列长度，因此NCS需要满足
Figure BDA0003478177200000061
另外，为了区分同一根序列产生的不同长序列序列产生的不同长序列，
Figure BDA0003478177200000062
需为质数﹐且任意
Figure BDA0003478177200000063
和
Figure BDA0003478177200000064
的最小公倍数应大于NZC，其中1≤l1，l2≤L；该方法设计的NCS与小区半径往返时延没有关系，不再是传统意义上面的“零相关区域”，满足设计要求的NCS集合较大，用一个或者少数个根序列就可以产生所有的可用前导数目。
进一步的，还包括将根序列索引u和循环移位v构造短序列三种级联方案进行复杂度计算与检测性能对比的步骤，具体为：
复杂度对比项是PDP计算量，检测性能对比项是在不同的信噪比、用户数及载波频率偏移条件下的一次成功接入概率，最终选择复杂度低和接入成功概率比较优良的前导作为ATG场景的随机接入前导；
PDP计算公式如式(9)所示，计算复杂度与相关运算次数和运算长度有关，发送的ZC序列越长，相关长度越大；根序列数目越多，相关运算次数越大；
将本地序列和接收序列进行时域相关运算，每一个根序列获得的功率时延谱PDP如式(9)，
Figure BDA0003478177200000065
其中y(n)，x(n)表示长度为NZC的接收序列和根序列；对于每一个d，时域相关运算需要NZC次复数乘法和NZC-1次复数加法；
根据选择的优良前导进行虚警仿真确定检测门限阈值，然后在不同信噪比下检测概率是否满足5G要求。
进一步的，所述1)不同的根，循环移位任意；2)相同的根相同的循环移位；
假如波束范围内可用的前导序列的个数为L，LTE***及5G***中L＝64，每个长前导序列由3个根序列，为了保证前导序列的唯一性与正确检测，不同的根，循环移位任意的级联长前导序列方案总共需要3L个根序列支持ATG用户中的多用户接入。接收端检测过程中，用户的唯一标识可以用式通过短ZC序列的检测确定，由此可以将长序列检测问题转变为短ZC序列检测，所以该序列检测需3L次PDP运算。不同根序列的循环移位ZC序列不正交，过多的使用根序列增加非正交性引入多用户干扰。单一根序列的循环移位产生的正交序列与非正交序列相比，具有更好的检测性能。所以从检测复杂度与检测性能看，下面使用单一的根序列级联的长前导序列更好。
相同的根相同的循环移位的级联长前导序列方案总共需要L个根序列支持ATG用户中的多用户接入。该序列检测需L次PDP运算。该前导序列的循环移位相同，所以每一个检测窗口中都有峰值，并且峰值的位置对应的是小数倍TA，整数TA无法获得。Li等人提出在完成小数倍TA估计和补偿之后，UE重新发送新前导来确定整数倍TA。ATG有较大传播时延，降低了用户接入效率。
如表2所示，相同的根不同的循环移位构成的级联前导序列所使用的根序列数目最少。表3表4所示，运算复杂度最低的仍是相同的根不同的循环移位构成的级联前导序列。综上所述，相比其他两种，选择相同的根不同的循环移位构成的级联前导序列检测复杂度较低，检测性能较好。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明提出了一种ATG超广覆盖随机接入级联长前导序列设计与研究。现有的是基于5G的地面研究，对于广覆盖的研究甚少，这些方法一是能够给覆盖半径较大的场景提供一种解决方法，可以通过增加循环前缀、序列长度及保护间隔的长度，即牺牲带宽换取较大的覆盖半径。二是能够给载波频率偏移较大的场景提供另外一种解决思路，短序列采取的子载波间隔是1.25kHz，能够提前抑制载波频率偏移。
所以，本发明一种ATG超广覆盖随机接入级联长前导序列设计与研究成为解决这些难题的有效方法。具体表现：本发明在覆盖半径较大的环境下，发明一种超广覆盖随机接入级联长前导序列，它能够根据覆盖半径要求，计算出循环前缀、序列长度及保护间隔长度后。在载波频率偏移较大的环境下，单个长前导序列转变为短前导序列级联的形式，能够提前抑制载波频率偏移影响。比如ATG场景下，选择的是相同根不同循环移位，由于循环移位与小区覆盖半径相关，ATG场景覆盖范围较大，循环移位大，需要的根序列多，检测性能与计算复杂度高。提出一种与覆盖半径无关的循环移位间隔设计，能够使用较少的根序列获得随机接入前导。
