CN113225802B - 一种面向noma上行链路的定时同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非正交多址接入技术领域，且公开了一种面向NOMA上行链路的定时同步方法，其包括：对接收信号执行近端用户定时同步、均衡，解调，得到近端用户数据；对近端用户数据通过信号重建得到近端用户信号在接收信号中的形式，从经近端用户定时同步后的接收信号中减去近端用户重建结果得到初步干扰消除信号；对近端用户数据通过信号波形构建得到近端用户信号波形；对经近端用户定时同步后的接收信号、初步干扰消除信号、近端用户信号波形执行远端用户定时同步，分别得到经远端用户定时同步后的接收信号、初步干扰消除信号、近端用户信号波形。本发明相对于常规方案具有更强的鲁棒性，保证了远端小功率用户的解调性能。

Description

一种面向NOMA上行链路的定时同步方法
技术领域
本发明属于非正交多址接入技术领域，具体为一种面向NOMA上行链路的定时同步方法。
背景技术
多址技术是指把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒质，实现各用户与中心站点通信的技术。多址技术作为无线技术变革的重要分水岭，在5G通信研究中引起了学术界和工业界的广泛关注，除了传统的频分多址、时分多址、码分多址等信道资源相互正交的技术之外，近年来出现了可以提升系统容量和接入数量的非正交多址接入(NOMA)技术。NOMA在相同的时间/频率/码字资源内，可以服务多个用户，并通过采用干扰消除等信号接收方法分别解调得到各用户的数据。
为方便理解NOMA的工作原理，这里我们假设近端用户为a、远端用户为b，近端用户a和远端用户b在同一时间/频率/码字资源内与中心站点互联。在下行链路中，中心站点分配给远端用户b的功率大于近端用户a，以使用户b的信号可以克服更强的传输损耗，两个用户除了接收到自身信号外，也收到对方的干扰信号。对于用户b，直接将用户a的信号视作噪声进行解调，而对于用户a，其自身信号淹没在用户b信号之中，需要先解调出用户b的信号，将其从接收信号中减去之后，才能解调得到期望的结果。在上行链路中，近端用户a比远端用户b的信号经历了更低的传输损耗，其在中心站点接收信号中是大功率用户，因此，中心站点先解调出用户a信号，并将用户a信号从接收信号中减去，再解调出用户b的信号。在无线通信系统中，定时同步是信号正确接收解调的前提，其对信号的最佳采样点进行搜索，以克服收发两端的时钟差异。对于NOMA下行链路，所有用户的信号都是由中心站点同步发出，各用户接收信号时只需调整自身设备与中心站点的时钟差异，这可以借助于传统点对点通信的定时同步方法，对接收信号执行重采样即可实现。然而，对于NOMA上行链路,中心站点的接收信号来自于不同的用户，用户间的时钟无法保证严格同步，存在多个时钟偏差信息，无法同时实现不同用户信号的定时同步。
现有的定时同步方法为在对每个用户信号进行接收处理之前，分别执行定时同步，对信号进行重采样以实现与对应用户的发送时钟对齐。考虑到信道响应可能并非理想的冲激响应，而且由于不同用户信号经历的信道路径不同，对应的信道响应还有差异，因此在各用户信号解调之前都需分别执行均衡。首先，对接收信号执行定时同步a，包括定时误差跟踪提取a和重采样a，由于接收信号中用户a信号为主要部分，定时误差跟踪提取a跟踪计算中心站点接收时钟与近端用户a发送时钟之间的偏差，然后基于提取的偏差值对接收信号进行重采样；进一步，对重采样a的结果执行均衡a补偿用户a的信道响应，并经解调a得到用户a数据；接下来，对用户a的解调结果通过信号重建得到用户a信号在接收信号中的形式，信号重建需根据用户a的信道响应完成，而信道响应可采取信道估计得到或由均衡器的响应系数得到，重建得到用户a的信号之后，从重采样a之后的信号中减去重建结果，从而实现接收用户b信号所需的干扰消除，这里，由于信号重建结果由用户a数据得到，其时钟与用户a的发送时钟对齐，因此从重采样a之后的信中减去信号重建结果，可以使时钟统一到用户a的发送时钟上，而如果从接收信号中减去信号重建结果，会造成干扰消除所输入的两个信号时钟不一致；然后，通过定时同步b，使干扰消除后信号的时钟与用户b的发送时钟对齐；最后，对经过定时同步b的信号执行均衡b和解调b，便得到用户b的数据。
由于近端大功率用户a的信道响应不可能严格准确得到，在均衡a和信号重建过程中必然存在误差，这个误差相对于用户a较小，不会对均衡a和解调a产生明显影响。然而，用户b的信号功率可能远小于用户a，用户a的信号重建误差相对用户b可能比较显著，使得用户b输入信号的质量较差，所以常规技术虽然可以实现对不同用户的定时同步，但却容易出现信号重建误差，会使得远端小功率用户b的性能较差。一般情况下，定时同步比较鲁棒，存在信号重建误差下仍可正常工作，但经过定时同步b之后，用户b的均衡和解调性能将因重建误差受较大影响，系统性能很难得到保障。
