CN110995627A - 一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法 - Google Patents

一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法 Download PDF

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Abstract

一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，包括如下步骤：步骤1：基站向移动台发送导频序列，移动台估计出不同天线接收信号的到达时间差TDOA初值；步骤2：基站利用移动台反馈的TDOA时延因子
Figure DDA0002263738370000011
构造正交恢复预编码矩阵；步骤3：移动台利用估计得到的TDOA时延因子
Figure DDA0002263738370000012
构成迟早环，迟早环跟踪范围为
Figure DDA0002263738370000013
通过迟早环构造
Figure DDA0002263738370000014
个解码矩阵分别对接收信号进行
Figure DDA0002263738370000015
次解码；步骤4：估计迟早环中不同时延因子构成的解码矩阵对应的解码结果的信噪比，取这些估计信噪比中取值最大的SNR，利用其对应迟早环中的TDOA时延因子
Figure DDA0002263738370000016
来更新TDOA时延因子
Figure DDA0002263738370000017
的取值，将修正后的TDOA时延因子
Figure DDA0002263738370000018
通过上行信道反馈给基站；步骤5：基站根据修正后的TDOA时延因子
Figure DDA0002263738370000019
构造相应的正交恢复预编码矩阵。

Description

一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法
技术领域
本发明属于高速移动环境下接收系统技术领域，涉及一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法。
背景技术
近年来，高速列车(High Speed Train，HST)，车联网(Vehicle to X，V2X)以及空中交通管理(Air Tracffic Management，ATM)飞速发展，尤其是铁路的高速运行极大的方便了人们的出行，大大缩短了列车的运行时间，目前的高速铁路可达350km/h，未来5年内可达到600km/h甚至更高。列车时速的不断提升为人们带来便利的同时也对高速铁路移动通信系统提出了越来越高的要求。铁路通信业务网络、铁路移动通信网络以及基础网络是构成铁路通信网络的主要部分，可以使图像、语音以及数据传输的需求得到满足，为铁路指挥的统一性与运输生产奠定一定基础。铁路专用数据通信、电报网以及专用电话和调度通信是铁路的主要通信业务。用户对移动通信高速率传输、数据业务需求的日益增加，数据传输速率低、频率资源短缺、掉话率高等成为高速铁路通信中的重要问题。高速移动环境下，无线传播信道具有快速衰落、多普勒效应严重等特点，这使得用户接收端链路性能下降，采用协作通信技术和多个远程无线单元/路边单元的网络部署方案，以此来获得更高的分集增益和有效地减少HST/V2X中的切换发送频率。
对于高速移动场景下，时变信道衰落是影响通信系统性能的最严重问题之一，使用空间分集技术可以有效地提高传输性能。对于具有多天线的空间分集，空频块编码(Space Frequency Block Coding，SFBC)通常与正交频分复用技术(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)结合使用，由于其高频谱效率和抗多径衰落信道的特性，已被广泛用于高速移动通信。为了减少通信小区间切换所带来的巨大开销，通常会在同一逻辑单元内布置多个中转基站。这种网络布置方案意味着移动端会收到多个来自不同中转基站的相同信号，这就导致了信号到达时间差(the Time Difference ofArrival，TDOA)。TDOA会造成严重的波间干扰(Inter-Carrier Interference,ICI)和码间干扰(Inter-Symbol Interference,ISI)，从而造成系统无法完全获得空频编码所带来的分集增益。针对上述问题，发送端可采用一种新的正交恢复空频编码方案，利用TDOA参数计算发射端预编码矩阵的相位旋转因子，实现了对频域内等效信道矩阵的正交恢复，尽管信道矩阵存在非正交性，但系统能获得完全的分集增益。因此，TDOA参数的估计成为此方案的关键。其中有一些比较好的方法，例如基于preamble的定时同步估计，其对于TDOA参数的估计比较准确，但由于需要周期性地发送preamble序列，在一定程度上降低系统的频谱利用率和数据传输效率。为了降低系统开销，提高频谱利用率和数据传输效率，采用一种有效且开销低的方法对TDOA参数进行估计和跟踪尤为重要。
发明内容
本发明提供了一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，在较低的系统开销前提下对到达时间差进行了有效地跟踪，获得了较好的系统性能。
本发明采用的技术方案是：
一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，包括如下步骤：
步骤1：基站向移动台发送导频序列，移动台估计出不同天线接收信号的到达时间差TDOA初值；
步骤2：基站利用移动台反馈的TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000021
构造正交恢复预编码矩阵，对其中元素进行相应的相位旋转，用于补偿时延造成的正交编码信号的非正交性；
