一种窄带物联网物理随机接入信道的信号处理方法

本发明涉及信号处理，更具体地，涉及一种窄带物联网物理随机接入信道的信号处理方法和系统。

背景技术：

1、窄带物联网nb-iot是针对5g无线通信的大规模机器类通信mmtc业务设计的一种低功耗广域网lpwan技术。在nb-iot系统中，用户终端ue在上传数据或响应寻呼之前，需要向基站发起随机接入以建立连接。随机接入过程的第一步，就是终端通过窄带物理随机接入信道nprach向基站发射一段随机接入前导，基站侧接收机需要检测识别随机接入前导的存在，并进一步估计出其传输时延以用于上行时间同步。

2、信号的空口传输不可避免地受到残余载波频率偏置的影响，nprach接收端需要对频率偏移进行抑制或补偿，并完成前导信号传输时延的估计。目前已有不少学者在该方面展开研究，通过改进信号处理算法获得性能的提升。目前有一些有效的信号处理算法，如利用2d-fft方法求解接收信号与参考信号的相关性最大化问题，但该算法虽然拥有很高的准确性，但时间复杂度极高，难以实际应用。也有一些算法基于相位差分通过线性计算估计出频率偏移后，再基于与参考信号的相关性通过1d-fft估计出时延，在复杂度和准确率上进行权衡，同时，忽略了频率偏移在一个符号组周期内的影响，使得其性能在频率偏移较大时会有一定损失。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有窄带物联网随机接入过程中的前导信号频率偏移估计和时延估计准确性不高以及计算量大的缺陷，提供一种窄带物联网物理随机接入信道的信号处理方法和系统，在提升前导信号频率偏移估计和时延估计的准确性的同时，适当降低算法复杂度。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、本发明提供了一种窄带物联网物理随机接入信道的信号处理方法，包括：

4、s1：基于随机接入信道前导码，生成接收端基带信号；

5、s2：对接收端基带信号进行处理后，得到接收端前导符号；

6、s3：对接收端前导符号处理，得到频率偏移的估计值；

7、s4：基于频率偏移的估计值对接收端前导符号进行频率偏移补偿，得到经过频率偏移补偿的接收端前导符号；

8、s5：对经过频率偏移补偿的接收端前导符号的进行时延估计，得到经过频率偏移补偿的接收端前导符号的时延估计值。

9、优选地，所述s1中，基于随机接入信道前导码，生成接收端基带信号包括：

10、所述随机接入信道前导码由符号组sg构成，每个符号组包括l＝5个相同的单频ofdm符号和1个循环前缀cp；前导的子载波间隔为3.75khz，传输频段包括{12,24,36,48}个子载波；ofdm调制的fft长度为，cp长度有和n两种规格，由网络的覆盖范围等级决定；前导以每4个符号组为基本单位连续多次发送，符号组的总数量为lsg＝4·2j,j∈{0,1,…,7}；通过延长前导长度的方式，可在终端功率受限时对抗远距离通信的高路径损耗。符号组之间遵循特定的跳频机制；每4个符号组的初始子载波位置由伪随机数生成；所述前导在第1个和第2个符号组之间、第3个和第4个符号组之间有1个子载波间隔的跳频，该两次跳频的方向相反；所述前导第2个和第3个符号组之间有6个子载波间隔的跳频；

11、随机接入前导码经过资源映射与ofdm调制后，在发射端基带信号表示为：

12、

13、其中，s[m,n]表示发射端基带信号，m,n分别代表发射端基带信号的第m符号组和该符号组内的第n个采样点，ω(m)表示第m个符号组所处子载波，e表示信号的能量，l表示每个符号组的相同的单频ofdm符号数，n表示ofdm调制的fft长度，ln表示l与n的乘积，ncp表示cp长度；

