CN107911204A - 一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法，该时分双工通讯系统的每一个帧均包括一个前置的下行帧同步信号、多个下行数据时隙以及多个上行数据时隙；所述下行帧同步信号是广播信号，基站向所有终端发送下行帧同步信号，每个终端接收到下行帧同步信号后，对基站进行时间和频率同步获得每个上行数据时隙的开始和结束时间，同时评估同步信号接收功率P；将终端评估的同步信号接收功率P与帧内所有上行数据时隙的同步信号接收功率范围进行比较，落入上行数据时隙k的同步信号接收功率范围内的所有终端选择上行数据时隙k发送数据。本发明利用较低成本实现了基站和终端的功率控制条件，具有极大推广应用价值。

Description

一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法
技术领域
本发明属于无线通讯领域，涉及一种时分双工无线通讯方法，具体涉及一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法。
背景技术
时分双工(Time Division Duplex，简称“TDD”)是一种移动通信系统的通信方式，这种方式在基站和用户设备之间的收发信息，是以突发脉冲序列的形式，在同一个信道上交替传送，即收发双方轮流发和收，或称“乒乓方式”。这样就可以在一个信道上实现一个双工信道，从而提高频谱利用率，在多天线多用户的时分双工系统中，由于终端分布在不同的位置，它们与基站的距离也不同，为了在基站达到相近的接收功率，终端必须能大幅度调节其发射功率，这个过程称为功率控制，现有功率控制技术需要终端具有大范围功率调节能力，这会显著提高终端成本，因此需要一种简单有效，降低功率控制范围的通讯方法。
此外，对于多用户通信系统，基站需要识别发射终端，并对终端进行信道估计。现有技术要求终端在指定的频率和子信道上发送导频信号和/或同步序列，从而使基站可以快速识别发射终端和进行信道估计。然而，这些方法要求终端和基站具有非常精确的频率同步，并且导致较高的冲突概率。因此，需要一种不限制终端的发送频率和子信道，且能快速识别发射终端和进行信道估计的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效控制终端发射时间和频率的无线通讯系统及方法，因为在时分双工基站通讯中上下行的互易性，终端的同步信号接收功率近似为基站对该终端的信号接收功率。本方法将上行时隙按照同步信号接收功率分类，不同的同步信号接收功率对应不同的上行时隙，使得接收功率相近的终端在同一个时隙发送，这样每个终端只需要实现较小幅度的发射功率调节，从而降低了终端实现成本。此外，终端随机选择频率发送上行数据，基站快速识别发射终端和进行信道估计，并在相同的频率上对该终端发送下行数据。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法，其特征在于：该时分双工通讯系统的每一个帧均包括一个前置的下行帧同步信号、多个下行数据时隙以及多个上行数据时隙；
所述下行帧同步信号是广播信号，基站向所有终端发送下行帧同步信号，每个终端接收到下行帧同步信号后，对基站进行时间和频率同步，同时评估同步信号接收功率P，并通过时间同步，每个终端获得每个上行数据时隙的开始和结束时间，之后按照评估的同步信号接收功率P大小，每个终端都选择一个上行数据时隙k发送数据，k为自然数，具体选择方法如下：
对帧内每个上行数据时隙定义一个同步信号接收功率下限，上行数据时隙k的同步信号接收功率下限记为Γk；
当Γk随着k变大而增大，选择的依据是Γk≤P<Γk+1；
当Γk随着k变大而减小时，P≥Γ1时，选择上行数据时隙1发送数据；P<Γ1时，选择的依据是Γk≤P<Γk-1；
上述Γk对于帧内每个上行数据时隙来说是一个预定的常数，Γk经过仿真或实测所得数据的经统计和优化得到。
作为优选，每个上行数据时隙中，多个终端向基站传输数据包，每个数据包均采用窄带单载波调制方式进行调制；所述终端在上行数据时隙中传输数据的格式为导频信号加上行同步序列再加上编码数据序列，其中导频信号为单频率信号，上行同步序列是一个具有良好自相关特性的序列。
作为优选，所述上行同步序列和编码数据序列都采用MSK、GMSK、OQPSK和π/2-BPSK中的任意一种方法调制。
