CN103595669B - 一种多天线初始测距方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线初始测距方法及装置，可以将各种干扰最小化，并且实现最优的测距性能，主要应用于无线通信正交频分多址接入技术领域。本发明的方法包括以下步骤：（1）获得测距信号；（2）计算测距信号的频域相关值；（3）确定最大功率路径；（4）判断最大功率路径是否为有效路径；（5）干扰消除操作；（6）提供检测到的测距码和定时偏差。本发明的装置包括以下单元：信号获取单元，计算单元，比较单元，路径确定单元，重构单元，消除单元。本发明具有高的正确检测概率、高的定时偏差估计精度和能够容纳大量测距用户的优点，适用于正交频分多址上行密集多用户接入系统。

Description

一种多天线初始测距方法及装置

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信测距技术领域中的一种多天线初始测距方法及其装置。本发明可以使应用于IEEE802.16m标准下的正交频分多址接入系统中的基站，有效地完成测距用户检测，实现用户的上行链路同步和功率控制。

背景技术

正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA）作为第四代移动通信系统基本接入技术，已经在长期演进（Long Term Evolution，LTE）和全球微波互联接入（Worldwide Interoprability for Microwave Access,WiMAX）中被广泛采用。在IEEE802.16一系列标准中，将用户无线接入中所涉及的接入协议、多用户检测和多参数估计等处理定义为初始测距（initialRanging）。在初始测距过程中，用户利用基站下行帧建立同步，在特定的公共时隙和公共子载波上发送测距码。基站通过多用户检测，确定测距用户，估计其定时和功率等参数；然后将估计的参数反馈给用户，让用户调整其发射参数，达到上行链路同步和功率控制的目的。初始测距的性能直接影响无线用户的接入和上行链路的信息传输性能。IEEE802.16系列宽带无线标准的宽带无线接入技术，其物理层采用正交频分复用（OFDMA）技术，同时支持自适应天线（AdaptiveAntenna System，AAS）和多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术等多天线方案，以获得更高的频率利用效率。

测距过程在正交频分复用（OFDMA）系统中用于调整移动用户定时偏差和接收功率。在上行测距处理过程中，移动用户向基站发送频域测距码，用于测距过程的参数估计和调整。各测距用户发送的时域测距信号在基站叠加，因此，基站收到的是测距信号和数据信号的合成信号，由于测距码是频域码分多址（CodeDivision Multiple Access，CDMA）码，在频域具有较好的自相关和互相关特性，因此，可利用相关检测方法完成测距用户检测。

中兴通讯股份有限公司拥有的专利技术“一种正交频分复用系统中初始接入信号的检测方法和装置”（申请日：2007年10月11日，授权公告号：CN101409893B）中公开了一种正交频分复用系统中初始接入信号的检测方法和装置。该专利技术公开的方法的实施步骤是：第1，根据有无接入信号时对应的接收信号的概率分布密度的差异来确定阈值；第2，将所述接收信号转换为频域信号，并在频域上选择其中的所有测距子载波；第3，确定每个所述测距子载波的功率，并确定所有所述测距子载波的平均功率；第4，以及将所述平均功率与所述阈值进行比较，并根据比较结果确定在所述接收信号中是否存在所述初始接入信号。该方法存在的不足之处是：初始接入信号检测受多用户干扰影响，随着初始测距用户数增加，其初始测距性能严重恶化。因此该方法在初始接入信号检测处理实现中具有很大的局限性，限制了无线通信系统的初始接入用户容量。该专利技术公开的装置包括：阈值确定单元，用于根据有无接入信号时对应的接收信号的概率分布密度的差异来确定阈值；选择单元，用于将接收信号转换为频域信号，并在频域上选择其中的所有测距子载波；功率确定单元，用于确定每个测距子载波的功率，并确定所有子载波的平均功率；以及比较确定单元，用于将平均功率与阈值进行比较，并根据比较结果确定在接收信号中是否存在初始接入信号。该装置存在的不足之处是：检测装置利用阈值确定单元确定阈值，需要每隔预定数量的帧发送一空符号，但是预定数量与无线环境有关，且各个测距用户的阈值与测距用户间干扰有关，因此阈值设置的精度不高。