14、发射端将所述发射端基带信号调制成射频信号，经过信道后，接收端进行接收再解调得到接收端基带信号，接收端基带信号为：

15、

16、其中，y[m,n]为接收端基带信号的第m个符号组第n个采样点，h[m]表示接收端基带信号的第m个符号组的信道系数，体现信道衰落对符号组幅值与相位的影响，所述信道为块状衰落信道，h[m]在连续q个符号组的时间内保持不变，一个前导符号划分为块；ω[m,n]表示接收端基带信号的第m个符号组第d个采样点的复高斯白噪声，服从分布为复高斯白噪声的功率；f表示载波频率偏置，…表示传输时延，二者均经过采样频率的归一化处理。

17、优选地，所述s2中，对接收端基带信号进行处理后，得到接收端前导符号包括：

18、接收端基带信号经过ofdm解调和时频资源解映射后，得到接收端前导符号：

19、

20、其中，表示接收端前导符号的第m个符号组第i个符号在第ω[m]个子载波上的资源单位；表示接收端前导符号的第m个符号组第i个符号的噪声分量，服从分布记

21、优选地，所述s3中，对接收端前导符号处理，得到频率偏移的估计值包括：

22、s31：首先调整跳频机制，计算接收端前导符号与接收端前导符号的频率偏移估计参考符号之间的互相关系数：

23、同频段的符号组之间的相位偏置项只与频率偏移相关，若lsg≥8，对每8个符号组，使每8个符号组的前4个符号组与后4个符号组拥有相同的跳频，满足：

24、ω(8p+q)＝ω(8p+q+4)

25、其中，q∈[0,4)；

26、基于与频率偏移f相关的相位配置项，构建接收端前导符号的频率偏移估计参考符号：

27、

28、其中，表示接收端前导符号的频率偏移估计参考符号第m个符号组第i个符号的参考值，以符号组为单位，计算接收端前导符号与接收端前导符号的频率偏移估计参考符号的互相关系数：

29、

30、其中，r[m]表示接收端前导符号与接收端前导符号的频率偏移估计参考符号在第m个符号组的互相关系数，记δf表示参考符号的可调参数fref与实际频率偏移f的差值，即频率偏移估计误差，δf＝f-fref，nsg＝ncp+ln，c(δf)的计算方式为：

31、

32、s32：构建频率偏移估计误差δf的目标函数j(δf)：

33、基于调整后的跳频机制，第8p+q个和第8p+q+4个符号组位于同一子载波频段ω(8p+q)；所述块状衰落信道中，每连续q＝8个符号组的信道系数相同，信道系统满足h[8p+q]＝h[8p+q+4]＝h[8p]；将每一对符号组的互相关系数r[8p+q],r[8p+q+4]结合在一起，得到频率偏移估计误差δf的目标函数j(δf)：

34、

35、其中，j(δf)表示频率偏移估计误差δf的目标函数，当δf＝0时，j(δf)达到最大值，获得频率偏移的估计值

36、

37、s33：基于预设的频率偏移估计范围，采用adam算法求解j(δf)获得频率偏移的最优估计值。

38、优选地，所述s33中，所述采用adam算法求解j(δf)获得频率偏移的最优估计值包括：

39、s331：初始化参数，所述参数包括：学习率α,指数衰减率β1，β2，数值计算的稳定参数∈；最大迭代次数t；搜索范围旁瓣索引集[-imax,imax]，m0＝0,v0＝0；

40、s332：从搜索范围旁瓣索引集依次获取第i个旁瓣索引，初始化第i个索引旁瓣的初始频率根据初始频率f0，计算获得第i个旁瓣索引的频率偏移估计值；

41、s333：重复步骤s332，直到获得搜索范围旁瓣索引集中每个旁瓣索引的频率偏移估计值；

42、s334：将所有索引旁瓣的频率偏移估计值中的最大值作为频率偏移的最优估计值。

43、优选地，所述s332中，所述从搜索范围旁瓣索引集依次获取第i个旁瓣索引，初始化第i个索引旁瓣的初始频率根据初始频率f0，计算获得第i个旁瓣索引的频率偏移估计值包括：

