CN102624667B - 多点多用户ofdma系统的时偏补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法，基于最大容忍剩余误差限松弛技术，采用对传输点时偏预补偿和对用户终端时偏后补偿的联合补偿，补偿过程为：各用户终端估计每条链路的时偏量；各用户终端反馈链路时偏量给各传输点；各传输点协同建立优化方程；求解优化方程；判断最优化解是否满足约束条件；各传输点对发送的信号进行时偏预补偿；各用户终端接收到时偏预补偿信号后进行时偏后补偿，后补偿包括估计剩余时偏量，计算后补偿量和补偿。本发明传输点求解优化问题降低用户终端计算复杂度。最终剩余时偏量在可容忍范围内，保证每个用户终端时间可靠同步，克服时偏影响，解决高速运动信道环境下多点多用户通信同步问题。

Description

多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及多点多用户正交频分多址接入(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)系统通信技术领域，基于“最大容忍剩余误差限松弛”技术，对传输点与用户终端进行联合时偏补偿的方法，具体是一种多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法，用于多点多用户OFDMA系统通信，解决在高速运动信道环境下多点多用户通信的时间不同步问题。

背景技术

在多点多用户OFDMA系统中，为确保传输信息的可靠性和系统的整体性能，需要传输点(BS)和用户终端(UE)满足同步协调。由于各用户终端随机分布，同各传输点距离有远有近而造成不同链路信号时延的差异，从而使无论传输点还是用户终端都面对着多个具有不同时间偏移量的链路。

现有技术提供了一些用于单点多用户或多点单用户OFDMA系统的时偏补偿方法。这些方法大多利用信道感知技术，直接估计出每条链路的时偏量，然后通过对用户终端进行时偏后补偿，或者对传输点进行时偏预补偿的方法来完成时偏补偿。在高速移动多点多用户OFDMA系统场景下，这些方法存在明显的不足，已有的时偏补偿方法无法确保每个用户终端都能实现可靠的时间同步，即不能满足多用户符号时间同步协调，最终导致系统整体性能降低。

专利“分布式多发多收-正交频分复用系统帧同步方法与装置”(专利申请号200510029602.0，公开号CN1933470A)主要在发射端使用不同长度的PN序列来一一对应各发射天线产生相应同步前导序列，接收端使用窗口宽度与PN序列长度对应的相关运算器计算，从中进行帧头的定位。

专利“一种多入多出-正交频分复用系统同步方法”(专利申请号200610020797.7，公开号CN101064700A)主要是通过利用IFFT变换的特性，将发射端各天线插入的训练序列，在各发射天线到达接收天线信号延迟不同时，叠加后仍然可以得到两个相同的半段序列，接收端在时域进行时间粗同步，频域进行精同步。

专利“用于在基于OFDM/OFDMA的MIMO系统中估计和补偿时间偏移和/或载频偏移的设备和方法”(专利申请号200780032006.5，公开号CN101512999A)主要是计算通过接收天线收到的同一发射天线的导频信号的相位差，然后对导频信号的相位差执行反正切运算，以计算时间偏移线性相位，从而得到时间偏移补偿值完成对导频和数据的时偏补偿。

这些专利申请公开的方法和装置存在的不足是，主要完成了点对点链路时偏量的估计；在对所有接收信号时偏补偿时没有考虑到每条链路的时偏量可能不同，无法保证各用户终端接收到的每路信号时偏都在可容忍时偏范围之内，因此不能有效解决高速移动场景下多点多用户OFDMA系统的时偏补偿问题。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的不足，提出一种通过联合时偏补偿使多点多用户OFDMA系统传输时间同步，各接收信号剩余时偏都在可容忍范围内的多点多用户OFDMA系统时偏补偿方法。基于“最大容忍剩余误差限松弛”技术来实现对多个传输点和多个用户终端进行联合时偏补偿的方法，使本发明可以应用于多点多用户OFDMA系统中，解决由各用户终端在不同位置与各传输点距离不同而造成不同链路信号时延差异等因素引起的时间不同步问题，使各用户终端都可以克服时偏的影响，从而确保用户终端解调信息的可靠性和提高协作系统的整体性能。

为实现上述目的，本发明多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法，采用对传输点时偏预补偿和对用户终端时偏后补偿的联合补偿技术方案，使信号最终剩余时偏量在最大容忍剩余误差限内，时偏补偿过程包括以下步骤：

步骤1各用户终端利用多时延的分布式多输入多输出-正交频分复用(MIMO-OFDM)系统的时偏估计方法估计出每条链路的链路时偏量；

步骤2各用户终端将估计出的链路时偏量反馈给各传输点；

步骤3各传输点根据各用户终端反馈的链路时偏量建立传输点与用户终端的预补偿时偏量优化方程；

步骤4采用最小二乘法求解预补偿时偏量优化方程，其最优化解为各传输点的预补偿时偏量；

步骤5判断最优化解是否满足约束条件，若不满足约束条件，不再进行时偏补偿，时偏补偿过程结束；若满足约束条件，对传输点进行时偏预补偿；

步骤6时偏预补偿，各传输点利用步骤4中获得的各传输点的预补偿时偏量分别校正各传输点发射信号的符号起始点，并将完成时偏预补偿的信号发射给各用户终端；

步骤7用户终端接收到时偏预补偿信号后，用多时延的分布式多输入多输出-正交频分复用系统的时偏估计方法即与步骤1相同的方法估计接收信号的剩余时偏量，并对用户终端进行时偏后补偿，联合时偏补偿过程结束。