M.Ruan,M.C.Reed,and Z.Shi在文章“Successive Multiuser Detection andInterference Cancelation for Contention Based OFDMA Ranging Channel”（IEEEtransaction on Wireless Communications,2010）中提出一种连续多用户检测和干扰消除的初始测距方法，以提高多用户初始测距性能。该方法的实现步骤是：第1，补偿定时偏移导致的相位旋转，完成测距码频域相关运算；第2，根据最大功率准则和自适应门限，确定有效路径；第3，利用LS准则估计相应有效径的衰落系数；第4，按照检测到的有效径衰落系数估计和定时偏差估计，完成活动测距用户最强径信号重构，然后从原频域测距信号中消除该信号。该方法利用有效路径信号检测和连续干扰消除（SIC），较好地克服的信道频率选择性的影响，在一个测距时隙内同时接入用户较少情况下，能够获得较好的测距性能。该方法存在的不足之处是：随着一个测距时隙内接入用户数增加，残留的多址接入干扰（Multiple Access Interference,MAI）累加及路径差错传播，使检测性能急剧恶化，无法保证大容量的测距用户同时接入。

Lin C.and Su.S.在文章“A Robust Ranging Detection with MAI Cancellationfor OFDMA Systems”（IEEE International Conference on Advanced CommunicationTechnology(ICACT),2011）中提出一种基于干扰消除的多用户初始测距方法。该方法的实现步骤是：第1，补偿定时偏移导致的相位旋转，完成测距码频域相关运算；第2，根据最大相关峰值和自适应门限，确定活动测距用户；第3，估计活动测距用户的信道冲击响应；第4，按照检测到的活动测距用户信道系数估计和定时偏差估计，完成活动测距用户信号重构，然后从原频域测距信号中消除该信号；第5，完成遍历检测参考测距码集，获得活动测距码集及对应的测距参数估计；第6，从原频域测距信号中并行消除其他测距信号，再次完成频域相关峰值检测，去除虚警测距用户。该方法利用串行干扰消除和并行干扰消除的两阶段检测，在一个测距时隙内同时接入用户较少情况下，能够降低虚警测距用户检测和较好的定时偏移估计。但是，该方法仍然存在的不足之处是：多用户测距信号检测首先利用串行干扰消除获得活动测距码集及对应的测距参数估计，但是多用户干扰严重限制了活动测距用户检测，导致测距用户码集和对应的定时偏差估计误差较大，因此检测性能随测距用户数增加而下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，针对IEEE802.16m标准的正交频分多址接入（OFDMA）系统，提供一种初始测距信号处理方法及装置。本发明可以确保获得良好地多用户检测性能和定时偏差估计，提高多用户接入容量和改善测距检测性能。

为实现上述目的，本发明方法的思路是：针对多用户正交频分多址接入（OFDMA）上行链路初始测距的特点，利用基站多天线的空间到达角度（Angleof Arrival,AOA）信息，通过波束成形完成空域滤波，然后在频域对测距码进行相关，获得最强有效路径的信道参数估计值；采用连续干扰消除方法，重构活动测距用户的有效路径上的测距信号，消除其对其他测距信号检测的影响。

本发明多天线初始测距方法的具体步骤如下：

(1)获得测距信号：

1a)对基站接收信号进行快速傅里叶变换处理，获得频域信号；

1b)从频域信号中提取出测距信号；

(2)计算测距信号的频域相关值：

2a)构造P个到达角度，P表示到达角度数目，将每个到达角度的波束成形矢量确定为基站接收天线阵列的导向矢量，获得P个波束成形矢量；

2b)构造每个测距码和定时偏差对应的相位补偿矢量，获得N_c×M_t个相位补偿矢量，N_c表示测距码数目，M_t表示基站可分辨的最大路径数目；

2c)对测距信号进行波束成形和相位补偿操作，获得测距信号的N个频域相关值，N=P×N_c×M_t，N表示频域相关值的数目，P表示到达角度数目，N_c表示测距码数目，M_t表示基站可分辨的最大路径数目；

(3)确定最大功率路径：

对测距信号的N个频域相关值进行比较，获得最大频域相关值，确定最大功率路径表示最大功率路径的测距码序号，表示最大功率路径的定时偏差，表示最大功率路径的到达角；

(4)判断最大功率路径是否为有效路径：

4a)确定自适应门限；

4b)将最大功率路径的频域相关值大于或等于自适应门限的路径确定为有效路径，其余路径确定为非有效路径；

(5)干扰消除操作：

5a)将有效路径的波束成形矢量确定为基站接收天线阵列的导向矢量；

5b)确定有效路径的信道系数；

5c)重构有效路径的测距信号，获得重构测距信号；

5d)用当前的测距信号减去重构测距信号，获得新的测距信号，用新的测距信号替换当前的测距信号，继续执行步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)，直到检测到所有的测距信号；

