CN111163028B - 一种基于基带复信号相角的tdoa跟踪方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法，包括：S11.接收基站发送的导频序列，并计算出不同天线接收信号的到达时间差TDOA的初值；S12.接收基站发送的帧信号，并在预设范围内选择数个到达时间差TDOA的时延因子，根据选取的时延因子对接收到帧信号进行解码，得到数个帧信号的解码结果；S13.计算解码后的数个帧信号的实部能量均值与虚部能量均值的比值，并选取所有比值中的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，将选取的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子反馈至基站；S14.基站接收到所述最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，构造与接收到的到达时间差TDOA的时延因子相对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。

Description

一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法及系统。
背景技术
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是当前包括5G在内的宽带无线通信系统广泛采用的一种高速传输技术。技术核心是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。在OFDM系统中，准确的同步非常关键，是保证其正常通信并获得较好性能的前提。OFDM系统中的同步包括定时同步和载波频率同步。其中，符号定时同步的目的是对数据帧进行检测，并找到接收信号中有效信号准确的起始位置即FFT窗的定位，而错误的定位会导致符号间干扰(ISI)，严重影响系统的性能；载波频率同步的目的是对接收信号进行频偏估计和纠正，使收发两端载波频率保持一致，避免出现子载波间干扰(ICI)。符号定时同步由于进行复数相关运算，运算量大，且实时性要求非常高，在系统资源消耗中占据了较大比重。同时，随着系统带宽的增加，系统采样率不断提高，符号定时同步的运算量成倍增长，使其日益成为硬件实现的瓶颈。因此，如何简化定时同步算法，优化设计结构，降低硬件实现复杂度和资源消耗，是近年来工程实现领域研究的热点。
现有OFDM系统符号定时同步方法是基于训练序列的符号定时同步算法，是在发送端发送数据已知的特殊训练序列，接收到完整的训练符号来进行符号定时同步的算法。如公开号为CN105024966A的专利公开了OFDM系统的符号定时同步方法，其实现步骤为：1、生成训练序列，并将训练序列插入到负载数据包前；2、在接收端，计算滑动窗口起始位置时刻的定时偏移估计函数值；3、在任意时刻，对该时刻之前M个时刻的定时偏移估计函数取平均；4、确定定时偏移估计函数均值的加权系数；5、根据获取的定时偏移估计函数均值和加权系数计算动态门限；6、比较定时偏移估计函数值与动态门限值，直至检测出当前负载数据包的理想定时位置，按此机制持续工作以获得以后每个数据包的理想定时位置。该方法依然是基于特殊训练序列的符号定时同步，其仅适用于分组通信或突发通信系统，并不适用高速移动场景下。
然而，近年来正交恢复空频编码方案(Orthogonality recovering space-frequency block coding，OR-SFBC)被提出适用于高速移动场景下，其利用到达时间差(TDOA)补偿了信道非正交性，大幅度提高了分集增益。但是采用正交恢复空频编码方案对定时同步或跟踪的精度提出了较高的要求，因此需要一种基于较少数据辅助或无数据辅助的方法对TDOA进行定时同步估计。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法及系统。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法，包括步骤：
S1.接收基站发送的导频序列，并根据所述接收到的导频序列计算出不同天线接收信号的到达时间差TDOA的初值；
S2.接收基站发送的帧信号，并在预设范围内选择数个到达时间差TDOA的时延因子，根据所述选取的时延因子对接收到帧信号进行解码，得到数个帧信号的解码结果；
S3.计算所述解码后的数个帧信号的实部能量均值与虚部能量均值的比值，并选取所有比值中的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，将所述选取的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子反馈至基站；
S4.基站接收到所述最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，构造与所述接收到的到达时间差TDOA的时延因子相对应的正交恢复预编码矩阵，对所述预编码矩阵中的元素进行相位旋转。
进一步的，所述步骤S1中计算出不同天线接收信号的到达时间差TDOA的初值具体为：
Figure BDA0002340819740000021
Figure BDA0002340819740000031
Figure BDA0002340819740000032
其中，xp1、xp2表示本地参考信号序列，Y表示接收信号序列，N表示导频序列的总长度，
Figure BDA0002340819740000033
表示计算出的到达时间差TDOA。
进一步的，所述步骤S2中发送的帧信号包括BPSK调制方式、QPSK调制方式、16QAM调制方式中的一种或多种。
进一步的，所述步骤S2还包括将所述计算出的到达时间差TDOA的初值作为中心值，以所述中心值为中心在预设范围内选择数个到达时间差TDOA的时延因子。
进一步的，所述步骤S2中到达时间差TDOA的时延因子为：
Figure BDA0002340819740000034