本发明基于“最大容忍剩余误差限松弛”技术，联合传输点与用户终端建立预补偿时偏量优化方程，传输点采用最小二乘法求解其预补偿时偏量并进行时偏预补偿；用户终端利用多时延的分布式MIMO-OFDM系统的时偏估计方法估计出其每条接收链路的剩余时偏量，并进行比较计算求得其后补偿量进行时偏后补偿。联合传输点时偏预补偿和用户终端时偏后补偿，使用户终端各接收信号的剩余时偏都在可容忍范围内，克服符号定时偏差的影响，满足系统时间同步要求。

本发明的实现还在于：步骤3中建立预补偿时偏量优化方程的过程包括：

3.1假定传输点已进行预补偿并发送信号，用户终端将收到多个仍存在剩余时偏量的信号；选定其中一个信号的剩余时偏量为基准信号，以此基准信号同其他所有信号的剩余时偏量分别作差，将所有差的平方和最小作为预补偿时偏量优化方程的目标函数；

3.2将目标函数中所有的差作为松弛量，进行不大于最大容忍剩余误差限的松弛，获得预补偿时偏量优化方程的约束条件 $\max \left(\right|d_1^1|,\·\·\·,|d_1^{m-1}|,\·\·\·,|d_n^1|,\·\·\·,|d_n^{m-1}\left|\right)\≤\mathrm{\δ},$ 其中，为用户终端j选取的两路信号预补偿后剩余时偏量之差，k的取值区间为1到m-1，j的取值区间为1到n，m为传输点个数，n为用户终端个数，δ为最大容忍剩余误差限；

3.3建立由目标函数和约束条件组成的预补偿时偏量优化方程：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{x_1,x_2,,x_m}{\min }\left({\left|\right|D\left|\right|}^2\right)=\underset{x_1,x_2,,x_m}{\min }\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left({\left|\right|\mathrm{AX}-T_j\left|\right|}^2\right)\\ s.t.\max \left(\right|d_1^1|,\·\·\·,|d_1^{m-1}|,\·\·\·,|d_n^1|,\·\·\·,|d_n^{m-1}\left|\right)\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，||·||²为二范数函数，A为m个传输点n个用户终端而确定的系数矩阵， $D={[d_1^1,\·\·\·,d_1^{m-1},\·\·\·,d_n^1,\·\·\·,d_n^{m-1}]}^T$ 为松弛量，X＝[x₁ x₂…x_m]^T为传输点的预补偿时偏量矩阵，x_i为传输点i的预补偿时偏量，i的取值区间为1到m，T_j为用户j对应A的链路时偏量差分矩阵。

本发明中，各传输点根据用户终端反馈的链路时偏量，建立传输点和用户终端的预补偿时偏量优化方程，此方程只计算预补偿时偏量而不同时计算后补偿时偏量，后补偿时偏量只需在用户终端利用多时延的分布式MIMO-OFDM系统的时偏估计方法估计出各接收信号的剩余时偏量，然后通过比较计算取最小值获得，这样传输点既简化了解优化方程的复杂度，也不用再将后补偿时偏量传输给各用户终端，同时传输点求解计算优化方程简化了用户终端的计算复杂度。

本发明的实现还在于：步骤7中时偏后补偿的过程包括：

7.1各用户终端利用多时延的分布式多输入多输出-正交频分复用系统的时偏估计方法即步骤1相同的方法估计时偏预补偿信号的剩余时偏量；

7.2对剩余时偏量进行比较计算，取最小值作为各用户终端的后补偿时偏量；

7.3各用户终端利用各自的后补偿时偏量分别校正各用户终端接收信号的符号起始点，完成时偏后补偿。

各用户终端通过以上三个步骤，均可获得其最优的后补偿时偏量，进行时偏后补偿，使各接收信号的剩余时偏都在可容忍的范围内，能够正确解调信息。

本发明的实现还在于：建立预补偿时偏量优化方程的步骤3.2中最大容忍剩余误差限的值δ，其对于OFDMA系统来说即为循环前缀(CP)的长度。最大容忍剩余误差限保证各信号的最终剩余时偏量都在此可容忍范围CP内，满足系统时间同步的要求。

本发明的实现还在于：建立预补偿时偏量优化方程的步骤3.3中系数矩阵A为

$A={\left[\begin{array}{ccccc}1& -1& 0& \·\·\·& 0\\ 1& 0& -1& \·\·\·& 0\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ 1& 0& 0& \·\·\·& -1\end{array}\right]}_{(m-1)*m}$