作为优选，在上行数据时隙和下行数据时隙中基站和终端之间通讯传输的数据包均采用窄带单载波调制方式进行调制，终端随机选择中心频率发射上行数据，并在相同中心频率上接收基站下行数据。
作为优选，所述下行帧同步信号是LoRa信号，LoRa是Semtech公司开发的一种长距离、低功耗、无线传输的物理层技术。
作为优选，基站在上行数据时隙，检测终端发送的导频信号，并根据该导频信号获取终端的子信道中心频率，具体获取方法为：基站对所有天线接收到的导频信号做J点傅里叶变换记为矢量Si，Si代表第i个天线支路的傅里叶变换结果，将每个天线接收的傅里叶变换结果取绝对值再进行平方，之后将所有天线支路的结果相加记为其中，ABS2(Si)表示将Si中的所有元素取绝对值后再平方；然后根据系统设定的门限值，判断出E中的峰值的位置，记为n1,n2…,nK，K为被检测出的峰值个数，每个峰值对应一个发射信号的终端，之后根据下面公式得到各终端的子信道中心频率；fs为系统采样率，得到各个终端的子信道中心频率记为f1,f2…,fK。
作为优选，基站对终端进行信道估计的方法如下：
根据第k个终端对应在E中峰值的位置nk，k＝1,2,…,K，k为自然数，对所有天线支路的傅里叶变换结果：S1,S2,…SM，取第nk个元素，并合并为矢量hk，即为终端k对基站各天线的信道响应，hk维度为：M行，1列，M为基站接收天线数，表示矢量Si的第nk个元素。
作为优选，基站对终端进行波束成形接收过程中，根据此终端的信道响应采用共轭、迫零或者最小均方误差方法进行波束赋形。
作为优选，每个下行数据时隙中，基站向多个终端传输数据包，每个数据包采用窄带单载波调制方式进行调制，占用的带宽为C，称为子信道，子信道的中心频率为该终端最近一次上行发射时所采用子信道中心频率，基站通过子信道中心频率区分对多个终端的发射信号，减少信号之间的干扰；在每个下行数据时隙中，基站发送的数据包由下行同步序列和编码数据序列组成，下行同步序列是一个具有良好自相关特性的序列，调制在相应终端的子信道中心频率上。
作为优选，在下行数据时隙中，基站采用波束成形的方法区分发送给多个终端的发射信号，来减少信号之间的干扰。
本发明的有益效果是：
本方法将上行时隙按照同步信号接收功率分类，不同的同步信号接收功率对应不同的上行时隙，使得接收功率相近的终端在同一个时隙发送，这样每个终端只需要实现较小幅度的发射功率调节，从而降低了终端实现成本。
本发明采用对功率分类的方法，在降低终端成本的同时，用一种较为简单的控制方法来实现了功率控制。
终端随机选择中心频率发射上行数据，并在相同频率上接收基站下行数据，这一方法有效降低了终端的复杂度和成本：1)终端不需要精确选择中心频率，避免了在终端一侧的复杂的频率校准过程；2)终端在上行和下行过程中保持中心频率不变，同时采用窄带单载波调制方式，使终端电路设计能够大幅度简化，降低实现成本；3)终端随机选择中心频率，使多个终端的导频发送碰撞(两个终端选择了同一中心频率)的概率大幅度降低，其中导频信号为单频率信号，有利于基站检测终端，避免导频碰撞导致终端发送失败，这也有助于提高终端发送的可靠性；4)终端的检测和信道估计都采用傅里叶变换实现，可以采用快速傅里叶变换(FFT)算法快速计算。
附图说明
图1为本发明帧结构示意图。
图2为终端上行数据格式示意图。
图3为下行数据格式示意图。
图4为卷积码编码器示意图。
图5为π/2-BPSK信号实部和虚部示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行举例说明。
一、帧结构
如图1所示，每个帧(物理帧)包含了一个前置的下行帧同步信号，若干个下行数据时隙，若干个上行数据时隙，下行基站向终端发射信号，上行反之。
二、信号收发方法
1、终端接收下行帧同步信号
下行帧同步信号是广播信号，向所有终端发送。终端接收到下行帧同步信号后，对基站进行时间和频率同步(校正自身的时间和频率，与基站保持一致)，同时评估同步信号接收功率P。通过时间同步，终端获得每个上行数据时隙的开始和结束时间。
2、终端发送上行数据
首先对帧内所有上行数据时隙定义一个同步信号接收功率范围，将终端评估的同步信号接收功率P与帧内所有上行数据时隙的同步信号接收功率范围进行比较，落入上行数据时隙k的同步信号接收功率范围内的所有终端选择上行数据时隙k发送数据，k为自然数，终端评估的同步信号接收功率P与上行数据时隙的同步信号接收功率范围进行比较具体方法如下：