本发明的创新步骤主要是根据空对地覆盖半径要求下一段长前导序列的子载波间隔较小无法满足空对地载波频移较大要求，如前3个步骤。而后考虑到5G子载波间隔兼容性，设计级联的长前导形式，根据根序列索引与循环移位的不同，考虑三种级联形式，如步骤4。最不容易想到的相同的根不同的循环移位构造，覆盖半径较大，循环移位与半径相关，如何让循环移位独立于覆盖半径是最大的创新点，即步骤5中循环移位值必须小于序列长度，及同一根序列产生的不同长序列序列产生的不同长序列，二者循环移位的最小公倍数应大于NZC。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例ATG基站覆盖半径；
图2单序列长前导格式；
图3短序列级联的长前导格式；
图4频偏递增影响的归一化PDP谱；
图5不同根循环移位任意的前导发送流程图；
图6同根同循环移位的前导发送流程图；
图7同根不同循环移位的前导发送流程图；
图8不同CFO下的一次成功接入概率；
图9不同接入用户数下的一次成功接入概率；
图10不同接收信噪比下的一次成功接入概率；
图11不同接入用户下虚警概率与门限的关系图；
图12不同信噪比下检测概率与信噪比的关系图；
图13一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列摘要附图
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明的目的是提供一种ATG超广覆盖随机接入级联长前导序列设计与研究，用于ATG等广覆盖场景。以ATG覆盖半径为300km为例，计算得出循环前缀、序列及保护时间长度，一种是单序列长前导另一种是级联短序列的长前导，由于序列长度与子载波间隔成反比的关系，子载波间隔越短，对于载波频率偏移越敏感。提出级联短序列的长前导技术方案。
一种ATG超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法，其包括以下步骤：
1、根据陆地随机接入前导帧中循环移位长度、序列长度及保护间隔长度公式，能够根据不同的覆盖半径要求求出三者的长度。根据序列长度与子载波间隔导数关系，根据设定场景要求(空对地，飞行速度高，载波频率偏移大)否决单一长序列形式。在对载波频率偏移较大的场景中依照5G陆地随机接入前导格式1格式设计，构造级联的长前导格式。
2、进一步的，在ATG场景覆盖半径要求，依据循环前缀长度、序列长度及保护时间长度公式能够计算出各自时长，得到级联的段数。具体包括：
步骤2-1.根据陆地随机接入前导帧中循环移位长度、序列长度及保护间隔长度公式，能够根不同的覆盖半径要求求出三者的长度。
步骤2-2.根据序列长度与子载波间隔导数关系，根据设定场景要求(空对地，飞行速度高，载波频率偏移大)否决单一长序列形式。在对覆盖半径及载波频率偏移较大的场景中依照陆地前导格式1格式设计，构造级联的长前导格式。假设空对地(Air to Ground,ATG)覆盖半径要求为300km条件下，根据循环前缀(Cyclic Prefix，CP)长度、序列SEQ长度及保护时间(Guard Time,GT)长度公式能够计算出各自时长分别为2ms、2.4ms及2ms。
TCP≥TRTD+τds (6)
TGT＝TRTD (7)
TSEQ≥TCP (8)
1、根据步骤2能看出单序列的长前导序列的设计不适用与载波频率大的ATG场景，结合5G地面前导进行适用于ATG场景的前导设计，选择Zadoff-Chu(5G***使用的随机接入前导，简称ZC序列)短前导序列级联的长前导设计；根据覆盖半径仍为300km条件，能够通过公式(4)计算得出长前导序列长度，并根据公式(5)计算得出级联段数为3，其中，k为整数，TRTD表示覆盖范围内终端发送端与基站接收端之间往返时延，如公式(6)所示。TSEQ表示5G***中前导格式1中序列长度，如公式(7)所示。其中TLS表示长前导序列长度，TSYS表示上行符号持续时间。短序列级联的长前导格式如图3所示。
TLS＝kTSEQ (9)
TSEQ＝kTSYS (10)
TRTD＝6.67us/km (6)
TSEQ＝0.8ms (7)
进一步的，所述级联的短前导序列如式(9)所示，式(8)表示ZC短序列的生成公式，由步骤3计算得知在空对地覆盖半径为300km条件下，计算得出3段级联，那么级联长前导序列如式(10)所示。根据根序列索引u和循环移位NCS构造短序列，从接入复杂度与检测性能两个方面选择较好的一个级联随机接入前导作为ATG场景随机接入前导，具体包括：
5G***的随机接入前导序列依旧是ZC序列，ZC短序列的生成公式如式8所示。
Figure BDA0003478177200000111
其中，u表示物理根序列索引值，NZC是序列长度，长度为839，n表示样点数。
根据该根序列号，ZC序列循环移位后生成前导序列，如式(9)表示。
xu,v＝xu((n+NCS)mod NZC) (9)