其中，[·]_(m-1)*m表示m-1行m列矩阵。

本发明的实现还在于：建立预补偿时偏量优化方程的步骤3.3中用户j对应A的链路时偏量差分矩阵T_j为

T_j＝[t_1j-t_2j t_1j-t_3j…t_1j-t_mj]^T

其中，t_ij为传输点i至用户终端j之间的链路时偏量。

本发明的实现还在于：进行时偏后补偿的步骤7.2中剩余时偏量的处理是对剩余时偏量取最小值：

y_j＝min(t_1j-x₁，t_2j-x₂，...，t_mj-x_m)

其中，y_i为用户终端j的后补偿时偏量，t_ij-x_i为传输点i至用户终端j之间的链路剩余时偏量，x_i为传输点i的预补偿时偏量。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明联合传输点和用户终端建立传输点预补偿时偏量优化方程，传输点通过求解优化方程，获得传输点的预补偿时偏量，用户终端估计剩余时偏量并进行比较计算求得后补偿时偏量，使各用户终端接收到的每路信号的时偏量都在可容忍时偏范围之内，可操作性强，保证各用户终端正确解调信息。

第二，本发明采用对传输点时偏预补偿与用户终端进行时偏后补偿的联合时偏补偿方法，保证每个用户终端都能实现可靠的时间同步。

第三，本发明能够克服高速移动多点多用户OFDMA系统中时偏的影响，解决了在高速运动信道环境下多点多用户通信的时间不同步的问题。

第四，本发明主要是由传输点处理信息以及求解计算优化问题，因此大大降低了用户终端处理信息的复杂度，同时由于上/下行具有互易性，用户终端可以实现盲补偿。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明实施例两点两用户OFDMA系统下行传输场景中时偏补偿方法的示意图；

图3为本发明实施例两点两用户OFDMA系统的时偏补偿方法仿真性能图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。

本发明适用于蜂窝通信网以及PMP/Mesh混合网络等网络中高速运动信道环境下多点多用户协作通信场景。多个基站相互协作，向多个无协作用户终端传输信号，由于用户与多基站间的相对距离有远有近，造成了不同链路信号传输时延有大有小，因而用户同时接收到的多个协作基站发送的信号时间不同步。本发明有效解决了多点多用户通信的时偏补偿问题，实现了分布式MIMO-OFDM系统时间同步。

实施例1

本发明是一种多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法，参见图1，采用对传输点时偏预补偿和对用户终端时偏后补偿的联合补偿，使信号最终剩余时偏量在最大容忍剩余误差限内，时偏补偿过程包括以下步骤：

步骤1各用户终端利用多时延的分布式多输入多输出-正交频分复用(MIMO-OFDM)系统的时偏估计方法估计出每条链路的链路时偏量。

步骤2各用户终端将估计出的链路时偏量反馈给各传输点。

步骤3各传输点根据各用户终端反馈的链路时偏量建立传输点与用户终端的预补偿时偏量优化方程。建立预补偿时偏量优化方程的过程包括：

3.1假定传输点已进行预补偿并发送信号，用户终端将收到多个仍存在剩余时偏量的信号，该剩余时偏量为链路时偏量与预补偿时偏量的差；选定其中一个信号的剩余时偏量为基准，用该基准信号同其他所有信号的剩余时偏量分别作差，将所有差的平方和最小作为预补偿时偏量优化方程的目标函数。用这种方法传输点只需计算其预补偿时偏量，而不需同时计算后补偿时偏量，简化了计算复杂度，同时不需传输点再将后补偿时偏量发送给用户终端，减少了传输环节。

3.2将目标函数中所有的差作为松弛量，进行不大于最大容忍剩余误差限的松弛，获得预补偿时偏量优化方程的约束条件 $\max \left(\right|d_1^1|,\·\·\·,|d_1^{m-1}|,\·\·\·,|d_n^1|,\·\·\·,|d_n^{m-1}\left|\right)\≤\mathrm{\δ},$ 其中，为用户终端j选取的两路信号预补偿后剩余时偏量之差，k的取值区间为1到m-1，j的取值区间为1到n，m为传输点个数，n为用户终端个数，δ为最大容忍剩余误差限。

3.3建立由目标函数和约束条件组成的预补偿时偏量优化方程：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{x_1,x_2,,x_m}{\min }\left({\left|\right|D\left|\right|}^2\right)=\underset{x_1,x_2,,x_m}{\min }\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left({\left|\right|\mathrm{AX}-T_j\left|\right|}^2\right)\\ s.t.\max \left(\right|d_1^1|,\·\·\·,|d_1^{m-1}|,\·\·\·,|d_n^1|,\·\·\·,|d_n^{m-1}\left|\right)\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，||·||²为二范数函数，A为m个传输点n个用户终端而确定的系数矩阵， $D={[d_1^1,\·\·\·,d_1^{m-1},\·\·\·,d_n^1,\·\·\·,d_n^{m-1}]}^T$ 为松弛量，X＝[x₁ x₂…x_m]^T为传输点的预补偿时偏量矩阵，x_i为传输点i的预补偿时偏量，i的取值区间为1到m，T_j为用户j对应A的链路时偏量差分矩阵。