对帧内每个上行数据时隙定义一个同步信号接收功率下限，上行数据时隙k的同步信号接收功率下限记为Γk，每个终端都选择一个上行数据时隙k发送数据；
当Γk随着k变大而增大，选择的依据是Γk≤P<Γk+1；
当Γk随着k变大而减小时，P≥Γ1时，选择上行数据时隙1发送数据；P<Γ1时，选择的依据是Γk≤P<Γk-1。
根据同步信号接收功率来选择上行时隙，这一方法降低了对终端发射功率控制的要求，可以简化终端的设计和实现成本。解释如下：基站同时接收来自多个终端的信号，要求这些接收信号具有相近的功率。由于终端分布在不同的位置，它们与基站的距离也不同，为了达到相近的功率，终端必须能大范围调节其发射功率，这个过程称为功率控制，实现这种大范围功率调节能力会显著提高终端成本。因为上下行的互易性，终端的同步信号接收功率近似为基站对该终端的信号接收功率。本方法将上行时隙按照同步信号接收功率分类，对不同同步信号接收功率的终端选择不同的上行时隙发送数据，使得同步信号接收功率相近的终端在同一个上行时隙发送数据，这样所有终端只需要在较小范围内调节发送功率，即可满足基站与多用户终端通讯的要求，从而降低了基站与终端通讯的实现成本。
每个上行数据时隙中，多个终端向基站传输数据包。每个数据包采用窄带单载波调制方式进行调制，占用的带宽为C，称为子信道，C<B，其中B是整个信道的带宽。终端在信道带宽B内随机选择子信道中心频率f，将数据用窄带单载波调制方式调制到该中心频率上进行传输。如图2所示，发送的信号，即终端上行数据信号包括导频、上行同步序列和编码数据序列。其中导频是一个幅度恒定，频率为子信道中心频率f的固定单频率信号；上行同步序列是一个具有良好自相关特性的序列，调制在子信道中心频率f上。终端发送完毕后，转为接收模式，在相同的中心频率f和子信道上等待基站的响应。
上行数据信号的产生如下：
1)16比特CRC校验编码：
对待发送的数据序列(0、1比特序列)，进行16比特CRC校验编码，并将校验码补充在数据序列的末尾，例：生成CRC校验码的多项式参数为0X8005。
2)卷积编码和交织：
对增加了CRC校验码的数据序列进行卷积编码和交织，得到编码数据序列。
卷积编码的例子：采用(3,1,5)卷积编码器，该编码器每输入一个比特，输出三个编码比特，编码器参数为[25 33 37]，卷积码编码器结构如图4所示；
交织的例子：分块交织；
3)添加上行同步序列，并π/2-BPSK调制：
将上行同步序列添加到编码数据序列之前，将序列中的0、1比特转换为1、-1，称为码元，一个比特转化为一个码元，然后进行π/2-BPSK调制，π/2-BPSK信号实部和虚部示意图如图5所示。
调制后的信号为：
S(t)＝I(t)cos(wt)+Q(t)sin(wt)
其中：
I(t)＝A1g(t-T)+A3g(t-3T)+A5g(t-5T)……
Q(t)＝A2g(t-2T)+A4g(t-4T)+A6g(t-6T)……
I(t)和Q(t)分别表示同向和正交两路信号，A1，A3，A5…为同向支路上的码元，A2，A4，A6…为正交支路上的码元。cos(wt)和sin(wt)分别表示同向和正交两路载波，t表示时间，w表示代表同向和正交两路载波的角频率。T等于一个比特周期(也是码元周期)。g(t)代表的码元波形。
4)添加导频信号
在调制信号前添加导频信号，形成待发送的上行数据信号，其中导频信号为单频率信号。
3、基站接收上行数据
1)获取终端子信道中心频率
基站在上行数据时隙，检测终端发送的导频信号，并根据该导频信号获取终端的子信道中心频率。基站对所有接收天线收到的导频信号做J点FFT(傅里叶变换)，即提取J个采样点的导频信号，然后作FFT，J是FFT的长度，结果记为：S1,S2,…SM，矢量Si代表第i个天线支路的FFT结果，该矢量的维度为：1行，J列，M代表基站天线数。将S1,S2,…SM的每个元素取绝对值，然后再对每个绝对值进行平方，并将所有天线支路的结果相加记为矢量维度为：1行，J列，其中，ABS2(Si)表示将Si中的所有元素取绝对值后再平方。根据系统设定的门限值，判断出E中的峰值的位置，记为n1,n2…,nK，K为被检测出的峰值个数，每个峰值对应一个发射信号的终端。根据：
fs为系统采样率，得到各个终端的子信道中心频率记为f1,f2…,fK。
2)信道估计