其中，NCS表示循环移位。
Figure BDA0003478177200000112
根据根序列索引u和循环移位v构造短序列包括下面三种方案：1)不同的根，循环移位任意；2)相同的根相同的循环移位；3)相同的根不同的循环移位，即级联的循环移位间隔是相同的。
步骤3-2.关于相同的根不同的循环移位中循环移位间隔介绍：5G地面前导设计中循环移位间隔主要是与小区覆盖半径与时延扩展相关，小区覆盖半径越大，边缘用户往返时延越大，此种情况下，需要的循环移位间隔，进而就会需要更多的根序列提供64个接入前导序列。根序列多，相关次数大，计算复杂度高检测性能差。为了显著降低根序列数目，寻找一种与覆盖半径无关的循环移位间隔设计。
不失一般性，定义第l个长序列的第k个短序列的循环移位是
Figure BDA0003478177200000113
k是正整数，l表示可用的前导序列个数，l＝1,2....L,L＝64。由于循环移位值必须小于序列长度，因此NCS需要满足
Figure BDA0003478177200000114
另外，为了区分同一根序列产生的不同长序列序列产生的不同长序列，
Figure BDA0003478177200000115
需为质数﹐且任意
Figure BDA0003478177200000116
和
Figure BDA0003478177200000117
的最小公倍数应大于NZC，其中1≤l1，l2≤L。该方法设计的NCS与小区半径往返时延没有关系，不再是传统意义上面的“零相关区域”，满足设计要求的NCS集合较大，用一个或者少数个根序列就可以产生所有的可用前导数目。在ATG覆盖半径要求为300km条件下，级联个数k＝3，可以计算得出满足以上条件的的NCS数，BNCS＝[29 31 37 41 43 47 53 59 61 67 71 73 79 83 89 97 101 103 107 109 113 127131 137 139 149 151 157 163 167 173 179 181 191 193 197 199 211 223 227 229233 239 241 251 257 263 269 271 277 281 283 293 307 311 313 317 331 337 347349 353 359 367 373 379 383 389 397 401 409 419]，可以看到BNCS中共有73个满足条件的循环移位。
步骤3-3.根据步骤3-1的三种级联方案，进行复杂度计算与检测性能仿真，复杂度对比项是PDP计算量，检测性能对比项是在不同的信噪比、用户数及载波频率偏移条件下的一次成功接入概率。最终选择复杂度低和接入成功概率比较优良的前导作为ATG场景的随机接入前导；
PDP计算公式如式(11)所示，能够看出计算复杂度与相关运算次数和运算长度有关，发送的ZC序列越长，相关长度越大，根序列数目越多，相关运算次数越大。
将本地序列和接收序列进行时域相关运算，每一个根序列获得的功率时延谱(Power Delay Profile，PDP)如式(11)。
Figure BDA0003478177200000121
其中y(n)，x(n)表示长度为NZC的接收序列和根序列。对于每一个d，时域相关运算需要NZC次复数乘法和NZC-1次复数加法。
步骤4.根据3-2选择的优良前导进行虚警率(小于0.1％)仿真确定检测门限阈值，然后在不同信噪比下检测概率(大于99％)是否满足5G要求；
参阅图1，ATG场景覆盖半径为300km时，基站与移动用户的距离可表示如式(12)所示。飞机位于基站上方，移动用户距离基站最近10km，位于覆盖半径边缘，距离近似看作300km。那么覆盖半径范围可看作[10,300]km。
Figure BDA0003478177200000131
参阅图2图3，根据基站覆盖边缘地区半径为300km，计算得出CP长度、SEQ长度及GT长度。参阅图4，当存在频偏时，对于PDP正确峰值位置产生影响。第一个子图表示没有频偏时，峰值在正确位置；第二个子图表示存在小数倍频偏时，正确位置峰值减小，出现伪峰；第三个子图表示随着频偏增大，正确位置峰值减小，伪峰峰值增大；第四个子图表示存在整数倍频偏时，正确位置峰值减小到0，伪峰峰值达到最大值。ATG场景频偏大，需要子载波间隔大的前导提前抑制部分频偏影响。由于ATG场景多普勒频移较大，单序列序列长度长，子载波间隔短，对于载波频率偏移敏感。扩大子载波间隔的同时考虑与5G兼容性，提出级联的短前导序列。
参阅图5图6图7表3表4，能够明显看出单序列的长前导计算复杂度最高，相同根不同循环移位的计算复杂度最低。