(6)输出测距信号给基站的后续处理单元。

本发明提供的多天线初始测距装置设置在基站中，包括以下单元：

信号获取单元，用于对基站接收信号进行快速傅里叶变换处理，获得频域信号，并从频域信号中提取出测距信号；

计算单元，用于构造波束成形矢量和相位补偿矢量，利用所构造的波束成形矢量和相位补偿矢量对测距信号进行波束成形操作和相位补偿操作，获得测距信号的频域相关值；

比较单元，用于比较频域相关值的大小，获得最大频域相关值以及最大频域相关值对应的大功率路径；

路径确定单元，用于计算自适应门限，比较最大频域相关值和自适应门限，根据比较结果确定最大功率路径是否为有效路径；

重构单元，用于确定有效路径的波束成形矢量和有效路径的信道系数，利用该波束成形矢量和信道系数重构有效路径上的测距信号，将重构的有效路径上的测距信号发送给消除单元；

消除单元，用于接收来自重构单元的测距信号，用当前测距信号减去来自重构单元的测距信号，获得新的测距信号。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明的方法中采用了波束成形方法，克服了现有技术存在的大量多址接入干扰的问题，使得本发明提高了多用户初始测距性能。

第二，由于本发明的方法中使用了多天线的连续干扰消除方法，克服了现有技术存在的残留累积多址接入干扰的问题，使得本发明大大提高了活动测距用户接入网络容量，适用于大容量小区的上行接入通信链路。

第三，由于本发明装置中的计算单元利用基站多天线得到接收信号的空域信息，克服了现有技术中的装置不能有效利用空域信息的缺点，可以配置在多输入多输出正交频分多址系统的基站中。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明装置的方框图；

图3为采用本发明的方法与现有连续多用户检测技术的正确检测概率的比较曲线示意图；

图4为采用本发明的方法与现有连续多用户检测技术的定时偏差估计精度的比较曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

结合附图1对本发明方法的步骤描述如下：

步骤1，获得测距信号。

对基站接收的时域信号进行快速傅里叶变换处理，获得频域信号，再从频域信号中提取出测距信号。

步骤2，计算测距信号的频域相关值。

按照下式构造P个到达角度：

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{2\mathrm{\πi}}{P}$

其中，θ_i表示第i个到达角度，i表示到达角度序号，P表示到达角度的数目。再将每个到达角度的波束成形矢量确定为基站接收天线阵列的导向矢量，获得P个波束成形矢量。

按照下式构造每个测距码和定时偏差对应的相位补偿矢量：

其中，u表示测距码序号，u=1,...,N_c，N_c表示测距码数目，τ表示定时偏差，τ=0,...,M_t-1，M_t表示基站可分辨的最大路径数目，C_u表示第u个测距码，表示点乘操作，Λ_τ表示相位旋转矩阵。获得N_c×M_t个相位补偿矢量。

将测距信号，波束成形矢量和相位补偿矢量三者相乘，再除以归一化因子，获得测距信号的N个频域相关值，N=P×N_c×M_t，N表示频域相关值的数目，P表示到达角度数目，N_c表示测距码数目，M_t表示基站可分辨的最大路径数目。

步骤3，确定最大功率路径。

对测距信号的N个频域相关值进行比较，获得最大频域相关值，确定最大功率路径表示最大功率路径的测距码序号，表示最大功率路径的定时偏差，表示最大功率路径的到达角。

步骤4，判断最大功率路径是否为有效路径。

按照下式确定自适应门限：

$\mathrm{\λ}=\sqrt{\log \left(M_R{M}_t\right)-\log \left(P_{\mathrm{f\α}}\right)}$

其中，λ表示自适应门限，log表示求对数操作，M_R表示基站端接收天线数目，M_t表示基站可分辨的最大路径数目，P_fα表示测距系统可接受的虚警概率。

将频域相关值大于或等于自适应门限的最大功率路径确定为有效路径，将频域相关值小于自适应门限的最大功率路径确定为非有效路径。

步骤5，干扰消除操作。

将有效路径的波束成形矢量确定为基站接收天线阵列的导向矢量。

按照下式确定有效路径的信道系数：

${\tilde{h}}_v=A_v\mathrm{\η}/N_R/M_R$

其中，表示有效路径的信道系数，v表示干扰消除操作的迭代次数，A_v表示归一化因子，η表示有效路径上的测距信号的频域相关值，N_R表示测距信道的测距子载波数目，M_R表示基站端接收天线数目。

按照下式重构有效路径的测距信号：

$S_v={\tilde{h}}_v{\tilde{w}}_b^H{b}^T$

其中，S_v表示重构的有效路径的测距信号，v表示干扰消除操作的迭代次数，表示有效路径的信道系数，表示有效路径的波束成形矢量，b表示有效路径的相位补偿矢量，上标H表示共轭转置操作，上标T表示转置操作。