步骤3：移动台利用估计得到的TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000031
构成迟早环，迟早环跟踪范围为
Figure BDA0002263738350000032
通过迟早环构造
Figure BDA0002263738350000033
个解码矩阵分别对接收信号进行
Figure BDA0002263738350000034
次解码，其中α为跟踪分辨率，p为不大于1的数值；
步骤4：估计迟早环中不同时延因子构成的解码矩阵对应的解码结果的信噪比，取这些估计信噪比中取值最大的SNR，利用其对应迟早环中的TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000035
来更新TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000036
的取值，将修正后的TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000037
通过上行信道反馈给基站；
步骤5：基站根据修正后的TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000038
构造相应的正交恢复预编码矩阵，对预编码矩阵中的元素进行相位旋转。
进一步，所述移动台设有2天线，步骤1中到达时间差TDOA初值的获得如下：
Figure BDA0002263738350000039
Figure BDA00022637383500000310
Figure BDA00022637383500000311
其中xp1，xp2为本地参考信号序列，Y为接收信号序列，rf，rs为接收信号与两个本地参考信号的互相关序列，argmax(*)为序列最大值的位置，N0为导频序列的总长度，
Figure BDA00022637383500000312
为估计的到达时间差TDOA时延因子。
进一步，步骤2中利用估计的TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000041
对发送信号进行如下预编码
Figure BDA0002263738350000042
其中矩阵的行表示不同的子载波，列表示不同的天线，X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭，X0和X1分别表示参与空频编码的频域上相邻的第1个和第2个子载波上的调制信号，j为虚数单位，
Figure BDA0002263738350000043
为估计的到达时间差TDOA时延因子，N为子载波数。
进一步，步骤3中的解码矩阵为
Figure BDA0002263738350000044
其中hk为第k个子载波上的信道脉冲响应，迟早环TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000045
n的取值范围为
Figure BDA0002263738350000046
进一步，步骤3中的解码过程如下：
使用信道脉冲响应的共轭对接收信号进行解码，即
Figure BDA0002263738350000047
Yk为第k个子载波上的接收信号，
Figure BDA0002263738350000048
为第k个载波上的估计信号。
进一步，当p＝1，α＝1时，迟早环
Figure BDA0002263738350000049
取值为
Figure BDA00022637383500000410
Δτ为步长，其中Δτ＝1。
进一步，步骤4中迟早环中不同时延因子构成的解码矩阵对应的解码结果的信噪比的估计如下：
Figure BDA0002263738350000051
Figure BDA0002263738350000052
Figure BDA0002263738350000053
其中：
Figure BDA0002263738350000054
为解码后的接收信号，
Figure BDA0002263738350000055
为解码后接收信号的二阶矩和四阶矩，
Figure BDA0002263738350000056
为估计的信噪比。
进一步，步骤4中迟早环中3个时延因子
Figure BDA0002263738350000057
构成的解码矩阵对应的解码结果的三个信噪比分别为
Figure BDA0002263738350000058
Figure BDA0002263738350000059
其中
Figure BDA00022637383500000510
为修正后的TDOA时延因子。
进一步，步骤5中根据修正后的TDOA时延因子
Figure BDA00022637383500000511
构造相应的正交恢复预编码矩阵如下：
Figure BDA00022637383500000512
其中矩阵的行表示不同的子载波，列表示不同的天线，X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭，j为虚数单位，
Figure BDA00022637383500000513
为修正的TDOA时延因子。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用导频序列对到达时延进行估计，并利用估计时延对预编码矩阵中的元素进行不同程度的相位旋转，用于补偿时延造成的信道非正交性。
(2)在接收端利用信号三次解码后的信噪比，根据信噪比的大小比较，对TDOA时延因子τ进行跟踪和修正，提高了系统信噪比、误码率并且节省了系统开销。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
专业术语解释
导频序列：是一个固定的频率上一直发送的已知信号，用于信道估计和同步。
迟早环：是一种用于跟踪当前帧时延相比前一帧时延变化趋势的时延跟踪环。