建立预补偿时偏量优化方程的步骤3.2中最大容忍剩余误差限的值δ，其对于OFDMA系统来说即为循环前缀(CP)的长度。

建立预补偿时偏量优化方程的步骤3.3中系数矩阵A为

$A={\left[\begin{array}{ccccc}1& -1& 0& \·\·\·& 0\\ 1& 0& -1& \·\·\·& 0\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ 1& 0& 0& \·\·\·& -1\end{array}\right]}_{(m-1)*m}$

其中，[·]_(m-1)*m表示m-1行m列矩阵。

用户j对应A的链路时偏量差分矩阵T_j为

T_j＝[t_1j-t_2j t_1j-t_3j…t_1j-t_mj]^T

其中，t_ij为传输点i至用户终端j之间的链路时偏量。

步骤4采用最小二乘法求解预补偿时偏量优化方程，其最优化解为各传输点的预补偿时偏量；

步骤5判断最优化解是否满足约束条件，若不满足约束条件，不再进行时偏补偿，时偏补偿过程结束；若满足约束条件，对传输点进行时偏预补偿；

步骤6时偏预补偿，各传输点利用步骤4中获得的各传输点的预补偿时偏量分别校正各传输点发射信号的符号起始点，并将完成时偏预补偿的信号发射给各用户终端；

步骤7用户终端接收到时偏预补偿信号后，用多时延的分布式多输入多输出-正交频分复用系统的时偏估计方法即步骤1相同的方法估计接收信号的剩余时偏量，并对用户终端进行时偏后补偿，联合时偏补偿过程结束。时偏后补偿的过程包括：

7.1各用户终端利用多时延的分布式多输入多输出-正交频分复用系统的时偏估计方法即步骤1相同的方法估计时偏预补偿信号的剩余时偏量；

7.2对剩余时偏量进行比较计算，取最小值作为各用户终端的后补偿时偏量；

7.3各用户终端利用各自的后补偿时偏量分别校正各用户终端接收信号的符号起始点，完成时偏后补偿。后补偿包括估计剩余时偏量，计算后补偿量和补偿。

进行时偏后补偿的步骤7.2中剩余时偏量的处理是对剩余时偏量取最小值：

y_j＝min(t_1j-x₁，t_2j-x₂，...，t_mj-x_m)

其中，y_j为用户终端j的后补偿时偏量，t_ij-x_i为传输点i至用户终端j之间的链路剩余时偏量。

在对接收信号进行时间同步的时候，需要对接收信号数据起始点进行定位，可以选择接收信号循环前缀的中间点作为定位点，也可以选循环前缀结束后的数据起始点作为定位点，本发明是直接选择接收信号的数据起始点为定位点。

本发明采用对传输点时偏预补偿与用户终端进行时偏后补偿的联合时偏补偿方法，保证每个用户终端都能实现可靠的时间同步。能够克服高速移动多点多用户OFDMA系统中时偏的影响，解决了在高速运动信道环境下多点多用户通信的时间不同步的问题。

实施例2

多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法同实施例1，其中，建立预补偿时偏量优化方程的步骤3.2中最大容忍剩余误差限δ，其对于OFDMA系统来说即为循环前缀(CP)的长度，在3GPPLTE下行OFDMA系统模式3，FFT点数为512，CP长度为36。也就是说，在此模式下，系统的最大容忍剩余误差限δ等于36，各信号在经本发明所述的预补偿与后补偿后，剩余时偏量若都在0-36范围内，满足OFDMA系统时间同步要求，实现了此模式下传输点和用户之间的可靠通信。本发明选定OFDMA系统中循环前缀的长度为最大容忍剩余误差限，根据OFDMA系统特性，只要信号的时延在循环前缀范围内，就能保证信号正确解调，具有较强的可操作性。

本发明基于“最大容忍剩余误差限松弛”技术，采用了对传输点预补偿和对用户终端后补偿的联合补偿策略，传输点通过建立预补偿时偏量优化方程，并采用最小二乘法求解优化方程，获得传输点的预补偿时偏量，用户终端利用多时延的分布式MIMO-OFDM系统的时偏估计方法估计每路接收信号的剩余时偏量并进行比较计算求得后补偿时偏量，使各用户终端接收到的每路信号的时偏量都在可容忍时偏范围之内，实现可靠时间同步。

实施例3

多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法同实施例1-2，其中，当用户对通信带宽有更高要求时，3GPP LTE下行OFDMA系统为用户提供了具有更高通信带宽的模式5。该模式采用FFT点数2048，CP长度144的配置，可支持高达20MHz带宽。此时，系统的最大容忍剩余误差限δ为144，大于实施例2中的门限值，步骤3中预补偿时偏量优化方程有解的概率更大，即系统更容易达到时间同步。

