CN112105079A - 基于ofdm的无线双向中继通信系统的信号同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信系统领域，提出了一种基于OFDM的无线双向中继通信系统的信号同步实现方法，其中包括OFDM的帧信号同步方法，端节点到端节点同步方法，端节点到中继节点同步方法。本发明采用FPGA时钟同步，主从信号同步等技术，解决了基于OFDM的无线双向通信系统中的一系列信号同步问题。本发明的优越性体现在采用主/从结构来实现无线中继通信系统的发射与接收时隙切换，通过软件控制主从结构的方法来达到几毫秒发送与接收时隙切换的信号同步要求。除此之外，另外一个优越性就是提出使用FPGA的FIFO队列缓存PXI触发器来同步端节点的信道叠加，使得端节点的信号同步达到几个纳秒的精度。

Description

基于OFDM的无线双向中继通信系统的信号同步方法
技术领域
本发明属于无线通信系统领域，具体设计一种基于OFDM的无线双向中继通信系统的信号同步方法。
背景技术
无线双向中继通信系统是分散式/集中式无线网络的基本要素之一。其最简单的系统包括两个源节点和一个中继节点。两个源节点通过中继节点的帮助进行信息交换。传统上，为了实现信息交换并避免两个源节点之间的干扰可以使用时分双工（TDD）或者是频分双工（FDD）系统。通过时分双工技术，这样的无线中继通信系统一般需要4个时隙完成信息的交换，如图1所示，端节点1在第1时隙向中继节点发送信息，端节点2在第2时隙向中继节点发送另外一段信息，在第3，4时隙，中继节点分别将对应信息分别交替发送给端节点1与2。
但是，通过应用网络编码和自干扰的概念，可以减少使用的时隙，而且无需使用额外的频率资源。两个源节点将信息在相同的频谱上恰好位于同一时间传输到中继节点。而在第二个时隙，中继节点直接放大并转发此叠加信号回到两个源节点。接收到来自中继节点的信号后，两个信号端节点确切地知道它们在第一个时隙中要传输给中继的内容。 因此他们可以通过减去自己的消息来消除自我干扰，如图2所示，在第1时隙，端节点1与端节点2同时将信号发送给中继节点，中继节点收到端节点1，2的叠加信号。在时隙2，中继节点1，2将直接将叠加信号发送给端节点1，2，端节点通过第1时隙发送的信号，消除自我干扰最后获得对方节点所发送的信息。
该系统对于信号的同步有严格的要求，首先端节点传输到中继节点的叠加信号必须精确的同步，端节点之间的同步精度要求在几个纳秒级别左右。然后端节点与中继节点之间的时隙切换需要精确同步，该同步的同步精度要求在几毫秒左右。于此同时，OFDM的帧同步也需要满足同步要求，以保证信息编码解码的有效性。 因此，信号的同步问题是实现无线双向中继通信系统的关键问题。
发明内容
本发明提出了解决基于OFDM的无线中继通信系统的信号同步问题的方法。为解决以上问题，本发明提出了一套信号同步方法。
本发明提供的基于OFDM的无线双向中继通信系统的信号同步方法包括FPGA时钟同步，主从信号同步来分别解决端节点到端节点同步，端节点到中继节点同步的问题。
本发明所述的无线中继通信系统信号同步方法，为使得端节点同时发射出信号，通过使用FPGA本地时钟，在FPGA中使用PXI触发器来触发消息流来实现信息同步；当两个端接点锁定到同一个FPGA时钟之后，利用FIFO队列来缓存待发射的消息，由于两个FPGA使用的是同步的时钟，当端节点中的队列达到一个相同的预设阈值的时候，则同时触发信号发送；最后FPGA将数据释放到RF 前端来实现源节点之间的同步。
本发明所述的使用主/从结构来协调端接点与中继节点的通信，为了实现主/从结构协调，端接点与中继节点通过额外的通信通道来组成协调机制。
本发明所述的无线中继通信系统信号同步方法，其特征在于：一旦端接点的发送时隙准备好启动，端节点就会发送一个触发信号传输到中继节点，并触发中继节点启动接收时隙，并向源机箱发送确认消息，之后中继节点收到确认消息后，将启动端节点的发送时隙，从而完成信号从端接点到中继节点的发送，从而实现端接点到源节点之间的信号同步。
本发明的优越性体现在采用主/从结构来实现无线中继通信系统的发射与接收时隙切换，通过软件控制主从结构的方法来达到几毫秒发送与接收时隙切换的信号同步要求。除此之外，另外一个优越性就是提出使用FPGA的FIFO队列缓存PXI触发器来同步端节点的信道叠加，使得端节点的信号同步达到几个纳秒的精度。
附图说明
图1是传统无线双向中继通信系统的4时隙结构图；
图2是经过网络编码和自干扰去除之后的无线双向中继通信系统的2时隙结构图；
图3是解决端节点与中继节点同步问题的主从结构示意图；
图4是端接点与中继节点发送接收时隙同步的示意图；
图5是端接点之间信号同步的示意图；
图6是解决端接点与中继节点同步问题的主从结构握手信号示意图；
图7是解决端接点之间同步问题的信号处理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
本发明提供一种基于OFDM的无线双向中继通信系统的信号同步方法，包括FPGA时钟同步，主从信号同步来分别解决端到端同步，端到中继同步的问题。其系统框图，如图3所示，在端节点机箱中，通过实时控制器与端节点连接的机箱作为主机箱，通过软件触发的方式同时控制两个端节点。使用实时控制器连接中继节点的机箱作为从机箱，同样使用软件触发的方式连接从机箱。主从机箱的控制器通过硬件触发器连接，形成主从控制系统结构。
端到中继的同步问题通过主从结构系统的软件控制解决：它指的是端节点信号发送时间戳应该与中继节点的信号接收时间戳同步。如果未完全对准，则存在一个时间段，两个天线都处于接收或发送，导致消息丢失。这种信号同步问题，可以通过图4展示出来：在第一个时隙中，两个端节点开始将消息传输到中继，并与中继需要开始接收时隙的时间完全相同。如果中继启动接收时隙晚于两个源节点的时间开始传输时隙，中继节点会错过由第一个时隙中的两个端节点发送的信号。而在第二个时隙，当中继节点开始将消息广播到源节点时，如果中继开始传输的时间晚于两个源节点的接收时隙，同样会导致信号损失。经过计算该同步要求为几个毫秒级，因此选择软件控制器实现控制的同步精度要求。
本发明使用主/从结构来协调端接点与中继节点的通信，为了实现主/从结构协调，端接点与中继节点需要额外的通信通道来组成协调机制。如图6所示，一旦端接点的发送时隙准备好启动，端节点就会发送一个触发信号传输到中继节点，并触发中继节点启动接收时隙，并向源机箱发送确认消息，之后中继节点收到确认消息后，将启动端节点的发送时隙，从而完成信号从端接点到中继节点的发送。
端到端的同步问题则是使用集中式同步的方法，通过硬件触发来解决：两个端节点需要在完全相同的时间发射无线信号，以便当它们在信道中重叠，并且重叠的消息能同时到达中继。如图5所示，端节点1，2在同一个时间点将各自信号通过信道1，2向中继节点发射信号，由于信道1，2的噪声条件不同，距离不同，因此达到中继节点的所受到的干扰与同步也不相同。如果在这两个符号之间有很小的偏移，这两个消息将相互严重干扰。因此，端到端的同步是双向中继系统中的网络编码的一个重要前提。因此，系统要求消息需要空中逐个符号同步。然后在第二个时隙，将叠加的消息广播回端节点，该同步要求精度约为几个纳秒级别。
使得端节点同时发射出信号，本发明通过使用FPGA本地时钟，在FPGA中使用PXI触发器来触发消息流来实现信息同步。本发明采用集中式同步的方法，使得端节点1和2共享同一个FPGA试中。当两个端接点锁定到同一个FPGA时钟之后，利用FIFO队列来缓存待发射的消息，由于两个FPGA使用的是同步的时钟，当端节点中的队列达到一个相同的预设阈值的时候，则同时触发信号发送。最后FPGA将数据释放到RF 前端来实现源节点之间的同步。如图7所示，两个端节点以相同的时钟频率V1, V2运转，并且将处理好的数字信号输出到各自个FIFO队列之中，两个FIFO队列具有相同的阈值，当两个队列存储的数字信息达到相同阈值时，通过硬件触发射频发射端同时发送射频信号，以实现端节点信号的纳秒级别同步。