其中，τi表示到达时间差TDOA的时延因子；Δτ表示基站到移动台归一化时延的单位量；m表示常数。
进一步的，所述步骤S2中进行解码的矩阵为：
Figure BDA0002340819740000035
其中，hk表示第k个子载波上的信道脉冲响应。
解码过程为：
Figure BDA0002340819740000036
其中，Xi(k)表示使用时延因子τi解码后的第k个载波上的估计信号，Y(k)、Y*(k+1)分别表示第k个子载波上的接收信号和第k+1个子载波上接收信号的共轭。
进一步的，所述步骤S3中若发送的帧信号的调制方式为BPSK，则计算解码后的数个帧信号的实部能量均值和解码信号虚部能量均值之比，算法为：
Figure BDA0002340819740000041
若发送的帧信号的调制方式为QPSK或16QAM，则计算解码后的数个帧信号平方的虚部能量均值和实部能量均值之比，算法为：
Figure BDA0002340819740000042
其中，E(i)表示到达时间差TDOA的时延因子τi所求的能量比值，N为子载波数，Re(*)、Im(*)分别代表实部和虚部；当l＝arigmax(E(i))时，则τmax＝τl，max(*)表示最大值。
进一步的，所述步骤S4还包括将接收到的到达时间差TDOA的时延因子作为新的中心值进行计算下一帧的到达时间差TDOA：
Figure BDA0002340819740000043
其中，矩阵的行表示不同的子载波；矩阵的列表示不同的天线；X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭；j表示虚数单位，τi表示接收到的TDOA时延因子。
相应的，还提供一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪系统，包括：
接收模块，用于接收基站发送的导频序列，并根据所述接收到的导频序列计算出不同天线接收信号的到达时间差TDOA的初值；
解码模块，用于接收基站发送的帧信号，并在预设范围内选择数个到达时间差TDOA的时延因子，根据所述选取的时延因子对接收到帧信号进行解码，得到数个帧信号的解码结果；
计算模块，用于计算所述解码后的数个帧信号的实部能量均值与虚部能量均值的比值，并选取所有比值中的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，将所述选取的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子反馈至基站；
旋转模块，用于基站接收到所述最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，构造与所述接收到的到达时间差TDOA的时延因子相对应的正交恢复预编码矩阵，对所述预编码矩阵中的元素进行相位旋转。
进一步的，所述解码模块中发送的帧信号包括BPSK调制方式、QPSK调制方式、16QAM调制方式中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明利用导频序列对时延进行估计，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)在接收端利用基带复信号相角计算能量，根据能量的大小进行比较，对TDOA时延因子进行跟踪和更新，提高了分集增益、降低了误码率并且节省了系统开销。
附图说明
图1是实施例一提供的一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法流程图；
图2为实施例二提供的一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪系统结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法及系统。
实施例一
本实施例提供一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法，如图1所示，包括步骤：
S11.接收基站发送的导频序列，并根据所述接收到的导频序列计算出不同天线接收信号的到达时间差TDOA的初值；
S12.接收基站发送的帧信号，并在预设范围内选择数个到达时间差TDOA的时延因子，根据所述选取的时延因子对接收到帧信号进行解码，得到数个帧信号的解码结果；
S13.计算所述解码后的数个帧信号的实部能量均值与虚部能量均值的比值，并选取所有比值中的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，将所述选取的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子反馈至基站；
S14.基站接收到所述最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，构造与所述接收到的到达时间差TDOA的时延因子相对应的正交恢复预编码矩阵，对所述预编码矩阵中的元素进行相位旋转。
在步骤S11中，接收基站发送的导频序列，并根据所述接收到的导频序列计算出不同天线接收信号的到达时间差TDOA的初值。
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
Figure BDA0002340819740000061
即：
Figure BDA0002340819740000062
Figure BDA0002340819740000063
Figure BDA0002340819740000064
其中，xp1、xp2表示本地参考信号序列，Y表示接收信号序列，N表示导频序列的总长度，
Figure BDA0002340819740000065
表示计算出的到达时间差TDOA。
在步骤S12中，接收基站发送的帧信号，并在预设范围内选择数个到达时间差TDOA的时延因子，根据所述选取的时延因子对接收到帧信号进行解码，得到数个帧信号的解码结果。