参阅图8图9图10，相同根不同循环移位相较于其他两种级联长前导序列结构方案的一次成功接入概率较好。
参阅图11图12，3GPP协议规定5G***实现的随机接入前导码检测性能应该满足漏检概率小于1％，虚警概率不超过0.1％。当满足5G虚警概率为0.1％概率时，接入用户为1、16及64时对应的检测门限分别是14.8、19.9及23.2。在满足虚警概率要求下，选择合适的检测门限，然后仿真在不同信噪比下检测概率是否满足5G要求。接入用户为1、16及64时，漏检概率小于1％，检测概率大于99％。综上，设计的级联短前导序列在满足虚警概率和检测概率条件，能够在ATG通信环境下传输前导序列。
表1
Figure BDA0003478177200000141
表2
Figure BDA0003478177200000142
表3
Figure BDA0003478177200000143
表4
Figure BDA0003478177200000151
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法，用于项目需求中空对地通信***随机接入，其特征在于，包括以下步骤：
根据空对地ATG覆盖半径求出随机接入前导帧结构中循环前缀长度、序列长度以及保护间隔长度；
再根据长前导序列长度与子载波间隔反比关系，序列长度长，子载波间隔短，支持的载波频率偏移小，不适用于载波偏移较大的空对地通信***；空对地通信***多普勒频移较大，空对地***中的载波频率偏移是由多普勒频移引起的，最大能够容忍子载波间隔一半的载波频率偏移；
为了满足空对地通信场景下的序列持续时间要求，可以利用多个鲁棒于载波频率偏移的短序列，采用时域级联的方式来构建长前导序列结构，其中，长序列持续时间表示为TLS，由最大往返时延和覆盖性能确定；短序列持续时间为TSEQ，由PRACH子载波间隔决定。
利用短序列的根序列索引与循环移位的不同情况下，设计了与小区覆盖半径无关的循环移位间隔，随机接入长前导序列作为本地序列，与经过航空信道后的接收信号序列，本地序列与接收序列进行相关变换后PDP功率时延谱，根据得到的PDP峰值位置能够确定TA时间提前量，随机接入的目的就是获得初始TA值。
2.根据权利要求1所述的一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法，其特征在于，所述根据空对地ATG覆盖半径求出随机接入前导帧结构中循环前缀长度TCP、序列长度TSEQ以及保护间隔长度TGT，具体公式为：
TCP≥TRTD+τds (1)
TGT＝TRTD (2)
TSEQ≥TCP (3)
其中TRTD表示覆盖范围内终端发送端与基站接收端之间往返时延，τds表示时延扩展；
当空对地ATG覆盖半径要求为300km条件下，根据循环前缀CP长度、序列SEQ长度及保护时间GT长度公式计算出各自时长分别为2ms、2.4ms及2ms。
3.根据权利要求1所述的一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法，其特征在于，所述级联的长前导序列的设计看作短前导序列的设计；结合5G地面前导进行适用于ATG场景的前导设计，选择Zadoff-Chu(5G***使用的随机接入前导，简称ZC序列)短前导序列级联的长前导设计；根据覆盖半径仍为300km条件，能够通过公式(4)计算得出长前导序列长度，并根据公式(5)计算得出级联段数为3，其中，k为整数，TRTD表示覆盖范围内终端发送端与基站接收端之间往返时延，如公式(6)所示，TSEQ表示5G***中前导格式1中序列长度，如公式(7)所示，其中TLS表示长前导序列长度，TSYS表示上行符号持续时间。
TLS＝kTSEQ (4)
TSEQ＝kTSYS (5)
TRTD＝6.67us/km (6)
TSEQ＝0.8ms (7)。
4.根据权利要求3所述的一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法，其特征在于，所述级联的短前导序列如式(9)所示，式(8)表示ZC短序列的生成公式，由步骤3计算得知在空对地覆盖半径为300km条件下，计算得出3段级联，那么级联长前导序列如式(10)所示。根据根序列索引u和循环移位NCS构造短序列，从接入复杂度与检测性能两个方面选择较好的一个级联随机接入前导作为ATG场景随机接入前导，具体包括：
5G***的随机接入前导序列依旧是ZC序列，ZC短序列的生成公式如式(8)所示；
Figure FDA0003478177190000031
其中，u表示物理根序列索引值，NZC是序列长度，长度为839，n表示样点数；