用当前的测距信号减去重构的有效路径的测距信号，获得新的测距信号，继续执行步骤2、步骤3、步骤4，直到检测到所有的测距信号；

步骤6，提供检测到的测距信号。

下面结合附图3，附图4对本发明的效果做进一步的阐述。

附图3和附图4的仿真参数为：按照IEEE802.16m标准建立多天线OFDMA初始测距系统，OFDMA系统带宽10MHz，子载波个数1024，循环前缀长度128点，采样频率11.2MHz，载波频率5.3GHz，测距用户的移动速度60km/h。基站接收天线采用均匀分布的圆形阵列天线，阵元间距0.35λ，其中λ表示载波波长。假设小区半径1.5km，最大往返时延112个采样点，备选测距码数目64。自适应门限保证虚警概率维持在10^-3左右。测距用户在小区内均匀分布。

在附图3中，菱形标注的实线代表基站端接收天线数目为8，接入用户数目为10时的正确检测概率曲线，圆形标注的实线代表基站端接收天线数目为8，接入用户数目为20时的正确检测概率曲线，下三角形标注的实线代表基站端接收天线数目为4，接入用户数目为10时的正确检测概率曲线，上三角形标注的实线代表基站端接收天线数目为4，接入用户为20时的正确检测概率曲线，方形标注的实线代表利用连续多用户检测（Successive Multiuser Detection，SMUD）技术得到的正确检测概率曲线。

在附图4中，菱形标注的实线代表基站端接收天线数目为8，接入用户数目为10时的定时偏差估计的标准差曲线，圆形标注的实线代表基站端接收天线数目为8，接入用户数目为20时的定时偏差估计的标准差曲线，下三角形标注的实线代表基站端接收天线数目为4，接入用户数目为10时的定时偏差估计的标准差曲线，上三角形标注的实线代表基站端接收天线数目为4，接入用户数目为20时的定时偏差估计的标准差曲线，方形标注的实线代表利用连续多用户检测（SMUD）技术得到的定时偏差估计的标准差曲线。

如附图3所示，正方形标注的实线的位置远低于其它实线，这说明利用本发明的方法得到的正确检测概率要远高于利用连续多用户检测（SMUD）技术得到的正确检测概率，因此采用本发明技术在一个测距时隙中可容纳的测距用户数目能得到极大提升。另外，菱形标注的实线和圆形标注的实线的位置高于上三角形标注的实线和下三角形标注的实线的位置，这说明在基站端随着接收天线的增加，利用本发明技术得到的正确检测概率会越高。

如附图4所示，正方形标注的实线的位置远高于其它实线，这说明利用本发明技术得到的定时偏差估计的标准差都远小于采用连续多用户检测（SMUD）技术得到的定时偏差估计的标准差。另外，菱形标注的实线和圆形标注的实线的位置低于上三角形标注的实线和下三角形标注的实线的位置，这说明在基站端随着接收天线的增加，利用本发明技术得到的定时偏差的估计性能会越好。

Claims (6)

1.一种多天线初始测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获得测距信号：

1a)对基站接收信号进行快速傅里叶变换处理，获得频域信号；

1b)从频域信号中提取出测距信号；

(2)计算测距信号的频域相关值：

2a)构造P个到达角度，P表示到达角度数目，将每个到达角度的波束成形矢量确定为基站接收天线阵列的导向矢量，获得P个波束成形矢量；

2b)构造每个测距码和定时偏差对应的相位补偿矢量，获得N_c×M_t个相位补偿矢量，N_c表示测距码数目，M_t表示基站可分辨的最大路径数目；

2c)对测距信号进行波束成形和相位补偿操作，获得测距信号的N个频域相关值，N＝P×N_c×M_t，N表示频域相关值的数目；

所述的测距信号的频域相关值通过将测距信号，波束成形矢量和相位补偿矢量相乘，再除以归一化因子得到；

(3)确定最大功率路径：

对测距信号的N个频域相关值进行比较，获得最大频域相关值，确定最大功率路径 表示最大功率路径的测距码序号，表示最大功率路径的定时偏差，表示最大功率路径的到达角；

(4)判断最大功率路径是否为有效路径：

4a)确定自适应门限；

4b)将最大功率路径的频域相关值大于或等于自适应门限的路径确定为有效路径，其余路径确定为非有效路径；

(5)干扰消除操作：

5a)将有效路径的波束成形矢量确定为基站接收天线阵列的导向矢量；

5b)确定有效路径的信道系数；

5c)重构有效路径的测距信号，获得重构测距信号；

所述的有效路径的测距信号按照下式重构：

$S_v={\tilde{h}}_v{\tilde{w}}_v^H{b}^T$

其中，S_v表示重构的有效路径的测距信号，v表示干扰消除操作的迭代次数，表示有效路径的信道系数，表示有效路径的波束成形矢量，b表示有效路径的相位补偿矢量，上标H表示共轭转置操作，上标T表示转置操作；

