CN111669210B - 一种基于大规模天线时空对准的多用户定时同步方法 - Google Patents

Abstract

一种基于大规模天线时空对准的多用户定时同步方，其基站具有大规模的均匀线性天线阵列(ULA)，大规模MIMO系统中的多用户端在上行链路中通过基站接收天线和导频序列LTF进行定时同步。考虑到每个用户发送到基站的入射信号会在多径的影响下被限制在一个窄的角度范围内，可以利用每个用户的波达方向(DOA)所对应的导向向量对基站接收信号进行波束形成，使多用户干扰得到有效的抑制。本发明利用基站大规模天线的超高空域分辨能力，能够直接将空域特征区别明显的用户进行分离，使得每个用户与基站之间形成了等价的单用户传输模型，从而可以运用传统的单用户定时同步方法对各个用户进行帧检测。

Description

一种基于大规模天线时空对准的多用户定时同步方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种基于大规模天线时空对准的多用户定时同步方法。

背景技术

近年以来，无线通信技术高速发展，并且我国在今年正式进入5G时代。5G移动通信的核心技术是大规模天线系统，即基站通过配备大规模天线阵列实现信息的高速传输。在传输过程中需要解决的一个重要问题就是多用户的定时同步算法。所谓同步是指收发两端的载波、码元速率及各种定时标志都应步调一致地进行工作，包括帧同步、码元同步、载波同步及通信网同步。其中帧同步是通信的第一个步骤，检测信号帧是否到来，同时确定帧头的大致位置。系统帧检测性能决定了后面频偏估计与补偿、信道估计与均衡和解扰解码的准确性，重要性可见一斑。

无线通信系统的电磁传输有视距(LOS)传播和非视距(NLOS)传播两种方式。允许无线信号无遮挡地在发送机和接收机之间直线传播的路径称为视距路径，将存在视距路径的通信环境称为LOS传播，而NLOS传播是指发射端和接收端之间不存在视距路径，发射信号在自由空间的传播过程中经过障碍物的反射、折射、衍射、散射、绕射等作用形成多条路径信号分量，最终到达接收端的一种传播方式。

其中，非视距(NLOS)传输是无线通信中的一种典型的应用场景。在非视距通信场景中，由于存在多径干扰且有外部噪声等干扰因素，接收端接收到的信号是大量叠加在一起并具有不同传输时延、衰减和相移的发射信号，这些不同的路径信号分量叠加在一起的时候相互抵消或加强，导致接收信号幅度在时间和频率上发生波动，使接收信号遭受严重的频率选择性衰落，对宽带无线传输速率和质量的提高影响很大。因此，在非视距环境下研究帧检测技术，准确判断信号帧是否到达接收机，对于有效提升通信系统的性能具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于在非视距通信环境中，提供一种基于大规模天线时空对准的多用户定时同步方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于大规模天线时空对准的多用户定时同步方法，包括以下步骤：

步骤一：令a(θ)为对应角度θ的导向向量，接收端利用对应角度θ的导向向量的共轭a^*(θ)对接收信号进行波束形成，产生一路对应期望角度θ的合成信号；将导频序列LTF与合成信号做滑动互相关处理，再对滑动相关后的结果求取模平方；在选定的一定窗口内对多径到达信号的滑动相关结果的模平方值进行求和，然后在第k个用户发送到基站的入射信号角度范围内对和值进行积分，得到帧检测度量值的分子；

假设发射序列功率归一化，将导频序列LTF的能量和每个对应期望角度θ的合成信号的能量相乘，并在第k个用户发送到基站的入射信号角度范围内进行积分，得到帧检测度量值的分母；

步骤二，将帧检测度量值的分子与帧检测度量值的分母相除得到帧检测度量值，若帧检测度量值大于检测门限则认为帧到达，否则，认为帧未到达。

本发明进一步的改进在于，步骤一中，帧检测度量值的分子为：

其中，θ_k为第k个用户发送到基站的入射信号的平均DOA，θ_as为角度扩展，L_ch为最大信道时延扩展，l为信道时延扩展，l属于L_ch，

为第k个用户的LTF序列，y(d+l)为接收端M个天线以d+l为初始的L_LTF点总接收信号序列。

本发明进一步的改进在于，第k个用户的LTF序列

其中，L_LTF表示LTF序列的长度，k为用户的序号，k＝1,2,3……K，

表示一个大小L_LTF×1的矩阵。

本发明进一步的改进在于，步骤一中，导频序列LTF的能量是导频序列LTF的长度。

本发明进一步的改进在于，步骤一中，每个对应期望角度θ的合成信号的能量为合成信号的共轭与合成信号的乘积。

本发明进一步的改进在于，步骤一中，帧检测度量值的分母为：

其中，θ_k为第k个用户发送到基站的入射信号的平均DOA，θ_as为角度扩展，L_LTF为LTF序列的长度，y(d)为接收端M个天线以d为初始的L_LTF点总接收信号序列。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