然后，基站对终端进行信道估计。根据第k个终端对应在E中峰值的位置nk，k＝1,2,…,K，对所有天线支路的FFT结果：S1,S2,…SM，取第nk个元素，并合并为矢量hk，即为终端k对基站各天线的信道响应，hk维度为：M行，1列，M为基站接收天线数，(Si)nk表示矢量Si的第nk个元素。
3)波束成形接收
基站对终端进行波束成形接收，合并多个天线的信号成为一路信号。对第k个终端，根据此终端的信道响应hk，得到权值矢量wk，维度为：1行，M列，M为基站接收天线数。对第k个终端进行波束成形接收，得到第j个采样点的结果为：xk(j)＝wky(j)，y(j)是基站各天线接收到的第j个采样点的结果，y(j)的维度为M行，1列。
常见的波束成形方法比如MF(共轭)和ZF(迫零)对应的wk如下：
MF方法：wk＝hk H，其中上标H代表矩阵/矢量的共轭转置。
ZF方法：G＝(HHH)-1HH，H代表第k个终端所在子信道内所有终端的信道响应矩阵。
4)信道化：
基站根据各个终端的子信道中心频率，f1,f2…,fK，对各终端波束成形后的信号，xk(j)，进行带通滤波和下变频，得到接收的基带信号，记为zk(j)。
5)数据恢复
然后，在基带信号序列zk(j)，j＝1,2,3…，中搜索上行同步序列，实现与终端的时间同步，最后恢复终端发送的数据。恢复数据的过程是发送数据的逆过程，包括解调、解交织、解码和CRC校验等步骤。
4、基站发送下行数据
每个下行数据时隙中，基站向多个终端传输数据包。每个数据包采用窄带单载波调制方式进行调制，占用的带宽为C，称为子信道。子信道的中心频率为该终端最近一次上行发射时所采用子信道中心频率。除了从子信道中心频率区分对多个终端的发射信号之外，基站还采用波束成形的方法区分发送给多个终端的信号，减少这些信号之间的干扰。发送的信号包括下行同步序列和编码数据序列。下行同步序列是一个具有良好自相关特性的序列，调制在终端的子信道中心频率上。
终端随机选择中心频率发射上行数据，并在相同频率上接收基站下行数据，这一方法有效降低了终端的复杂度和成本：1)终端不需要精确选择中心频率，避免了在终端一侧的复杂的频率校准过程；2)终端在上行和下行过程中保持中心频率不变，同时采用窄带单载波调制方式，使终端电路设计能够大幅度简化，降低实现成本；3)终端随机选择中心频率，使多个终端的导频发送碰撞(两个终端选择了同一中心频率)的概率大幅度降低，其中导频信号为单频率信号，有利于基站检测终端，避免导频碰撞导致终端发送失败，这也有助于提高终端发送的可靠性；4)终端的检测和信道估计都采用傅里叶变换实现，可以采用快速傅里叶变换(FFT)算法快速计算。
下行数据格式如下如图3所示。
下行数据信号的产生：
1)16比特CRC校验编码：
对待发送的数据序列(0、1比特序列)，进行16比特CRC校验编码，并将校验码补充在数据序列的末尾。
2)卷积编码和交织：
对增加了CRC校验码的数据序列进行卷积编码和交织，得到编码数据序列。
交织的例子：分块交织；3)添加下行同步序列，并π/2-BPSK调制：
将下行同步序列添加到编码数据序列之前，将序列中的0、1比特转换为1、-1，称为码元，一个比特转化为一个码元，然后进行π/2-BPSK调制。
4)下行波束形成和发送
基站待发送给第k个终端的信号的第个j采样点为qk(j)。下行波束成型将qk(j)乘以第k个终端对应权值矢量wk T，其中上标T表示矩阵/矢量的转置，获得wk Tqk(j)，维度为M行，1列。然后基站将wk Tqk(j)的第一行到最后一行数据对应到基站的第一根到最后一根天线上发送。
5、一些变形
上述下行帧同步信号是LoRa信号。
上述窄带单载波调制是MSK、GMSK、OQPSK或π/2-BPSK。

Claims (10)

1.一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法，其特征在于：该时分双工通讯系统的每一个帧均包括一个前置的下行帧同步信号、多个下行数据时隙以及多个上行数据时隙；
所述下行帧同步信号是广播信号，基站向所有终端发送下行帧同步信号，每个终端接收到下行帧同步信号后，对基站进行时间和频率同步，同时评估同步信号接收功率P，并通过时间同步，每个终端获得每个上行数据时隙的开始和结束时间，之后按照评估的同步信号接收功率P大小，每个终端都选择一个上行数据时隙k发送数据，k为自然数，具体选择方法如下：