在本实施例中，基站发送的帧信号包括BPSK调制方式、QPSK调制方式、16QAM调制方式中的一种或多种。
基站发送下一帧信号给移动台，移动台通过TDOA初值作为中心值，在范围
Figure BDA0002340819740000071
内，选取m+1个TDOA时延因子τi对接收信号进行解码，得到m+1个解码结果。其中0≤i≤m，△τ为基站到移动台归一化时延的单位量。
到达时间差TDOA的时延因子为：
Figure BDA0002340819740000072
其中，τi表示到达时间差TDOA的时延因子；Δτ表示基站到移动台归一化时延的单位量；m表示常数。
进行解码的矩阵为：
Figure BDA0002340819740000073
其中，hk表示第k个子载波上的信道脉冲响应。
解码过程为：
Figure BDA0002340819740000074
其中，Xi(k)表示使用时延因子τi解码后的第k个载波上的估计信号，Y(k)、Y*(k+1)分别表示第k个子载波上的接收信号和第k+1个子载波上接收信号的共轭。
在步骤S13中，计算所述解码后的数个帧信号的实部能量均值与虚部能量均值的比值，并选取所有比值中的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，将所述选取的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子反馈至基站。
若发送信号是BPSK调制方式，则计算解码信号实部能量的均值和解码信号虚部能量的均值之比；若发送信号是QPSK或16QAM调制方式，则计算解码信号平方的虚部能量的均值和解码信号平方的实部能量的均值之比。上述可得到m+1个比值结果，取这些值中最大的值对应的TDOA时延因子τmax，那么τmax则为当前TDOA估计值，将更新后的TDOA时延因子τmax通过上行信道反馈给基站，算法如下：
若发送的帧信号的调制方式为BPSK，则计算解码后的数个帧信号的实部能量均值和解码信号虚部能量均值之比，算法为：
Figure BDA0002340819740000081
若发送的帧信号的调制方式为QPSK或16QAM，则计算解码后的数个帧信号平方的虚部能量均值和实部能量均值之比，算法为：
Figure BDA0002340819740000082
其中，E(i)表示到达时间差TDOA的时延因子τi所求的能量比值，N为子载波数，Re(*)、Im(*)分别代表实部和虚部；当l＝arigmax(E(i))时，则τmax＝τl，max(*)表示最大值。
在步骤S14中，基站接收到所述最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，构造与所述接收到的到达时间差TDOA的时延因子相对应的正交恢复预编码矩阵，对所述预编码矩阵中的元素进行相位旋转。
基站根据更新后的TDOA时延因子τmax，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，将TDOA时延因子τmax作为中心值进行下一帧的TDOA估计。
Figure BDA0002340819740000083
其中，矩阵的行表示不同的子载波；矩阵的列表示不同的天线；X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭；j表示虚数单位，τi表示接收到的TDOA时延因子。
需要说明的是，本实施例若接收到发送的信号，将TDOA时延因子τmax作为中心值进行下一帧的TDOA估计，便会继续执行步骤S12。
与现有技术相比，本实施例具有以下优点：
(1)本发明利用导频序列对时延进行估计，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)在接收端利用基带复信号相角计算能量，根据能量的大小进行比较，对TDOA时延因子进行跟踪和更新，提高了分集增益、降低了误码率并且节省了系统开销。
实施例二
本实施例提供一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪系统，如图2所示，包括：
接收模块11，用于接收基站发送的导频序列，并根据所述接收到的导频序列计算出不同天线接收信号的到达时间差TDOA的初值；
解码模块12，用于接收基站发送的帧信号，并在预设范围内选择数个到达时间差TDOA的时延因子，根据所述选取的时延因子对接收到帧信号进行解码，得到数个帧信号的解码结果；
计算模块13，用于计算所述解码后的数个帧信号的实部能量均值与虚部能量均值的比值，并选取所有比值中的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，将所述选取的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子反馈至基站；
旋转模块14，用于基站接收到所述最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，构造与所述接收到的到达时间差TDOA的时延因子相对应的正交恢复预编码矩阵，对所述预编码矩阵中的元素进行相位旋转。
进一步的，解码模块中发送的帧信号包括BPSK调制方式、QPSK调制方式、16QAM调制方式中的一种或多种。
需要说明的是，本实施例提供一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪系统与实施例一类似，在此不多做赘述。
与现有技术相比，本实施例具有以下优点：
(1)本发明利用导频序列对时延进行估计，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)在接收端利用基带复信号相角计算能量，根据能量的大小进行比较，对TDOA时延因子进行跟踪和更新，提高了分集增益、降低了误码率并且节省了系统开销。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法，其特征在于，包括步骤：