实施例4

多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法同实施例1-3，下面以两点两用户OFDMA系统的时偏补偿方法为例对本发明进一步详细说明。

步骤1，估计链路时偏量。

在多点多用户OFDMA系统中，传输点互相协作，共享彼此的信道和发送功率等资源，形成虚拟的多天线发射机向用户终端发送信息，以获得发射分集增益，又由于用户终端采用正交频分多址接入(OFDMA)方式，所以多时延的分布式多输入多输出-正交频分复用(MIMO-OFDM)无线通信系统中的时偏估计相关技术就可以应用到多点多用户OFDMA系统中。

本发明应用到两点两用户OFDMA系统中，如图2所示，其中的BS1、BS2两个传输点同时给两个用户终端UE₁、UE₂发送信息，由此产生两个传输点与两个用户终端之间的四条链路时偏量t₁₁、t₂₁、t₁₂、t₂₂。用户终端UE₁接收到两个传输点BS₁、BS₂发送的信号训练序列后，利用同步技术，例如多时延的分布式MIMO-OFDM无线通信系统中的时偏估计技术，估计出两个传输点对用户终端UE₁的链路时偏量t₁₁、t₂₁；用户终端UE₂接收到两个传输点BS₁、BS₂发送的信号训练序列后，可以采用同样的方法估计出两个传输点对用户终端UE₂的链路时偏量t₁₂、t₂₂。

步骤2，反馈链路时偏量。

用户终端将估计出的链路时偏量反馈给传输点。如图2所示的两点两用户OFDMA系统中，用户终端UE₁估计出链路时偏量t₁₁、t₂₁后，将t₁₁反馈给传输点BS₁，t₂₁反馈给传输点BS₂；用户终端UE₂估计出链路时偏量t₁₂、t₂₂后，将t₁₂反馈给传输点BS₁，t₂₂反馈给传输点BS₂。图2可见，传输点BS₁获得反馈后的链路时偏量是t₁₁、t₁₂，传输点BS₂获得反馈后的链路时偏量是t₂₁、t₂₂。

步骤3，建立优化方程。

3.1选定目标函数。

经过传输点预补偿后，用户终端收到的多个信号仍存在剩余时偏。假定传输点已进行预补偿并发送信号，用户终端将收到多个仍存在剩余时偏量的信号；选定其中一个信号的剩余时偏量为基准，同其他所有信号的剩余时偏量分别作差，将所有差的平方和最小作为预补偿时偏量优化方程的目标函数，或者说，选定剩余时偏量之间的差最小作为优化方程的目标函数。各用户终端接收信号的时偏量为传输点发射信号给各用户终端，由于各用户终端在不同位置与各传输点距离不同而造成不同链路信号时延差异等因素，使各用户终端接收信号产生的时偏量。

由用户终端反馈给各传输点的链路时偏量，以及系统的传输点个数m与用户个数n，构造所有传输点对用户终端优化方程的目标函数：

$\underset{x_1,x_2,,x_m}{\min }\left({\left|\right|D\left|\right|}^2\right)=\underset{x_1,x_2,.,x_m}{\min }\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left({\left|\right|\mathrm{AX}-T_j\left|\right|}^2\right)$

其中，||·||²为二范数函数， $D={[d_1^1,d_1^2,\·\·\·,d_1^{m-1},d_2^1,\·\·\·d_2^{m-1},\·\·\·,d_n^1,\·\·\·,d_n^{m-1}]}^T$ 为松弛量，[·]^T为矩阵转置，为用户终端j选取的两路信号预补偿后剩余时偏量之差，k的取值区间为1到m-1，

$A={\left[\begin{array}{ccccc}1& -1& 0& \·\·\·& 0\\ 1& 0& -1& \·\·\·& 0\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ 1& 0& 0& \·\·\·& -1\end{array}\right]}_{(m-1)*m}$ 为m-1行m列系数矩阵，

X＝[x₁ x₂…x_m]^T为传输点的预补偿时偏量矩阵，

T_j＝[t_1j-t_2j t_1j-t_3j…t_1j-t_mj]^T为用户j对应A的链路时偏量差分矩阵，j的取值区间是1至n，t_ij表示传输点i至用户终端j之间的链路时偏量，i的取值区间是1至m。

在如图2中两点两用户OFDMA系统中与之对应的目标函数如下：

$\underset{x_1,x_2}{\min }\left({\left|\right|D\left|\right|}^2\right)=\underset{x_1,x_2}{\min }({\left|\right|\mathrm{AX}-T_1\left|\right|}^2+{\left|\right|\mathrm{AX}-T_2\left|\right|}^2)$

其中，d₁ ¹为两个传输点BS₁、BS₂与用户终端UE₁之间两条链路预补偿后的剩余时偏量之差，d₂ ¹为两个传输点BS₁、BS₂与用户终端UE₂之间两条链路预补偿后的剩余时偏量之差，A＝[1-1]，X＝[x₁ x₂]T，由两个传输点BS₁、BS₂对应的预补偿时偏量x₁、x₂组成，T₁＝[t₁₁-t₂₁]表示传输点BS₁、BS₂与对应的用户终端UE₁之间的链路时偏量差分矩阵，T₂＝[t₁₂-t₂₂]表示传输点BS₁、BS₂与对应的用户终端UE₂之间的链路时偏量差分矩阵。