对帧内每个上行数据时隙定义一个同步信号接收功率下限，上行数据时隙k的同步信号接收功率下限记为Γk；
当Γk随着k变大而增大，选择的依据是Γk≤P<Γk+1；
当Γk随着k变大而减小时，P≥Γ1时，选择上行数据时隙1发送数据；P<Γ1时，选择的依据是Γk≤P<Γk-1；
上述Γk对于帧内每个上行数据时隙来说是一个预定的常数，Γk经过仿真或实测所得数据的经统计和优化得到。
2.如权利要求1所述的一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法，其特征在于：每个上行数据时隙中，多个终端向基站传输数据包，每个数据包均采用窄带单载波调制方式进行调制；所述终端在上行数据时隙中传输数据的格式为导频信号加上行同步序列再加上编码数据序列，其中导频信号为单频率信号，上行同步序列是一个具有良好自相关特性的序列。
3.如权利要求2所述的一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法，其特征在于：所述上行同步序列和编码数据序列都采用MSK、GMSK、OQPSK和π/2-BPSK中的任意一种方法调制。
4.如权利要求1所述的一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法，其特征在于：在上行数据时隙和下行数据时隙中基站和终端之间通讯传输的数据包均采用窄带单载波调制方式进行调制，终端随机选择中心频率发射上行数据，并在相同中心频率上接收基站下行数据。
5.如权利要求1所述的一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法，其特征在于：所述下行帧同步信号是LoRa信号。
6.如权利要求2所述的一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法，其特征在于：基站在上行数据时隙，检测终端发送的导频信号，并根据该导频信号获取终端的子信道中心频率，具体获取方法为：基站对所有天线接收到的导频信号做J点傅里叶变换记为矢量Si，Si代表第i个天线支路的傅里叶变换结果，将每个天线接收的傅里叶变换结果取绝对值再进行平方，之后将所有天线支路的结果相加记为其中，ABS2(Si)表示将Si中的所有元素取绝对值后再平方；然后根据系统设定的门限值，判断出E中的峰值的位置，记为n1,n2…,nK，K为被检测出的峰值个数，每个峰值对应一个发射信号的终端，之后根据下面公式得到各终端的子信道中心频率；fs为系统采样率，得到各个终端的子信道中心频率记为f1,f2…,fK。
7.如权利要求6所述的一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法，其特征在于：基站对终端进行信道估计的方法如下：
根据第k个终端对应在E中峰值的位置nk，k＝1,2,…,K，k为自然数，对所有天线支路的傅里叶变换结果：S1,S2,…SM，取第nk个元素，并合并为矢量hk，即为终端k对基站各天线的信道响应，hk维度为：M行，1列，M为基站接收天线数，表示矢量Si的第nk个元素。
8.如权利要求7所述的一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法，其特征在于：基站对终端进行波束成形接收过程中，根据此终端的信道响应采用共轭、迫零或者最小均方误差方法进行波束赋形。
9.如权利要求8所述的一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法，其特征在于：每个下行数据时隙中，基站向多个终端传输数据包，每个数据包采用窄带单载波调制方式进行调制，占用的带宽为C，称为子信道，子信道的中心频率为该终端最近一次上行发射时所采用子信道中心频率，基站通过子信道中心频率区分对多个终端的发射信号，减少信号之间的干扰；在每个下行数据时隙中，基站发送的数据包由下行同步序列和编码数据序列组成，下行同步序列是一个具有良好自相关特性的序列，调制在相应终端的子信道中心频率上。
10.如权利要求9所述的一种多天线多用户时分双工通讯系统的信号传输方法，其特征在于：在下行数据时隙中，基站采用波束成形的方法区分发送给多个终端的发射信号，来减少信号之间的干扰。
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