[发明专利]一种无线通信中基于簇的分布式天线时间频率同步方法

摘要

本发明涉及一种无线通信中基于簇的分布式天线时间频率同步方法，属于无线通信技术领域。本发明将大量分布式天线分簇，选出簇代表天线，对簇代表天线进行分布式双向协作同步。然后，由簇代表天线发起簇内的分布式双向协作同步，最终实现系统中所有分布式天线的时间频率同步。本发明的优点是：通过分簇处理，使多个簇同时进行同步，减少了总的同步时间，加快了同步速度；首先进行簇代表天线之间的同步，然后进行簇内的分布式双向协作同步可以得到更高的同步精度，满足分布式无线通信系统对同步精度的要求；预先完成分布式天线之间的同步，避免终端用户同多个分布式天线进行多次同步。减少了终端用户的系统资源开销，提高了通信的可靠性。

主权项

1.一种无线通信中基于簇的分布式天线时间频率同步方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)将无线通信系统中的M＝PN个分布式天线划分为P个簇，p＝1，2，...，P，每个簇内的分布式天线数目为N个，n＝1，2，...，N，第p个簇中的第n个分布式天线用表示，则每簇中分布式天线集合为设系统中分布式天线的统一参考时钟信号为Ψ(t)＝exp{j(Ωt+Φ)}，其中Ω为本地晶振的频率，t为统一的全局参考时间，Φ为本地晶振的相位。由于存在本地晶振的偏差，所以系统中任意一个分布式天线i的的本地晶振信号表示为：ψ_i(t)＝exp{j(Ω_it+Φ_i+n_i(t))}，i＝1，2，...，M-1，M    (1)上式中Ω_i为本地晶振频率，Φ_i表示本地晶振的相位，n_i(t)为本地晶振的噪声干扰；根据上述(1)式，得到上述系统中任意一个分布式天线i的当前本地时间为：t_i＝(Ω_it+Φ_i+n_i(t))/Ω＝α_i(t+Δ_i(t))，i＝1，2，...，M-1，M    (2)其中α_i＝Ω_l/Ω，表示系统中任意一个分布式天线i的本地晶振频率和统一的全局晶振频率的比值；Δ_i(t)＝(Φ_i+n_i(t))/Ω_i，表示系统中任意一个分布式天线i的本地时间偏差，考虑到在一个单位传播时隙内本地时钟偏差为一个固定值，则系统中任意一个分布式天线i的本地时间t_i和全局参考时间t的关系式为t_i＝t+Δ_i；(2)从上述每个簇的N个分布式天线中选取2个分布式天线和作为簇代表天线，则相邻的P个簇产生2P个簇代表天线；(3)对上述所有的簇代表天线进行分布式双向协作同步，具体过程如下：(3-1)对上述所有的簇代表天线进行编号后排序，形成簇代表天线集合简写为{A₁，A₂，...，A_2P-1，A_2P}；(3-2)由簇代表天线A₁向簇代表天线A₂发送正弦信号，以此类推A₁→A₂→...→A_2P-1→A_2P，记为前向传输；当前向传输结束后，由簇代表天线A_2P发送相同的正弦信号到簇代表天线A_2P-1，以此类推A_2P→A_2P-1→...→A₂→A₁，记为反向传输，前向传输和反向传输共占用4P-2个单位传播时隙，其中时隙{T⁽¹⁾，T⁽²⁾，...，T^(2P-2)，T^(2P-1)}为前向传输时隙集合，时隙{T^(2P)，T^(2P+1)，...，T^(4P-3)，T^(4P-2)}为反向传输时隙集合；(3-3)在上述前向传输时隙T⁽¹⁾内，簇代表天线A₁发送的信号表示为：s₁⁽¹⁾(t)＝exp{j(w₁t₁+Φ₁)}                    (3)其中w₁为簇代表天线A₁的本地晶振频率，Φ₁为本地晶振的相位；簇代表天线A₂接收来自簇代表天线A₁的信号，该信号用簇代表天线A₂的本地时间t₂表示为：r2(1)(t2)=H1,2exp{j(α1w1(t2/α2+Δ1-Δ2)+Φ1)}+ω2(1)(t2)---(4)]]>其中H_1，2为从簇代表天线A₁到簇代表天线A₂的信道传输增益，并设定前向传输和后向传输的信道传输增益对称相等，为簇代表天线A₂在T⁽¹⁾中接收到的噪声，则簇代表天线A₂估计得到的晶振频率和相位为：w^2(1)=(α1w1+w~2(1))/α2---(5)]]>Φ^2(1)=α1w1(Δ1-Δ2)+Φ1+Φ~2(1)---(6)]]>其中和为频率估计误差和相位估计误差；(3-4)重复上述步骤(3-2)-(3-3)，得到簇代表天线Ai的前向传输估计的晶振频率和相位为：w^i=αi-1w^i-1/αi=α1w1/αi---(7)]]>Φ^i=α1w1(Δi-1-Δi)+Φ^i-1=a1w1(Δ1-Δi)+Φ1;---(8)]]>(3-5)反向传输由簇代表天线A_2P开始，直到在反向传输时隙T^(4p-2)内簇代表天线A₁接收到最终信号为止；(3-6)在上述反向传输时隙T^(2P)内，簇代表天线A_2P发送的信号表示为：s_2P^(2P)(t)＝exp{j(w_2Pt_2P+Φ_2P)}            (9)其中w_2P为簇代表天线A_2P的本地晶振频率，Φ_2P为本地晶振的相位；簇代表天线A_2P-1接收来自簇代表天线A_2P的信号，该信号用簇代表天线A_2P-1的本地时间t_2p-1表示为：r2P-1(2P)(t2P-1)=H2P,2P-1exp{j(α2Pw2P(t2P-1/α2P-1+Δ2P-Δ2P-1)+Φ2P)}+ω2P-1(2P)(t2P-1)---(10)]]>其中H_2P，2P-1为从簇代表天线A_2P到簇代表天线A_2P-1的传输信道增益，为簇代表天线A_2P-1在T^(2P)中接收到的噪声，则簇代表天线A_2P-1估计得到的晶振频率和相位为：w^2P-1(2P)=(α2Pw2P+w^2P-1(2P))/α2P-1---(11)]]>Φ^2P-1(2P)=α2Pw2P(Δ2P-Δ2P-1)+Φ2P+Φ~2P-1(2P)---(12)]]>其中和为频率估计误差和相位估计误差；(3-7)重复上述步骤(3-5)-(3-6)，得到簇代表天线A_i的反向传输估计的晶振频率和相位为：w^i=αi+1w^i+1/αi=α2Pw2P/αi---(13)]]>Φ^i=α2Pw2P(Δi+1-Δi)+Φ^i+1=α2Pw2P(Δ2P-Δi)+Φ2P;---(14)]]>(3-8)根据上述得到的每个簇代表天线的前向传输估计结果与反向传输估计结果，则簇代表天线A_i估计的最终本地晶振频率和相位为：w^i=(α1w1+α2Pw2P)/αi---(15)]]>Φ^i=α1w1(Δ1-Δi)+α2Pw2P(Δ2P-Δi)+Φ1+Φ2P---(16)]]>并得到基于统一的全局参考时间t的簇代表天线A_i的本地晶振信号为：ψ_i(t)＝exp{j((α₁w₁+α_2Pw_2P)t+λ₁+λ_2P)}，i＝1，2，...，2P-1，2P    (17)其中λ_n＝α_nw_nΔ_n+Φ_n；(3-9)根据上述簇代表天线A_i的本地晶振频率和相位的估计值，得到簇代表天线集合的本地晶振信号的同步结果为：ψn(p)(t)=exp{j((α1(1)w1(1)+αN(P)wN(P))t+λ1(P)+λN(P))},p=1,2,...,P,n=1,2,...,N;---(18)]]>(4)根据上述各簇之间的簇代表天线的同步结果，然后，由每个簇的簇代表天线发起簇内的多个分布式天线之间的分布式双向协作同步，其中的系统设定和同步方法与上述步骤(3)中的一样，以第p个簇的N个分布式天线为例，p＝1，2，...，P，具体步骤如下：(4-1)在完成簇代表天线集合同步后，对簇内的N个分布式天线进行编号后排序，形成分布式天线集合简写为{B₁，B₂，...，B_N}，其中的分布式天线是该簇的两个簇代表天线；(4-2)由簇内的分布式天线B₁向分布式天线B₂发送正弦信号，以此类推B₁→B₂→...→B_N-1→B_N，记为前向传输；当前向传输结束后，由分布式天线B_N发送相同的正弦信号到分布式天线B_N-1，以此类推B_N→B_N-1→...