Claims (4)

1.一种基于OFDM的无线双向中继通信系统的信号同步方法，其特征在于：
该方法包括FPGA时钟同步，主从信号同步来分别解决端节点到端节点同步，端节点到中继节点同步的问题。
2.根据权利要求1所述的无线中继通信系统信号同步方法，其特征在于：为使得端节点同时发射出信号，通过使用FPGA本地时钟，在FPGA中使用PXI触发器来触发消息流来实现信息同步；当两个端接点锁定到同一个FPGA时钟之后，利用FIFO队列来缓存待发射的消息，由于两个FPGA使用的是同步的时钟，当端节点中的队列达到一个相同的预设阈值的时候，则同时触发信号发送；最后FPGA将数据释放到RF 前端来实现源节点之间的同步。
3.根据权利要求1所述的无线中继通信系统信号同步方法，其特征在于：使用主/从结构来协调端接点与中继节点的通信，为了实现主/从结构协调，端接点与中继节点通过额外的通信通道来组成协调机制。
4.根据权利要求1或2或3所述的无线中继通信系统信号同步方法，其特征在于：一旦端接点的发送时隙准备好启动，端节点就会发送一个触发信号传输到中继节点，并触发中继节点启动接收时隙，并向源机箱发送确认消息，之后中继节点收到确认消息后，将启动端节点的发送时隙，从而完成信号从端接点到中继节点的发送，从而实现端接点到源节点之间的信号同步。
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