44、s3321：计算目标函数的梯度j(δf)得到gt，具体计算公式为：

45、

46、其中，gt表示j(δf)第t次迭代的梯度，ft-1表示第t-1次迭代的频率偏移；

47、s3322：根据目标函数的梯度j(δf)计算目标函数的有偏的一阶矩估计和有偏的二阶矩估计，具体计算公式为：

48、mt＝β1mt-1+(1-β1)gt

49、

50、其中，mt表示第t次迭代的有偏的一阶矩估计，mt-1表示第t-1次迭代的有偏的一阶矩估计，vt表示第t次迭代的有偏的二阶矩估计，vt-1表示第t-1次迭代的有偏的二阶矩估计，表示gt的二次方；

51、s3323：对有偏的一阶矩估计和有偏的二阶矩估计进行偏差校正，得到偏差校正的一阶矩估计和二阶矩估计，具体计算公式为：

52、

53、

54、其中，表示第t次迭代的偏差校正的一阶矩估计，表示第t次迭代的偏差校正的二阶矩估计，表示β1的t次方，表示β2的t次方；

55、s3324：根据偏差校正的一阶矩估计和二阶矩估计更新频率偏移，具体计算公式为：

56、

57、其中，ft表示第t次迭代的频率偏移；

58、s3325：重复步骤s3321-s3324，当达到预设迭代次数后，将第t次的频率偏移估计值作为第i个旁瓣索引的频率偏移估计值

59、优选地，所述s4中，所述经过频率偏移补偿的接收端前导符号的确定方法包括：

60、

61、其中，表示经过频率偏移补偿的接收端前导符号，表示接收端前导符号，表示接收到前导信号的参考符号共轭转置。

62、优选地，所述s5中，对经过频率偏移补偿的接收端前导符号的进行时延估计，得到经过频率偏移补偿的接收端前导符号的时延估计值包括：

63、构建接收端前导符号的时延估计参考符号dref表示该参考符号的可调参数，调节dref，使得接收端前导符号的时延估计参考符号与接收端前导符号的相关系数达到最大值，此时的dref即作为经过频率偏移补偿的接收端前导符号的时延估计值

64、

65、使用1d-fft估计经过频率偏移补偿的接收端前导符号的时延，得到经过频率偏移补偿的接收端前导符号的时延估计值

66、优选地，所述使用1d-fft估计经过频率偏移补偿的接收端前导符号的时延，得到经过频率偏移补偿的接收端前导符号的时延估计值包括：

67、将经过频率偏移补偿的接收端前导符号第g个块状衰落信道中所有位于第k个子载波的符号合并为zg[k]：

68、

69、对zg[k]序列进行fft处理；然后将不同块状衰落信道的处理结果合并为z[τ]，作为新的关于τ的目标函数z[τ]：

70、

71、其中，m表示1d-fft算法的fft长度，q表示连续符号组的个数，g表示整个前导序列中每连续q个符号组的组成块的块数；

72、获得使z[τ]最大的

73、

74、根据得到经过频率偏移补偿的接收端前导符号的时延估计值

75、

76、本发明还提供了一种窄带物联网物理随机接入信道的信号处理系统，用于实现上述的处理方法，其特征在于，包括：

77、基带信号生成模块，用于基于随机接入信道前导码，生成接收端基带信号；

78、基带信号处理模块，用于对接收端基带信号进行处理后，得到接收端前导符号；

79、频率偏移估计模块，用于对接收端前导符号处理，得到频率偏移的估计值；

80、频率偏移补偿模块，用于基于频率偏移的估计值对接收端前导符号进行频率偏移补偿，得到经过频率偏移补偿的接收端前导符号；

81、时延估计模块，用于对经过频率偏移补偿的接收端前导符号的进行时延估计，得到经过频率偏移补偿的接收端前导符号的时延估计值。

82、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

83、本发明提供了一种窄带物联网物理随机接入信道的信号处理方法和系统，首先基于随机接入信道前导码，生成接收端基带信号；之后对接收端基带信号进行多次处理，得到接收端前导符号；然后对接收端前导符号处理，得到频率偏移的估计值，并基于该估计值对接收端前导符号进行频率偏移补偿；最后对经过频率偏移补偿的接收端前导符号的进行时延估计，得到经过频率偏移补偿的接收端前导符号的时延估计值。本发明在提升前导信号频率偏移估计和时延估计的准确性的同时，适当降低算法复杂度。