在非视距通信环境中，本发明提出一种基于大规模天线时空对准的多用户定时同步方法，在进行定时同步的过程中，充分利用了大规模MIMO的超高空域分辨能力。即在接收端利用对应角度θ的导向向量的共轭a^*(θ)对接收信号进行波束形成，产生一路对应期望角度θ的合成信号，然后在一定的角度扩展范围内进行数值积分。当θ恰好等于第k个用户的DOA时，第k个用户发射信号的所有路径信号分量都会包含在这个积分区间中，波束形成向量a^*(θ)会消除第k个用户以外的其他所有用户的发射信号,形成一个等价的单用户传输模型，使多用户干扰得到有效的抑制，从而可显著提升非视距环境中多用户帧检测性能。

附图说明

图1为本发明采用的非视距通信场景下，大规模MIMO的多用户上行链路系统模型图；

图2为本发明采用的信号帧结构图；

图3为本发明(K＝2)在采用联合时空对准和未采用有联合时空对准时，在不同检测门限条件下系统的帧检测性能对比图；

图4为本发明(K＝2)在采用联合时空对准和未采用有联合时空对准时，在不同信噪比条件下系统的帧检测性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明的基于大规模天线时空对准的多用户定时同步方法的基本思想就是计算帧检测度量值，设置一个合适的检测门限，当帧检测度量值大于检测门限就认为帧到达，否则帧未到达。帧检测度量值是分式形式。令a(θ)为对应角度θ的导向向量，接收端利用a^*(θ)对接收信号进行波束形成，产生一路对应期望角度θ的合成信号。将导频序列记为LTF，帧检测度量值分子的计算方式是将导频序列LTF与合成信号做滑动互相关处理，再对滑动相关后的结果求取模平方，在选定的一定窗口内对多径到达信号滑动相关结果的模平方进行求和，然后在第k个用户发送到基站的入射信号角度范围内对和值进行积分；分母是第k个用户发送到基站的入射信号角度范围内，导频LTF序列与每个对应期望角度的合成信号的能量之积的积分。包括下述步骤：

步骤一：计算帧检测度量值的分子。假设信道最大时延扩展为L_ch。将基站的时域接收信号表示为：

其中

表示基站第m个天线所接收到的时域信号；N_x表示发射信号的长度。

假设第k个用户的LTF序列为

LTF序列相当于导频。其中，L_LTF表示LTF序列的长度。假设发射符号功率归一化，将接收端第m个天线以d为起始的L_LTF点接收信号序列记为：

其中，d为时域起点；

将接收端M个天线以d为起始的L_LTF点总接收信号序列记为：

其中，m属于M。

由于每个用户发送到基站的入射信号会在多径影响下被限制到一个窄的角度范围内，假设用户端的多径到达信号在这个窄的角度范围内均匀分布，利用联合时空对准方法，在接收端利用对应角度θ的导向向量的共轭a^*(θ)对接收信号进行波束形成，产生一路对应期望角度θ的合成信号。再将导频序列LTF与合成信号做滑动互相关处理，对滑动相关后的结果求取模平方，在选定的一定窗口内对多径到达信号滑动相关结果的模平方进行求和，然后在第k个用户发送到基站的入射信号角度范围内对和值进行积分，此值构成了帧检测度量值的分子。帧检测度量值的分子为：

其中，θ_k为第k个用户发送到基站的入射信号的平均DOA，θ_as为角度扩展，L_ch为最大信道时延扩展，l为信道时延扩展，l属于L_ch，

为第k个用户的LTF序列，y(d+l)为接收端M个天线以d+l为初始的L_LTF点总接收信号序列。

步骤二：计算帧检测度量值的分母。导频序列LTF序列的能量为LTF序列的长度，接收信号也求取能量，将LTF序列的长度与每个对应期望角度θ的合成信号的能量相乘，并在第k个用户发送到基站的入射信号角度范围内进行积分，作为帧检测度量值的分母。帧检测度量值的分母为：

其中，θ_k为第k个用户发送到基站的入射信号的平均DOA，θ_as为角度扩展，L_LTF为LTF序列的长度，y(d)为接收端M个天线以d为初始的L_LTF点总接收信号序列。