3.2获得约束条件。

理想时偏补偿的约束条件为： $\max \left(\right|d_1^1|,\·\·\·,|d_1^{m-1}|,\·\·\·,|d_n^1|,\·\·\·,|d_n^{m-1}\left|\right)=0$

即：理想时偏补偿约束条件要求实现时偏补偿后剩余时偏量应当完全为零，这在实际中完全没有必要且无法实现。因为用户终端接收的每路信号经过时偏预补偿后仍然存在剩余时偏量，根据OFDMA系统符号特点，各用户终端接收到的每路信号时偏只需在可容忍时偏范围之内，系统就可以克服时偏影响。剩余时偏量的存在与引入的松弛量成线性关系，将其进行不大于最大容忍剩余误差限δ的松弛，获得多点多用户OFDMA系统的约束条件如下：

$\max \left(\right|d_1^1|,\·\·\·,|d_1^{m-1}|,\·\·\·,|d_n^1|,\·\·\·,|d_n^{m-1}\left|\right)\≤\mathrm{\δ}$

其中，δ为一个常数，其对于OFDMA系统来说即为循环前缀(CP)的长度。

如图2中两点两用户OFDMA系统中与之对应的约束条件为：

$\max \left(\right|d_1^1|,|d_2^1\left|\right)\≤\mathrm{CP}$

3.3建立优化方程。

将步骤3.1中建立的优化目标函数与步骤3.2中确定的约束条件组合成多点多用户OFDMA系统的优化方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{x_1,x_2,,x_m}{\min }\left({\left|\right|D\left|\right|}^2\right)=\underset{x_1,x_2,,x_m}{\min }\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left({\left|\right|\mathrm{AX}-T_j\left|\right|}^2\right)\\ s.t.\max \left(\right|d_1^1|,\·\·\·,|d_1^{m-1}|,\·\·\·,|d_n^1|,\·\·\·,|d_n^{m-1}\left|\right)\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

如图2中两点两用户OFDMA系统中的优化方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{x_1,x_2}{\min }\left({\left|\right|D\left|\right|}^2\right)=\underset{x_1,x_2}{\min }({\left|\right|\mathrm{AX}-T_1\left|\right|}^2+{\left|\right|\mathrm{AX}-T_2\left|\right|}^2)\\ s.t.\max \left(\right|d_1^1|,|d_2^1\left|\right)\≤\mathrm{CP}\end{array}\right.$

步骤4，求解优化方程。

通过多点多用户OFDMA系统传输点的计算处理单元求解步骤3中的多点多用户OFDMA系统的优化方程，其最优化解为传输点的预补偿时偏量。

如图2中，通过两点两用户OFDMA系统的计算处理单元求解步骤3中的两点两用户OFDMA系统的优化方程，得出优化方程的最优化解x₁、x₂。x₁为步骤6中传输点BS₁的预补偿时偏量，x₂为步骤6中传输点BS₂的预补偿时偏量。

步骤5，判断最优化解是否满足约束条件，若不满足约束条件，就由多点多用户通信系统调整为单点多用户或多点单用户通信系统结构，不再属于本发明时偏补偿方法的范畴之内；若满足约束条件，对各传输点进行时偏预补偿。

步骤6，时偏预补偿。

各传输点利用步骤4中获得的各传输点的预补偿时偏量分别校正各传输点发射信号的符号起始点，例如正交频分复用无线通信系统中的时偏校正技术，将完成时偏预补偿信号发射给各用户终端。

图2两点两用户OFDMA系统中，传输点BS₁利用预补偿时偏量x₁校正其发射信号的符号起始点，然后发射时偏预补偿信号给两个用户终端UE₁和UE₂；传输点BS₂利用预补偿时偏量x₂校正其发射信号的符号起始点，然后发射时偏预补偿信号给两个用户终端UE₁和UE₂。

步骤7，时偏后补偿。

各用户终端首先通过同步技术估计时偏预补偿信号的剩余时偏量，然后计算后补偿时偏量，并利用后补偿时偏量校正各用户终端接收的时偏预补偿信号的符号起始点。

由于各用户终端接收到的各路信号符号起始点依然较大地偏离用户终端接收机定时点，即仍存在预补偿剩余时偏量。各用户终端对各路接收信号的预补偿剩余时偏量进行时偏后补偿，可以克服多点多用户OFDMA系统中的时偏影响。用户终端可以通过多种方法求解后补偿时偏量，用户终端求解后补偿时偏量的方法是对各用户终端接收时偏预补偿信号的剩余时偏量求和取最小值：

y_j＝min(t_1j-x₁，t_2j-x₂，...，t_mj-x_m)