→B₂→B₁，记为反向传输，前向传输和反向传输共占用2N-2个单位传播时隙，其中时隙为前向传输时隙集合，时隙为反向传输时隙集合；(4-3)在上述前向传输时隙内，分布式天线B1发送的信号表示为：x₁⁽¹⁾(t)＝exp{j(w₁t₁+Φ₁)}        (19)其中w₁为分布式天线B₁的本地晶振频率，Φ₁为本地晶振的相位；分布式天线B₂接收来自分布式天线B₁的信号，该信号用分布式天线B₂的本地时间t₂表示为：y2(1)(t2)=H1,2exp{j(α1w1(t2/α2+Δ1-Δ2)+Φ1)}+ω2(1)(t2)---(20)]]>其中H_1，2为从分布式天线B₁到分布式天线B₂的信道传输增益，并设定前向传输和后向传输的信道传输增益对称相等，为分布式天线B₂在中接收到的噪声，则分布式天线B₂估计得到的晶振频率和相位为：w^2(1)=(α1w1+w~2(1))/α2---(21)]]>Φ^2(1)=α1w1(Δ1-Δ2)+Φ1+Φ~2(1)---(22)]]>其中和为频率估计误差和相位估计误差；(4-4)重复上述步骤(4-2)-(4-3)，得到簇内分布式天线集合中分布式天线B_i的前向传输估计的晶振频率和相位为：w^i=αi-1w^i-1/αi=α1w1/αi---(23)]]>Φ^i=α1w1(Δi-1-Δi)+Φ^i-1=α1w1(Δ1-Δi)+Φ1;---(24)]]>(4-5)反向传输由分布式天线B_N发起，直到时隙中分布式天线B₁接收到最终信号为止；(4-6)在上述反向传输时隙内，分布式天线B_N发送的信号表示为：x_N^(N)(t)＝exp{j(w_Nt_N+Φ_N)}(25)其中w_N为分布式天线B_N的本地晶振频率，Φ_N为本地晶振的相位；分布式天线B_N-1接收来自分布式天线B_N的信号，该信号用分布式天线B_N-1的本地时间t_N-1表示为：yN-1(N)(tN-1)=HN,N-1exp{j(αNwN(tN-1/αN-1+ΔN-ΔN-1)+ΦN)}+ωN-1(N)(tN-1)---(26)]]>其中H_N，N-1为从分布式天线B_N到分布式天线B_N-1的传输信道增益，为分布式天线B_N-1在中接收到的噪声，则分布式天线B_N-1估计得到的频率和相位是w^N-1(N)=(αNwN+w~N-1(N))/αN-1--(27)]]>Φ^N-1(N)=αNwN(ΔN-ΔN-1)+ΦN+Φ^N-1(N)---(28)]]>其中和为频率估计误差和相位估计误差；(4-7)重复上述步骤(4-5)-(4-6)，得到簇内分布式天线集合中分布式天线B_i的反向传输估计的晶振频率和相位为：w^i=αi+1w^i+1/αi=αNwN/αi---(29)]]>Φ^i=αNwN(Δi+1-Δi)+Φ^i+1=αNwN(ΔN-Δi)+ΦN;---(30)]]>(4-8)根据上述得到的簇内分布式天线的前向传输估计结果与反向传输估计结果，则分布式天线B_i估计的最终本地晶振频率和相位为：w^i=(α1w1+αNwN)/αi---(31)]]>Φ^i=α1w1(Δ1-Δi)+αNwN(ΔN-Δi)+Φ1+ΦN---(32)]]>并得到基于统一的全局参考时间t的分布式天线B_i的本地晶振信号为：ψ_i(t)＝exp{j((α₁w₁+α_Nw_N)t+λ₁+λ_N)}，i＝1，2，...，N-1，N    (33)其中λ_n＝α_nw_nΔ_n+Φ_n；(4-9)根据上述簇内分布式天线B_i的本地晶振频率和相位的估计值，得到第p个簇的簇内分布式天线集合的本地晶振信号的同步结果为：ψn(p)(t)=exp{j((α1(p)w1(p)+αN(p)wN(p))t+λ1(p)+λN(p))},p=1,2,...,P,n=1,2,...,N;---(34)]]>(4-10)由于第p个簇的簇代表天线和簇代表天线已经在上述第(3)步中同其他簇的簇代表天线完成本地晶振的同步，所以整个系统中的P个簇共M个分布式天线完成时间频率同步。即将上述式子(18)代入式子(34)中得到整个系统中所有分布式天线的最终同步结果为：ψn(p)(t)=exp{j[2(α1(1)w1(1)+αN(P)wN(P))t+2(λ1(P)+λN(P))]},p=1,2,...,P,n=1,2,...,N.---(35)]]>