步骤三：将步骤一计算出的分子与步骤二计算出的分母相除构成帧检测度量值。选择合适的检测门限，帧检测度量值大于检测门限则认为帧到达，否则帧未到达。

采用联合时空对准方法：

假设各个用户之间的空域特征区别明显，即所有用户的DOA区域是互不相交的，而基站具有无限的天线。在这种情况下，由于复指数信号的正交特性，不同的DOA对应的导向向量彼此正交。令a(θ)为对应角度θ的导向向量，对于任意两个角度θ₁和θ₂，当θ₁≠θ₂时，可以得到a^H(θ₁)a(θ₂)/M＝0。因此，在接收端可以利用a^*(θ)对接收信号进行波束形成，产生一路对应期望角度θ的合成信号，然后在一定的角度扩展范围内进行积分。当θ恰好等于第k个用户的平均DOA时，第k个用户发送到基站的所有路径信号分量都会包含在这个积分区间中，波束形成向量a^*(θ)会消除第k个用户以外的其他所有用户发送到基站的入射信号,形成一个等价的单用户传输模型。

所以，帧检测的度量值写为:

根据计算出的帧检测的度量值，选择合适的检测门限。在θ_k一定时，当帧检测度量值大于检测门限时，就认为帧到达，否则d_k继续向后移动，直到找出帧检测度量值大于检测门限的点，若在θ_k一定的情况下没有找到，则θ_k继续向后移动，再重复上述过程。若始终没有找到，则认为没有检测到帧到达。

图1为适用于本发明的非视距通信场景系统模型。外面是六边形是蜂窝网络的意思。蜂窝网络(英语：Cellular network)，又称移动网络(mobile network)是一种移动通信硬件架构，分为模拟蜂窝网络和数字蜂窝网络。由于构成网络覆盖的各通信基地台的信号覆盖呈六边形，从而使整个网络像一个蜂窝而得名。图1是在一个蜂窝内的通信环境，一个蜂窝内只有一个基站，这个蜂窝内的多用户端通过这个基站实现通信过程。在大规模MIMO的多用户上行链路中，采用典型的单环信道传播模型，用户端随机分布K个用户，假设每个用户配有单天线，且被P>>1个本地散射体所环绕，基站端由M>>1个天线组成均匀线阵(ULA)，信道最大时延扩展为L_ch。则第k个用户和基站之间的信道矩阵为：

其中，

由P个多径信号叠加构成，

表示第k个用户的入射信号在第l个信道时延第p径的复增益，并且彼此之间都是独立同分布的。导向向量

其中

d是基站接收天线阵元间距，λ是信号波长，θ_l,p,k表示第k个用户发送到基站的入射信号在第l个信道时延第p径的到达角度(DOA)，考虑到每个用户发送到基站的入射信号会在多径的影响下被限制在一个窄的角度范围内，假设θ_l,p,k在这个角度范围均匀分布，即θ_l,p,k～U(θ_k-θ_as,θ_k+θ_as)，其中θ_k表示第k个用户发送到基站的入射信号的平均DOA，θ_as表示角度扩展。

图2为本发明采用的信号帧的结构图，信号帧由前导训练序列和数据两部分构成。训练序列由LTF序列构成，训练序列也添加循环前缀CP，信号帧的负载由数据块和循环前缀CP的形式逐块拼接而成，在发射端将数据分块并在开头添加CP。在后续仿真中，CP长度为16，LTF序列由长度为128的m序列构成，一个数据块的长度为128。

图3为本发明(K＝2)在采用联合时空对准和未采用有联合时空对准时，在不同检测门限条件下系统的帧检测性能对比图。

未采用联合时空对准的方法时，在非视距环境进行多用户帧检测，是利用L_LTF点的LTF序列对接收信号进行归一化相关计算。令

表示假设第k个用户的LTF序列，LTF序列相当于导频。假设发射符号功率归一化，将接收端第m个天线以d为起始的L_LTF点接收信号序列记为：

将接收端M个天线以d为起始的L_LTF点总接收信号序列记为：

考虑最大可能的信道时延扩展为L_ch，对于以d为起始的接收信号序列，将以下归一化相关系数作为帧检测度量值：

分子的意义是统计了以d为起始，最大信道时延扩展窗口内基站第m个天线的接收信号与导频LTF序列的滑动互相关值的平方和，再对基站所有M个天线对应的上述结果进行求和。分母的意义是对滑动互相关值的能量归一化。根据计算出的帧检测的度量值，选择合适的检测门限，当帧检测度量值大于检测门限时，就认为帧到达，否则d继续向后移动，直到找出帧检测度量值大于检测门限的点。若始终没有找到，则认为没有检测到帧到达。

