On the Structured Design Methodology of Effective PRACH Detection : Multi-Stage Thresholding Perspective

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, I provide a tutorial on the structured design of effective Physical Random Access CHannel (PRACH) preamble detection based on correlation power. Specifically, the main contribution of the thesis is to provide the design methodology leveraging multi-stage thresholds by which Preamble ID (PID) and PRACH-related time information (Timing Advance) for identifying the transmitted PRACH preamble signal are obtained. For enhancing the effectiveness of the designed PRACH preamble detector, I also consider joint optimization of multi-stage thresholds beyond the individual optimization of each threshold based on the Power Delay Profile (PDP).
I suggest a methodology for more efficient analysis of PDP by analyzing the multi-stage threshold structure utilizing noise threshold, average power threshold, and signal threshold. I also present the structure of a timing threshold to provide more probabilistically accurate time information. And I propose a methodology to refine PDP using multi-stage thresholding to remove noise and misleading data generated by the channel. Additionally, I show the most efficient multi-stage threshold structures for Additional White Gaussian Noise (AWGN) channel and Tapped Delay Line (TDL) channel environments and the optimized scaling factor values for each environment.
Consequently, the designed PRACH preamble detector is shown to have a reasonable performance in the sense of detection and false alarm probabilities, which is validated through numerical simulations considering the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) conformance test. Furthermore, it shows high performance in lower SNR environments than required by 3GPP conformance tests.
These results show that the multi-stage threshold method structured by utilizing multiple thresholds can show a high probability of PRACH preamble detection even in lower SNR environments than the conventional method in AWGN and TDL channels.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 상관관계 전력에 기반한 효과적인 물리적 랜덤 액세스 채널(PRACH) 프리앰블 검출의 구조적 설계에 대한 튜토리얼을 제공합니다. 특히, 이 논문의 주요 기여는 전송된 PRACH 프리앰블 신호를 식별하기 위한 프리앰블 ID(PID) 및 PRACH 관련 시간 정보(타이밍 사전)를 얻는 다단계 임계값을 활용하는 설계 방법론을 제공하는 것입니다. 설계된 PRACH 프리앰블 검출기의 효율성을 높이기 위해 전력 지연 프로파일(PDP)에 기반한 각 임계값의 개별 최적화를 넘어 다단계 임계값의 공동 최적화도 고려합니다.
노이즈 임계값, 평균 전력 임계값, 신호 임계값을 활용한 다단계 임계값 구조를 분석하여 PDP를 보다 효율적으로 분석하는 방법론을 제안합니다. 또한 확률적으로 보다 정확한 시간 정보를 제공하기 위한 타이밍 임계값의 구조를 제시합니다. 그리고 채널에서 생성되는 노이즈와 잘못된 데이터를 제거하기 위해 다단계 임계값을 사용하여 PDP를 정제하는 방법론을 제안합니다. 또한 추가 백색 가우시안 노이즈(AWGN) 채널과 탭 지연 라인(TDL) 채널 환경에서 가장 효율적인 다단계 임계값 구조와 각 환경에 최적화된 스케일링 계수 값을 보여줍니다.
결과적으로 설계된 PRACH 프리앰블 검출기는 3세대 이동통신 표준화 기구(3GPP) 적합성 테스트를 고려한 수치 시뮬레이션을 통해 검출 및 오경보 확률에서 합리적인 성능을 보이는 것으로 확인되었습니다. 또한 3GPP 적합성 테스트에서 요구하는 것보다 낮은 SNR 환경에서도 높은 성능을 보였습니다.
이러한 결과는 다중 임계값을 활용하여 구조화된 다단계 임계값 방식이 AWGN 및 TDL 채널에서 기존 방식보다 낮은 SNR 환경에서도 높은 PRACH 프리앰블 검출 확률을 얻을 수 있음을 보여줍니다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. System Model 4
• Ⅲ. Preliminaries on PRACH Preamble Detection 6
• Ⅳ. Single-stage Threshold Methodology for PDP Refinement 9
• 1. Noise Threshold Based PDP Refinement 9
• 2. Average Power Threshold Based PDP Refinement 10
• 3. Signal Threshold Based PDP Refinement 11
• Ⅴ. Unified Multi-stage Thresholding for PDP Refinement 13
• 1. Perspective of Removing Correlated Power from Noise 13
• 2. Perspective of Selecting Correlated Power from Signal 13
• Ⅵ. Numerical Analysis 15
• 1. Effect of Multi-stage Thresholding to PRACH Preamble Detector Performance 15
• 2. Comparison between Noise Thresholding and Average Power Thresholding 16
• 3. SNR Satisfying 3GPP Requirements for Each Threshold Combination 18
• 4. Discussion 19
• Ⅶ. Conclusion 20
• References 21
• Appendix 23
• Appendix A. Performance of Multi-stage Thresholding in TDL Channel 23
• Appendix B. ROC curve of Multi-stage Thresholding in AWGN and TDL Channel 25
• Abstract in Korean (국문요지) 26