其中，y_j为用户终端j的后补偿时偏量，m为传输点的数目，t_ij-x_i为传输点i至用户终端j之间的剩余时偏量，t_ij为传输点i至用户终端j之间的链路时偏量；x_i为传输点i的预补偿时偏量。

图2两点两用户OFDMA系统中，两用户终端进行时偏后补偿具体步骤是：首先，用户终端UE₁通过同步技术估计出传输点BS₁、BS₂至用户终端UE₁之间两路信号的剩余时偏量分别为t₁₁-x₁、t₂₁-x₂，用户终端UE₂通过同样的同步技术估计出传输点BS₁、BS₂至用户终端UE₂之间两路信号的剩余时偏量分别为t₁₂-x₁、t₂₂-x₂。其次，用户终端UE₁利用后补偿时偏量y₁＝min(t₁₁-x₁+t₂₁-x₂)校正UE₁接收的时偏预补偿信号的符号起始点，用户终端UE₂利用后补偿时偏量y₂＝min(t₁₂-x₁+t₂₂-x₂)校正UE₂接收的时偏预补偿信号的符号起始点。经过传输点BS₁、BS₂时偏预补偿和用户终端UE₁、UE₂时偏后补偿，两点两用户OFDMA系统中用户终端UE₁接收的两路信号的后补偿剩余时偏量分别为t₁₁-x₁-y₁≤CP、t₂₁-x₂-y₁≤CP，用户终端UE₂接收的两路信号的后补偿剩余时偏量分别为t₁₂-x₁-y₂≤CP、t₂₂-x₂-y₂≤CP。由于步骤3中优化方程的约束条件为两点两用户OFDMA系统经传输点时偏预补偿和用户终端时偏后补偿后，每一路接收的信号所受的时偏影响进一步减小，在实际工程中是可以容忍的，并不影响信息解调。

本发明主要是由传输点处理信息以及求解计算优化问题，因此大大降低了用户终端处理信息的复杂度，同时由于上/下行具有互易性，用户终端可以实现盲补偿。

实施例5

多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法同实施例4，两点两用户OFDMA系统的时偏补偿方法仿真性能图如图3所示。其中，t₁₁、t₁₂、t₂₁、t₂₂相对于OFDMA系统载波采样间隔的归一化值分别为150、115、195、155，各传输点预补偿时偏量x₁、x₂分别为-20、20，各用户终端后补偿时偏量分别为170、135，最大容忍剩余误差限δ为OFDMA系统循环前缀的长度36。左三角形曲线和右三角形曲线分别为用户1和用户2只采用时偏预补偿时的误比特率对信噪比的性能仿真曲线，菱形曲线和下三角曲线分别为用户1和用户2只采用时偏后补偿时的误比特率对信噪比的性能仿真曲线，星形曲线和上三角形曲线分别为用户1和用户2采用本发明方法进行联合补偿时的误比特率对信噪比的性能仿真曲线，圈行曲线和方形曲线分别为用户1和用户2理想情况即无时偏影响下的误比特率对信噪比的性能仿真曲线。

由图3可知，采用本发明方法进行联合时偏补偿时，各用户信号最终剩余时偏较小，均在可容忍误差范围内，获得较高性能，满足时间同步要求，用户性能图与理想情况是几乎一致，只在信噪比大于19dB时有少量偏差，且每个用户的性能曲线相近，而只采用预补偿或只采用后补偿方法的性能较差，曲线较大偏离理想曲线，且各用户性能差别较大。

实施例6

多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法同实施例1-4，其中，三点两用户OFDMA系统的时偏补偿方法，同两点两用户OFDMA系统时偏补偿方法相比，不同之处在于，步骤3中构建预补偿时偏量优化方程时，松弛量三个传输点与两个用户终端共同确定的系数矩阵 $A=\left[\begin{array}{ccc}1& -1& 0\\ 1& 0& -1\end{array}\right],$ 传输点的预补偿时偏量矩阵X＝[x₁，x₂，x₃]^T，用户1对应的时偏量差分矩阵 $T_1=\left[\begin{array}{c}{t}_{11}-t_{21}\\ t_{11}-t_{31}\end{array}\right],$ 用户2对应的时偏量差分矩阵 $T_2=\left[\begin{array}{c}{t}_{12}-t_{22}\\ t_{12}-t_{32}\end{array}\right],$ 用户1的后补偿时偏量y₁＝min(t₁₁-x₁，t₂₁-x₂，t₃₁-x₃)，用户2的后补偿时偏量y₂＝min(t₁₂-x₁，t₂₂-x₂，t₃₂-x₃)，经过对传输点时偏预补偿和对用户终端时偏后补偿的联合补偿后，各用户终端接收到的各路信号的剩余时偏都在可容忍误差范围CP内，用户终端可以正确解调信息，满足时间同步要求。

本发明公开一种多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法，基于最大容忍剩余误差限松弛技术，采用对传输点时偏预补偿和对用户终端时偏后补偿的联合补偿，本发明传输点求解计算优化问题降低用户终端计算复杂度。最终剩余时偏量在可容忍误差范围内，保证每个用户终端时间可靠同步，克服时偏影响，解决高速运动信道环境下多点多用户通信同步问题。