根据该根序列号，ZC序列循环移位后生成前导序列，如式(9)表示；
xu,v＝xu((n+NCS)mod NZC) (9)
其中，NCS表示循环移位。
Figure FDA0003478177190000032
根据根序列索引u和循环移位v构造短序列包括下面三种方案：1)不同的根，循环移位任意；2)相同的根相同的循环移位；3)相同的根不同的循环移位，即级联的循环移位间隔是相同的。
5.根据权利要求4所述的一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法，其特征在于，所述3)相同的根不同的循环移位，具体包括：
5G地面前导设计中循环移位间隔主要是与小区覆盖半径与时延扩展相关，小区覆盖半径越大，边缘用户往返时延越大，此种情况下，需要的循环移位间隔，进而就会需要更多的根序列提供64个接入前导序列；根序列多，相关次数大，计算复杂度高检测性能差；为了显著降低根序列数目，寻找一种与覆盖半径无关的循环移位间隔设计；
定义第l个长序列的第k个短序列的循环移位是
Figure FDA0003478177190000033
k是正整数，l表示可用的前导序列个数，l＝1,2....L,L＝64；由于循环移位值必须小于序列长度，因此NCS需要满足
Figure FDA0003478177190000034
另外，为了区分同一根序列产生的不同长序列序列产生的不同长序列，
Figure FDA0003478177190000035
需为质数﹐且任意
Figure FDA0003478177190000036
和
Figure FDA0003478177190000037
的最小公倍数应大于NZC，其中1≤l1，l2≤L；该方法设计的NCS与小区半径往返时延没有关系，不再是传统意义上面的“零相关区域”，满足设计要求的NCS集合较大，用一个或者少数个根序列就可以产生所有的可用前导数目。
6.根据权利要求5所述的一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法，其特征在于，还包括将根序列索引u和循环移位v构造短序列三种级联方案进行复杂度计算与检测性能对比的步骤，具体为：
复杂度对比项是PDP计算量，检测性能对比项是在不同的信噪比、用户数及载波频率偏移条件下的一次成功接入概率，最终选择复杂度低和接入成功概率比较优良的前导作为ATG场景的随机接入前导；
PDP计算公式如式(9)所示，计算复杂度与相关运算次数和运算长度有关，发送的ZC序列越长，相关长度越大；根序列数目越多，相关运算次数越大；
将本地序列和接收序列进行时域相关运算，每一个根序列获得的功率时延谱PDP如式(11)，
Figure FDA0003478177190000041
其中y(n)，x(n)表示长度为NZC的接收序列和根序列；对于每一个d，时域相关运算需要NZC次复数乘法和NZC-1次复数加法；
根据选择的优良前导进行虚警仿真确定检测门限阈值，然后在不同信噪比下检测概率是否满足5G要求。
7.根据权利要求4所述的一种空对地超广覆盖随机接入级联长前导序列设计方法，其特征在于，所述1)不同的根，循环移位任意；2)相同的根相同的循环移位；
假如波束范围内可用的前导序列的个数为L，LTE***及5G***中L＝64，每个长前导序列由3个根序列，为了保证前导序列的唯一性与正确检测，不同的根，循环移位任意的级联长前导序列方案总共需要3L个根序列支持ATG用户中的多用户接入。接收端检测过程中，用户的唯一标识可以用式通过短ZC序列的检测确定，由此可以将长序列检测问题转变为短ZC序列检测，所以该序列检测需3L次PDP运算。不同根序列的循环移位ZC序列不正交，过多的使用根序列增加非正交性引入多用户干扰。单一根序列的循环移位产生的正交序列与非正交序列相比，具有更好的检测性能。所以从检测复杂度与检测性能看，下面使用单一的根序列级联的长前导序列更好；
相同的根相同的循环移位的级联长前导序列方案总共需要L个根序列支持ATG用户中的多用户接入。该序列检测需L次PDP运算。该前导序列的循环移位相同，所以每一个检测窗口中都有峰值，并且峰值的位置对应的是小数倍TA，整数TA无法获得。Li等人提出在完成小数倍TA估计和补偿之后，UE重新发送新前导来确定整数倍TA。ATG有较大传播时延，降低了用户接入效率；
相同的根不同的循环移位构成的级联前导序列所使用的根序列数目最少综上所述，相比其他两种，选择相同的根不同的循环移位构成的级联前导序列检测复杂度较低，检测性能较好。
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