仿真对比的依据是在采用联合时空对准和未采用联合时空对准两种情况下，比较误警概率和漏警概率随检测门限的变化趋势。仿真时信噪比为0，用户数为2，每个用户的平均DOA分别限定为{30°，60°},定时偏差设为{0,10}。信道最大传输时延为10，子载波数为为128，角度扩展为5°，DOA搜索范围为5°～85°。导频序列LTF采用长度为128的m序列构成，采用BPSK调制方式，基站接收天线数为128，天线阵元间隔d＝λ/2，每个数据块128个符号，其中CP长度为15。信道最大时延扩展即窗口长度为10，窗口长度内有100条径随机分布。在该图中，曲线越靠近左下角则代表帧检测性能越好。从图3可以看出采用联合时空对准后，帧检测的误警概率和漏警概率更低，系统的帧检测性能更优。

图4为本发明(K＝2)在采用联合时空对准和未采用有联合时空对准时，在不同信噪比条件下系统的帧检测性能对比图。

仿真对比的依据是在采用联合时空对准和未采用联合时空对准两种情况下，选取合适的检测门限使两种情况下误警概率基本相同，再去比较漏警概率MDP。未采用联合时空对准时检测门限设置为0.094，采用联合时空对准时检测门限设置为0.17，此时两者误警概率基本相等，其他仿真参数与图3相同。从图4中可以看出，在选择合适的检测门限后，采用联合时空对准的定时同步方法相较于传统未采用联合时空对准的定时同步方法有2dB左右的性能改善。

本发明与专利CN110535546中的分子分母求解的过程是不一样的，专利CN110535546的适用环境是在单用户与基站之间的通信，只需要在时域内对接收信号进行一维的帧检测。但是在多用户与基站通信的环境中，基站接收的信号不仅取决于信道的复增益，而且与信号的到达方向(DOA)角度有关，如果继续采用原方法，多用户干扰会极大影响系统帧检测性能。因此，在原方法的基础，本发明是利用大规模天线的超高空域分辨能力，利用每个用户的波达方向(DOA)所对应的导向向量对基站接收信号进行波束形成，将空域特征区别明显的用户进行分离，使多用户干扰得到有效的抑制。本发明在原方法的基础上，将之前时域的一维帧检测改进为时域和空域(角度域)联合的二维帧检测，两种方法原理和效果的对比在本发明说明书及附图中有体现，仿真结果证明，采用联合时空对准后，多用户帧检测的误警率和漏警率都明显降低，系统帧检测性能改善了2db左右。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于大规模天线时空对准的多用户定时同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：令a(θ)为对应角度θ的导向向量，接收端利用对应角度θ的导向向量的共轭a^*(θ)对接收信号进行波束形成，产生一路对应期望角度θ的合成信号；将导频序列LTF与合成信号做滑动互相关处理，再对滑动相关后的结果求取模平方；在选定的一定窗口内对多径到达信号的滑动相关结果的模平方值进行求和，然后在第k个用户发送到基站的入射信号角度范围内对和值进行积分，得到帧检测度量值的分子；每个对应期望角度θ的合成信号的能量为合成信号的共轭与合成信号的乘积；

假设发射序列功率归一化，将导频序列LTF的能量和每个对应期望角度θ的合成信号的能量相乘，并在第k个用户发送到基站的入射信号角度范围内进行积分，得到帧检测度量值的分母；

步骤二，将帧检测度量值的分子与帧检测度量值的分母相除得到帧检测度量值，若帧检测度量值大于检测门限则认为帧到达，否则，认为帧未到达；

步骤一中，帧检测度量值的分子为：

其中，θ_k为第k个用户发送到基站的入射信号的平均DOA，θ_as为角度扩展，L_ch为最大信道时延扩展，l为信道时延扩展，l属于L_ch，

为第k个用户的LTF序列，y(d+l)为接收端M个天线以d+l为初始的L_LTF点总接收信号序列；

第k个用户的LTF序列

其中，L_LTF表示LTF序列的长度，k为用户的序号，k＝1,2,3……K，

表示一个大小L_LTF×1的矩阵；

假设发射符号功率归一化，将接收端第m个天线以d为起始的L_LTF点接收信号序列记为：

其中，d为时域起点；

将接收端M个天线以d为起始的L_LTF点总接收信号序列记为：

其中，m属于M；

对于任意两个角度θ₁和θ₂，当θ₁≠θ₂时，得到a^H(θ₁)a(θ₂)/M＝0；

导频序列LTF的能量是导频序列LTF的长度。

2.根据权利要求1所述的一种基于大规模天线时空对准的多用户定时同步方法，其特征在于，步骤一中，帧检测度量值的分母为：

其中，θ_k为第k个用户发送到基站的入射信号的平均DOA，θ_as为角度扩展，L_LTF为LTF序列的长度，y(d)为接收端M个天线以d为初始的L_LTF点总接收信号序列。

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