参见图1，本实施例提供了一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，以两天线空频编码为例，包括如下步骤：
步骤1：基站向移动台发送导频序列，移动台估计出不同天线接收信号的到达时间差TDOA初值，即
Figure BDA0002263738350000071
Figure BDA0002263738350000072
Figure BDA0002263738350000073
其中xp1，xp2为本地参考信号序列，Y为接收信号序列，rf，rs为接收信号与两个本地参考信号的互相关序列，argmax(*)为序列最大值的位置，N0为导频序列的总长度，
Figure BDA0002263738350000074
为估计的到达时间差TDOA时延因子。
步骤2：基站利用移动台反馈的TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000075
构造正交恢复预编码矩阵，对其中元素进行相应的相位旋转，用于补偿时延造成的正交编码信号的非正交性，利用估计的TDOA时延因子对发送信号进行如下预编码
Figure BDA0002263738350000076
其中矩阵的行表示不同的子载波，列表示不同的天线，X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭，X0和X1分别表示参与空频编码的频域上相邻的第1个和第2个子载波上的调制信号，j为虚数单位，
Figure BDA0002263738350000077
为估计的到达时间差，N为子载波数。
步骤3：移动台利用估计得到的TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000078
构成迟早环，迟早环跟踪范围为
Figure BDA0002263738350000079
跟踪分辨率为α(其中p≤1，α≤1)，通过迟早环构造
Figure BDA00022637383500000710
个解码矩阵分别对接收信号进行
Figure BDA00022637383500000711
次解码，迟早环TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000081
n的取值范围为
Figure BDA0002263738350000082
解码矩阵为
Figure BDA0002263738350000083
其中hk为第k个子载波上的信道脉冲响应。由于预编码补偿了时延，恢复了信道之间的正交性，从而本方法可以直接使用信道脉冲响应的共轭对接收信号进行解码，即
Figure BDA00022637383500000813
Yk为第k个子载波上的接收信号，
Figure BDA0002263738350000084
为第k个载波上的估计信号，以p＝1，α＝1时为例，迟早环
Figure BDA00022637383500000814
取值为
Figure BDA0002263738350000086
其中Δτ＝1。
步骤4：估计迟早环中不同时延因子构成的解码矩阵对应的解码结果的信噪比，取这些估计信噪比中取值最大的SNR，利用其对应迟早环中的TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000087
来更新TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000088
的取值，将修正后的TDOA时延因子
Figure BDA0002263738350000089
通过上行信道反馈给基站，算法如下：
Figure BDA00022637383500000810
Figure BDA00022637383500000811
Figure BDA00022637383500000812
其中：
Figure BDA0002263738350000091
为解码后的接收信号，
Figure BDA0002263738350000092
为解码后接收信号的二阶矩和四阶矩，
Figure BDA0002263738350000093
为估计的信噪比。
当p＝1，α＝1时，通过三次解码结果得到的三个信噪比分别为
Figure BDA0002263738350000094
Figure BDA0002263738350000095
对应迟早环中的时延因子
Figure BDA0002263738350000096
分别为
Figure BDA0002263738350000097
通过比较三个信噪比的大小，取三个估计信噪比中值最大的SNR，其对应迟早环
Figure BDA0002263738350000098
中的时延因子即为TDOA时延因子的更新值，即
Figure BDA0002263738350000099
其中
Figure BDA00022637383500000910
为修正后的TDOA时延因子，Δτ为步长。
步骤5：基站根据修正后的TDOA时延因子
Figure BDA00022637383500000911
构造相应的正交恢复预编码矩阵，对预编码矩阵中的元素进行相位旋转；其中相应的正交恢复预编码矩阵如下：
Figure BDA00022637383500000912
其中矩阵的行表示不同的子载波，列表示不同的天线，X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭，j为虚数单位，
Figure BDA00022637383500000913
为修正的TDOA时延因子。
本发明利用导频序列对到达时延进行估计，并利用估计时延对预编码矩阵中的元素进行不同程度的相位旋转，用于补偿时延造成的信道非正交性。在接收端利用信号三次解码后的信噪比，根据信噪比的大小比较，对TDOA时延因子τ进行跟踪和修正，提高了系统信噪比、误码率并且节省了系统开销。