S1.接收基站发送的导频序列，并根据所述接收到的导频序列计算出不同天线接收信号的到达时间差TDOA的初值；
S2.接收基站发送的帧信号，并在预设范围内选择数个到达时间差TDOA的时延因子，根据所述选取的时延因子对接收到帧信号进行解码，得到数个帧信号的解码结果；
S3.计算所述解码后的数个帧信号的实部能量均值与虚部能量均值的比值，并选取所有比值中的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，将所述选取的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子反馈至基站；
S4.基站接收到所述最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，构造与所述接收到的到达时间差TDOA的时延因子相对应的正交恢复预编码矩阵，对所述预编码矩阵中的元素进行相位旋转。
2.根据权利要求1所述的一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法，其特征在于，步骤S1中计算出不同天线接收信号的到达时间差TDOA的初值具体为：
Figure FDA0003618697060000011
Figure FDA0003618697060000012
Figure FDA0003618697060000013
其中，xp1、xp2表示本地参考信号序列，Y表示接收信号序列，N表示导频序列的总长度，
Figure FDA0003618697060000014
表示计算出的到达时间差TDOA。
3.根据权利要求2所述的一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法，其特征在于，步骤S2中发送的帧信号包括BPSK调制方式、QPSK调制方式、16QAM调制方式中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法，其特征在于，步骤S2还包括将所述计算出的到达时间差TDOA的初值作为中心值，以所述中心值为中心在预设范围内选择数个到达时间差TDOA的时延因子。
5.根据权利要求3所述的一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法，其特征在于，步骤S2中到达时间差TDOA的时延因子为：
Figure FDA0003618697060000021
其中，τi表示到达时间差TDOA的时延因子；Δτ表示基站到移动台归一化时延的单位量；m表示常数。
6.根据权利要求5所述的一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法，其特征在于，步骤S2中进行解码的矩阵为：
Figure FDA0003618697060000022
其中，hk表示第k个子载波上的信道脉冲响应；
解码过程为：
Figure FDA0003618697060000023
其中，Xi(k)表示使用时延因子τi解码后的第k个载波上的估计信号，Y(k)、Y*(k+1)分别表示第k个子载波上的接收信号和第k+1个子载波上接收信号的共轭。
7.根据权利要求6所述的一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法，其特征在于，步骤S3中若发送的帧信号的调制方式为BPSK，则计算解码后的数个帧信号的实部能量均值和解码信号虚部能量均值之比，算法为：
Figure FDA0003618697060000024
若发送的帧信号的调制方式为QPSK或16QAM，则计算解码后的数个帧信号平方的虚部能量均值和实部能量均值之比，算法为：
Figure FDA0003618697060000025
其中，E(i)表示到达时间差TDOA的时延因子τi所求的能量比值，N为子载波数，Re(*)、Im(*)分别代表实部和虚部；当
Figure 1
时，则τmax＝τl，max(*)表示最大值。
8.根据权利要求7所述的一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪方法，其特征在于，步骤S4还包括将得到的新的到达时间差TDOA的时延因子作为新的中心值进行计算下一帧的到达时间差TDOA：
Figure FDA0003618697060000032
其中，矩阵的行表示不同的子载波；矩阵的列表示不同的天线；X和X*分别表示发送信号和发送信号的共轭；j表示虚数单位，τi表示接收到的TDOA时延因子。
9.一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪系统，其特征在于，包括：
接收模块，用于接收基站发送的导频序列，并根据所述接收到的导频序列计算出不同天线接收信号的到达时间差TDOA的初值；
解码模块，用于接收基站发送的帧信号，并在预设范围内选择数个到达时间差TDOA的时延因子，根据所述选取的时延因子对接收到帧信号进行解码，得到数个帧信号的解码结果；
计算模块，用于计算所述解码后的数个帧信号的实部能量均值与虚部能量均值的比值，并选取所有比值中的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，将所述选取的最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子反馈至基站；
旋转模块，用于基站接收到所述最大值所对应的到达时间差TDOA的时延因子，构造与所述接收到的到达时间差TDOA的时延因子相对应的正交恢复预编码矩阵，对所述预编码矩阵中的元素进行相位旋转。
10.根据权利要求9所述的一种基于基带复信号相角的TDOA跟踪系统，其特征在于，所述解码模块中发送的帧信号包括BPSK调制方式、QPSK调制方式、16QAM调制方式中的一种或多种。
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