Claims (6)

1.一种多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法，其特征在于：采用对传输点时偏预补偿和对用户终端时偏后补偿的联合补偿，使信号最终剩余时偏量在最大容忍剩余误差限内，时偏补偿过程包括以下步骤：

步骤1各用户终端利用多时延的分布式多输入多输出-正交频分复用系统的时偏估计方法估计出每条链路的链路时偏量；

步骤2各用户终端将估计出的链路时偏量反馈给各传输点；

步骤3各传输点根据各用户终端反馈的链路时偏量建立传输点与用户终端的预补偿时偏量优化方程，建立预补偿时偏量优化方程的过程包括：

3.1假定传输点已进行预补偿并发送信号，用户终端将收到多个仍存在剩余时偏量的信号；选定其中一个信号的剩余时偏量为基准，同其他所有信号的剩余时偏量分别作差，将所有差的平方和最小作为预补偿时偏量优化方程的目标函数；

3.2将目标函数中所有的差作为松弛量，进行不大于最大容忍剩余误差限的松弛，获得预补偿时偏量优化方程的约束条件其中，d_j ^k为用户终端j选取的两路信号预补偿后剩余时偏量之差，k的取值区间为1到m-1，j的取值区间为1到n，m为传输点个数，n为用户终端个数，δ为最大容忍剩余误差限；

3.3建立由目标函数和约束条件组成的预补偿时偏量优化方程：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{x_1,x_2,...,x_m}{\min }\left({\left|\right|D\left|\right|}^2\right)=\underset{x_1,x_2,...,x_m}{\min }\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left({\left|\right|\mathrm{AX}-T_j\left|\right|}^2\right)\\ s.t.\max \left(\right|d_1^1|,...,|d_1^{m-1}|,...,|d_n^1|,...,|d_n^{m-1}\left|\right)\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.$

其中，||·||²为二范数函数，A为m个传输点n个用户终端而确定的系数矩阵，为松弛量，X＝[x₁ x₂ … x_m]^T为传输点的预补偿时偏量矩阵，x_i为传输点i的预补偿时偏量，i的取值区间为1到m，T_j为用户j对应A的链路时偏量差分矩阵；

步骤4采用最小二乘法求解预补偿时偏量优化方程，其最优化解为各传输点的预补偿时偏量；

步骤5判断最优化解是否满足约束条件，若不满足约束条件，不再进行时偏补偿，时偏补偿过程结束；若满足约束条件，对传输点进行时偏预补偿；

步骤6时偏预补偿，各传输点利用步骤4中获得的各传输点的预补偿时偏量分别校正各传输点发射信号的符号起始点，并将完成时偏预补偿的信号发射给各用户终端；

步骤7用户终端接收到时偏预补偿信号后，用多时延的分布式多输入多输出-正交频分复用系统的时偏估计方法估计接收信号的剩余时偏量，并对用户终端进行时偏后补偿，联合时偏补偿过程结束。

2.根据权利要求1所述的多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法，其特征在于：其中，步骤7中时偏后补偿的过程包括：

7.1各用户终端利用多时延的分布式多输入多输出-正交频分复用系统的时偏估计方法估计时偏预补偿信号的剩余时偏量；

7.2对剩余时偏量进行比较计算，取最小值作为各用户终端的后补偿时偏量；

7.3各用户终端利用各自的后补偿时偏量分别校正各用户终端接收信号的符号起始点，完成时偏后补偿。

3.根据权利要求2所述的多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法，其特征在于：其中，建立预补偿时偏量优化方程的步骤3.2中最大容忍剩余误差限的值δ，其对于OFDMA系统来说即为循环前缀(CP)的长度。

4.根据权利要求3所述的多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法，其特征在于：其中，建立预补偿时偏量优化方程的步骤3.3中系数矩阵A为

$A={\left[\begin{array}{ccccc}1& -1& 0& ...& 0\\ 1& 0& -1& ...& 0\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·\\ 1& 0& 0& ...& -1\end{array}\right]}_{(m-1)*m}$

其中，[·]_(m-1)*m表示m-1行m列矩阵。

5.根据权利要求4所述的多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法，其特征在于：其中，建立预补偿时偏量优化方程的步骤3.3中用户j对应A的链路时偏量差分矩阵T_j为

T_j＝[t_1j-t_2j t_1j-t_3j … t_1j-t_mj]^T

其中，t_ij为传输点i至用户终端j之间的链路时偏量。

6.根据权利要求2或5所述的多点多用户OFDMA系统的时偏补偿方法，其特征在于：其中，进行时偏后补偿的步骤7.2中剩余时偏量的处理是对剩余时偏量取最小值：

y_j＝min(t_1j-x₁，t_2j-x₂，…，t_mj-x_m)

其中，y_j为用户终端j的后补偿时偏量，t_ij-x_i为传输点i至用户终端j之间的链路剩余时偏量。