发明内容
本发明的目的在于：为解决上述背景技术中提出的常规技术虽然可以实现对不同用户的定时同步，但却容易出现信号重建误差，这会使得远端小功率用户的性能较差的问题，本发明提供了一种面向NOMA上行链路的定时同步方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种面向NOMA上行链路的定时同步方法，所述方法包括：
对接收信号执行近端用户定时同步、均衡，解调，得到近端用户数据，其中，近端用户的定时同步包括针对接收信号的重采样和定时误差跟踪提取，重采样结果即为经近端用户定时同步后的接收信号；
对近端用户数据通过信号重建得到近端用户信号在接收信号中的形式，从经近端用户定时同步后的接收信号中减去近端用户重建结果得到初步干扰消除信号；
对近端用户数据通过信号波形构建得到近端用户信号波形；
对经近端用户定时同步后的接收信号、初步干扰消除信号、近端用户信号波形执行远端用户定时同步，分别得到经远端用户定时同步后的接收信号、经远端用户定时同步后的初步干扰消除信号、经远端用户定时同步后的近端用户信号波形，其中，远端用户的定时同步包括定时误差跟踪提取和分别针对上述三个信号定时同步的三次重采样。
进一步地，所述近端用户的定时误差跟踪提取用于跟踪计算中心站点接收时钟与近端用户发送时钟之间的偏差。
进一步地，所述中心站点接收时钟与近端用户发送时钟之间的偏差用于控制近端用户定时同步的重采样。
进一步地，所述远端用户的定时误差跟踪提取的输入为近端用户初步干扰消除之后的信号，所述远端用户的定时误差跟踪提取用于得到远端用户发送时钟与近端用户发送时钟之间的差异。
进一步地，所述远端用户的三次重采样均由一个共同的定时误差跟踪提取结果控制。
进一步地，所述近端用户的信号波形构建通过升余弦滤波器进行波形成型得到。
进一步地，所述近端用户与远端用户的定时误差跟踪提取均可采用Gardner算法。
进一步地，所述近端用户与远端用户的重采样均可采取Farrow滤波法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中，通过信号重建得到的初步干扰消除信号用于跟踪提取远端用户的定时信息，但经远端用户定时同步后的初步干扰消除信号并不作为远端用户的解调输入，而是经远端用户定时同步之后的接收信号、经远端用户定时同步后的近端用户信号波形，执行联合干扰消除与均衡之后才作为远端用户的解调输入，相对于常规方案具有更强的鲁棒性，保证了远端小功率用户的解调性能。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为NOMA工作示意图；
图2为现有常规NOMA上行链路定时同步方法示意图；
图3为不考虑定时误差情况下的NOMA上行链路信号接收方法示意图；
图4为本发明的NOMA上行链路定时同步方法示意图；
图5为本发明技术方案定时同步性能示意图；
图6为近端用户与远端用户功率比不同时的MSE示意图；
图7为远端用户与噪声功率比不同时的MSE示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明可以被更好的了解，接下来将根据一具体的实施例来给出相关性能结果。这里假设近端用户为a，远端用户为b。
本具体实施方式提供的面向NOMA上行链路的定时同步方法中，为了能够提取出远端用户b的发送时钟信息，需要先获得一个远端用户b占主要部分的信号，所以在近端用户a调解之后需信号重建，并从重采样近端用户a之后的信号中减去信号重建结果完成初步干扰消除，随后，对干扰消除之后的信号执行定时误差提取远端用户b，即可得到远端用户b发送时钟与近端用户a发送时钟之间的差异，另外，联合干扰消除与均衡的两个输入信号分别通过远端用户b的两个重采样，使信号时钟都与远端用户b的发送时钟对齐，其中，重采样的控制信息都为定时误差提取远端用户b的结果，即用一个公共的驱动控制远端用户b的两次重采样，这里，由于定时误差提取远端用户b得到是远端用户b与近端用户a发送时钟的差异，两次重采样的输入信号的时钟都需与近端用户a的发送时钟对齐；如图4所示，输入给联合干扰消除与均衡的近端用户a的数据需先通过信号波形构建，这是因为定时同步的输入需要是信号波形，但解调近端用户a得到却是调制星座点，同时，输入给联合干扰消除与均衡的接收信号也调整为经过定时同步近端用户a之后的结果，这样是为了使远端用户b的第二次重采样的输入信号时钟与近端用户a的发送时钟对齐，通过这样的设置，通过信号重建得到的干扰消除结果仅用于提取远端用户b的定时信息，其本身并不直接参与远端用户b的信号接收流程之中，所以不需要对这个干扰消除结果进行重采样，虽然基于信号重建的干扰消除结果的性能无法得到保证，但远端用户b信号已经是其中的主要部分，足以保证定时误差提取远端用户b的鲁棒性。