5d)用当前的测距信号减去重构测距信号，获得新的测距信号，用新的测距信号替换当前的测距信号，继续执行步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)，直到检测到所有的测距信号；

(6)输出测距信号给基站的后续处理单元。

2.根据权利要求1所述的多天线初始测距方法，其特征在于，步骤2a)所述的到达角度按照下式构造：

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{2\mathrm{\π}i}{P}$

其中，θ_i表示第i个到达角度，i表示到达角度序号，P表示到达角度的数目。

3.根据权利要求1所述的多天线初始测距方法，其特征在于，步骤2b)所述的相位补偿矢量按照下式构造：

$b(u,\mathrm{\τ})=C_u\⊗{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{\τ}}$

其中，u表示测距码序号，u＝1,...,N_c，N_c表示测距码数目，τ表示定时偏差，τ＝0,...,M_t-1，M_t表示基站可分辨的最大路径数目，C_u表示第u个测距码，表示点乘操作，Λ_τ表示相位旋转矩阵。

4.根据权利要求1所述的多天线初始测距方法，其特征在于，步骤4a)所述的自适应门限按照下式确定：

$\mathrm{\λ}=\sqrt{log\left(M_R{M}_t\right)-log\left(P_{f\mathrm{\α}}\right)}$

其中，λ表示自适应门限，log表示求对数操作，M_R表示基站端接收天线数目，M_t表示基站可分辨的最大路径数目，P_fα表示测距系统可接受的虚警概率。

5.根据权利要求1所述的多天线初始测距方法，其特征在于，步骤5b)所述的有效路径的信道系数按照下式确定：

${\tilde{h}}_v=A_v\mathrm{\η}/N_R/M_R$

其中，表示有效路径的信道系数，v表示干扰消除操作的迭代次数，A_v表示归一化因子，η表示有效路径上的测距信号的频域相关值，N_R表示测距信道的测距子载波数目，M_R表示基站端接收天线数目。

6.一种多天线初始测距装置，其特征在于，该装置设置在基站中，包括：

信号获取单元，用于对基站接收信号进行快速傅里叶变换处理，获得频域信号，并从频域信号中提取出测距信号；

计算单元，用于构造波束成形矢量和相位补偿矢量，利用所构造的波束成形矢量和相位补偿矢量对测距信号进行波束成形操作和相位补偿操作，获得测距信号的频域相关值；

构造P个到达角度，P表示到达角度数目，将每个到达角度的波束成形矢量确定为基站接收天线阵列的导向矢量，获得P个波束成形矢量；

构造每个测距码和定时偏差对应的相位补偿矢量，获得N_c×M_t个相位补偿矢量，N_c表示测距码数目，M_t表示基站可分辨的最大路径数目；

对测距信号进行波束成形和相位补偿操作，获得测距信号的N个频域相关值，N＝P×N_c×M_t，N表示频域相关值的数目；

其中，所述的测距信号的频域相关值通过将测距信号，波束成形矢量和相位补偿矢量相乘，再除以归一化因子得到；

比较单元，用于比较频域相关值的大小，获得最大频域相关值以及最大频域相关值对应的最大功率路径；

路径确定单元，用于计算自适应门限，比较最大频域相关值和自适应门限，根据比较结果确定最大功率路径是否为有效路径；

重构单元，用于确定有效路径的波束成形矢量和有效路径的信道系数，利用该波束成形矢量和信道系数重构有效路径上的测距信号，将重构的有效路径上的测距信号发送给消除单元；

所述的有效路径的测距信号按照下式重构：

$S_v={\tilde{h}}_v{\tilde{w}}_v^H{b}^T$

其中，S_v表示重构的有效路径的测距信号，v表示干扰消除操作的迭代次数，表示有效路径的信道系数，表示有效路径的波束成形矢量，b表示有效路径的相位补偿矢量，上标H表示共轭转置操作，上标T表示转置操作；

消除单元，用于接收来自重构单元的测距信号，用当前测距信号减去来自重构单元的测距信号，获得新的测距信号，用新的测距信号替换当前的测距信号。