Claims (9)

1.一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，包括如下步骤：
步骤1：基站向移动台发送导频序列，移动台估计出不同天线接收信号的到达时间差TDOA初值；
步骤2：基站利用移动台反馈的TDOA时延因子
Figure FDA0002263738340000011
构造正交恢复预编码矩阵，对其中元素进行相应的相位旋转，用于补偿时延造成的正交编码信号的非正交性；
步骤3：移动台利用估计得到的TDOA时延因子
Figure FDA0002263738340000012
构成迟早环，迟早环跟踪范围为
Figure FDA0002263738340000013
通过迟早环构造
Figure FDA0002263738340000014
个解码矩阵分别对接收信号进行
Figure FDA0002263738340000015
次解码，其中α为跟踪分辨率，p为不大于1的数值；
步骤4：估计迟早环中不同时延因子构成的解码矩阵对应的解码结果的信噪比，取这些估计信噪比中取值最大的SNR，利用其对应迟早环中的TDOA时延因子
Figure FDA0002263738340000016
来更新TDOA时延因子
Figure FDA0002263738340000017
的取值，将修正后的TDOA时延因子
Figure FDA0002263738340000018
通过上行信道反馈给基站；
步骤5：基站根据修正后的TDOA时延因子
Figure FDA0002263738340000019
构造相应的正交恢复预编码矩阵，对预编码矩阵中的元素进行相位旋转。
2.如权利要求1所述的一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，其特征在于：所述移动台设有2天线，步骤1中到达时间差TDOA初值的获得如下：
Figure FDA00022637383400000110
Figure FDA00022637383400000111
Figure FDA00022637383400000112
其中xp1，xp2为本地参考信号序列，Y为接收信号序列，rf，rs为接收信号与两个本地参考信号的互相关序列，argmax(*)为序列最大值的位置，N0为导频序列的总长度，
Figure FDA0002263738340000021
为估计的到达时间差TDOA时延因子。
3.如权利要求2所述的一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，其特征在于：步骤2中利用估计的TDOA时延因子
Figure FDA0002263738340000022
对发送信号进行如下预编码
Figure FDA0002263738340000023
其中矩阵的行表示不同的子载波，列表示不同的天线，X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭，X0和X1分别表示参与空频编码的频域上相邻的第1个和第2个子载波上的调制信号，j为虚数单位，
Figure FDA0002263738340000024
为估计的到达时间差TDOA时延因子，N为子载波数。
4.如权利要求3所述的一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，其特征在于：步骤3中的解码矩阵为
Figure FDA0002263738340000025
其中hk为第k个子载波上的信道脉冲响应，迟早环TDOA时延因子
Figure FDA0002263738340000026
n的取值范围为
Figure FDA0002263738340000027
5.如权利要求4所述的一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，其特征在于：步骤3中的解码过程如下：
使用信道脉冲响应的共轭对接收信号进行解码，即
Figure FDA0002263738340000031
Yk为第k个子载波上的接收信号，
Figure FDA0002263738340000032
为第k个载波上的估计信号。
6.如权利要求5所述的一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，其特征在于：当p＝1，α＝1时，迟早环
Figure FDA0002263738340000033
取值为
Figure FDA0002263738340000034
Δτ为步长，其中Δτ＝1。
7.如权利要求6所述的一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，其特征在于：步骤4中迟早环中不同时延因子构成的解码矩阵对应的解码结果的信噪比的估计如下：
Figure FDA0002263738340000035
Figure FDA0002263738340000036
Figure FDA0002263738340000037
其中：
Figure FDA0002263738340000038
为解码后的接收信号，
Figure FDA0002263738340000039
为解码后接收信号的二阶矩和四阶矩，
Figure FDA00022637383400000310
为估计的信噪比。
8.如权利要求7所述的一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，其特征在于：步骤4中迟早环中3个时延因子
Figure FDA00022637383400000311
构成的解码矩阵对应的解码结果的三个信噪比分别为
Figure FDA00022637383400000312
Figure FDA00022637383400000313
其中
Figure FDA00022637383400000314
为修正后的TDOA时延因子。
9.如权利要求8所述的一种基于迟早环的到达时间差跟踪方法，其特征在于：步骤5中根据修正后的TDOA时延因子
Figure FDA0002263738340000041
构造相应的正交恢复预编码矩阵如下：
Figure FDA0002263738340000042
其中矩阵的行表示不同的子载波，列表示不同的天线，X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭，j为虚数单位，
Figure FDA0002263738340000043
为修正的TDOA时延因子。
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