这里将两用户的信道都设置为经典的rummer两径模型，两条径之间的延时为6.3ns，第二条径与第一条径的幅度之比为1-10-5/20(即notch深度为5dB)，第二条径相对于第一条径的相位呈随机分布(两个用户的信道差异反应在第二条径的随机相位上)。通信符号速率为100MHz，采用滚降系数为0.2的升余弦滤波器构建信号波形，用户a和用户b发送时钟与中心站点接收时钟之间的差异分别为10ppm和-10ppm。
如图5所示的用户a和用户b在定时同步收敛之后的采样位置与理想采样位置之间的偏差，其中用户a与用户b的信号接收功率比Sa/Sb为20dB，用户b的信号接收功率Sb与噪声功率N之比Sb/N也为20dB。可以看到，两个用户经过定时同步之后，采样位置与理想位置偏差基本都在±0.5×10-3个符号周期之内，这足以保证相移键控、正交幅度调制等常见调制模式下的系统性能。
考虑近端用户a与远端用户b的不同接收功率比，图6给出了对应的MSE结果，其中用户b与噪声功率比Sb/N固定为20dB。本发明与常规技术下用户a的接收过程相同，在此用户a的MSE性能不作区分。影响用户a的MSE性能的因素包括用户b信号和噪声，随着Sa/Sb增大，用户1的MSE在以dB为单位时几乎维持直线下降，即解调性能不断变好，符合实际预期，对于用户b，本发明相较于常规技术方案，MSE性能可以提升近2dB，这正是由于本发明技术方案可以避免因信号重建误差带来的性能恶化。随着Sa/Sb增大，可以认为用户b和噪声功率不变，用户a功率不断增加。常规方案中用户a信号重建误差主要取决于用户b和噪声功率，均衡解调性能由重建误差和噪声功率共同决定，而本发明技术方案性能主要仅由噪声功率决定，两种方案下的决定性因素并不会随Sa/Sb增大而改变，因此用户b的MSE性能与Sa/Sb几乎无关；图7在远端用户b与噪声功率比Sb/N不同时评估了MSE结果，其中Sa/Sb固定为20dB。这里仍可以发现本发明技术方案相对常规方案可以改进远端用户b的MSE性能，改善程度随着Sb/N的增大而不断提升。随着Sb/N增大，可以认为用户a和用户b的功率都固定不断，而噪声功率逐渐减小。用户a的性能由用户b和噪声功率共同决定，由于主要部分即用户b功率不变，用户a的MSE性能随Sb/N增大的提升程度很小。相应地，常规技术方案下信号重建误差提升空间也较小，因此用户b的MSE性能随Sb/N增大的改进空间受限。相反，本发明技术方案决定用户b性能的主要因素只有噪声功率，所以MSE在以dB为单位时随Sb/N增大呈现出直线下降趋势。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种面向NOMA上行链路的定时同步方法，其特征在于，所述方法包括：
对接收信号执行近端用户定时同步、均衡，解调，得到近端用户数据，其中，近端用户的定时同步包括针对接收信号的重采样和定时误差跟踪提取，重采样结果即为经近端用户定时同步后的接收信号；
对近端用户数据通过信号重建得到近端用户信号在接收信号中的形式，从经近端用户定时同步后的接收信号中减去近端用户重建结果得到初步干扰消除信号；
对近端用户数据通过信号波形构建得到近端用户信号波形；
对经近端用户定时同步后的接收信号、初步干扰消除信号、近端用户信号波形执行远端用户定时同步，分别得到经远端用户定时同步后的接收信号、经远端用户定时同步后的初步干扰消除信号、经远端用户定时同步后的近端用户信号波形，其中，远端用户的定时同步包括定时误差跟踪提取和分别针对上述三个信号定时同步的三次重采样。
2.根据权利要求1所述的一种面向NOMA上行链路的定时同步方法，其特征在于，所述近端用户的定时误差跟踪提取用于跟踪计算中心站点接收时钟与近端用户发送时钟之间的偏差。
3.根据权利要求2所述的一种面向NOMA上行链路的定时同步方法，其特征在于，所述中心站点接收时钟与近端用户发送时钟之间的偏差用于控制近端用户定时同步的重采样。
4.根据权利要求1所述的一种面向NOMA上行链路的定时同步方法，其特征在于，所述远端用户的定时误差跟踪提取的输入为近端用户初步干扰消除之后的信号，所述远端用户的定时误差跟踪提取用于得到远端用户发送时钟与近端用户发送时钟之间的差异。
5.根据权利要求4所述的一种面向NOMA上行链路的定时同步方法，其特征在于，所述远端用户的三次重采样均由一个共同的定时误差跟踪提取结果控制。
6.根据权利要求1所述的一种面向NOMA上行链路的定时同步方法，其特征在于，所述近端用户的信号波形构建通过升余弦滤波器进行波形成型得到。
7.根据权利要求1所述的一种面向NOMA上行链路的定时同步方法，其特征在于，所述近端用户与远端用户的定时误差跟踪提取均可采用Gardner算法。
8.根据权利要求1所述的一种面向NOMA上行链路的定时同步方法，其特征在于，所述近端用户与远端用户的重采样均可采取Farrow滤波法。
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