CN103095333B - 一种高速移动环境下定时同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速移动环境下定时同步方法。本发明包括步骤如下：1.构造正交角域空间基矢量；2.接收信号的正交角域投影；3.正交角域上的粗定时同步；4.正交角域上的等效多普勒估计和补偿；5.正交角域上的精定时同步；6.各个正交角域空间上精同步信号合并和定时判决。本发明定时同步过程分为粗定时同步和精定时同步，且采用参考同步帧头来进行帧定时同步；参考同步帧头包括Q个周期长度为D符号的短训练序列和一个长度为K符号的长训练序列。参考同步帧头的第一部分主要用于粗定时同步和频率同步，第二部分主要用于精定时同步。本发明在进行频偏估计时获得的估计范围大且估计精度高，同时能进一步提高同步***抑制噪声的能力。

Description

一种高速移动环境下定时同步方法

技术领域

本发明涉及多天线***中定时同步方法，特别涉及一种高速移动环境下定时同步方法。

背景技术

随着移动通信应用的不断发展和扩大，在一些特殊的场合如高速铁路，要求在高速移动环境下能够实现数据的高速传输。其中，帧定时同步技术作为移动通信传输中重要的组成部分，对移动通信***至关重要。如何在高速移动环境下（如高速铁路），实现移动通信***的时间定时同步，是现代移动通信***一个艰巨而富有挑战性的任务。

移动通信***中的定时同步技术主要分为两类：基于数据辅助的定时同步方法和基于非数据辅助的定时同步方法。第一类方法是基于参考符号进行同步，这类方法的优点是捕获快、精度高，计算复杂度低，适合分组数据通信，缺点是降低数据传输效率。第二类方法采用盲估计。它利用信号的特殊结构进行同步参数估计。盲估计的最大优点是不需要额外的参考符号开销，缺点是受多径干扰的影响较大，高精度估计需要累积几十个甚至上百个符号，捕获时间长。此外，该类方法的性能常常会受到信道的统计特性，信道的频率选择性以及信道的时间选择性等因素的影响。在实际***，如无线局域网（WLAN）以及长期演进技术(LTE)等***中，通常采用发送参考同步信号的方式来获得***的同步。在高速移动环境下，这类定时同步方法的性能会恶化。

发明内容

本发明的目的是在很对现有技术的不足，提出了一种高速移动环境下定时同步方法。该方法基于正交角域子空间投影，用于提高高速移动环境下帧定时同步性能的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤(1).利用事先构造的正交角域空间基矢量                                               ，对接收到的多天线信号进行正交投影，即；

其中 

式中，方向矢量具体如下：

其中,为接收天线经过载波波长归一化后的归一化长度，为天线之间的归一化间隔，为接收天线个数, 。

步骤(2).在各个正交角域空间上，对投影后的第m个角域空间上的接收信号进行粗定时同步，然后通过自相关运算结果来获得粗定时同步位置，即：

式中为参考同步帧头中短训练序列的周期长度，为自然数；

计算功率归一化因子，具体如下：

                       

则有：

利用得到的延迟功率归一化因子来计算获得粗定时同步位置，即：

                      

式中，是一个预先设定的门限值，其取值可以通过仿真确定。

步骤(3).利用自相关运算结果来估计等效频偏，自相关运算公式如下：

则估计得到的等效频偏为：

式中，为周期数量，是正整数；为采样间隔。

步骤（4）.利用在各个角域空间上估计得到的估计得到的等效频偏，对各个角域空间上的信号进行多普勒参数补偿，并计算得出多普勒参数补偿后的信号，即:

。

步骤(5).利用等效频偏对多普勒参数补偿后的信号进行精同步估计，得到精同步估计值，即：

              

式中，为本地产生的长训练序列；为精同步搜索窗的大小，K为参考同步帧头中长训练序列的周期长度。

步骤(6).各个正交角域空间上精同步估计值的合并和定时判决，则最后输出的精同步信号位置为：                  

。

本发明有益效果如下：

本发明通过构造接收信号的正交角域空间，将接收信号投影到各个不同的正交角域空间中，从而抑制了各个角域空间中信号的角度扩展。并通过多普勒参数估计来抑制各个角域空间上的多普勒扩展，从而获得了较好的定时同步性能。本发明定时同步过程分为两个部分：粗定时同步和精定时同步。本发明提出的定时同步方法采用参考同步帧头来进行帧定时同步。参考同步帧头由两部分组成。第一部分包括Q个周期长度为D符号的短训练序列。第二部分包括一个长度为K符号的长训练序列。参考同步帧头的第一部分主要用于粗定时同步和频率同步，第二部分主要用于精定时同步。第一部分是具有重复结构的参考信号，可以利用自相关运算对频偏不敏感的优点进行粗定时同步检测。另外，由于参考同步帧头第一部分的重复周期长度适中且有多个重复的参考信号，在进行频偏估计时既获得较大的估计范围，又获得较好的估计精度。接着利用同步帧头第二部分的长训练序列，通过互相关运算来进行精同步，可以进一步提高同步***抑制噪声的能力。

附图说明

图1本发明参考同步帧头示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种高速移动环境下定时同步方法，该方法基于正交角域子空间投影，用于提高高速移动环境下帧定时同步性能的方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤(1).利用事先构造的正交角域空间基矢量，对接收到的多天线信号进行正交投影，即；

其中 

式中，方向矢量具体如下：

其中,为接收天线经过载波波长归一化后的归一化长度，为天线之间的归一化间隔，为接收天线个数, 。

步骤(2).在各个正交角域空间上，对投影后的第m个角域空间上的接收信号进行粗定时同步，然后通过自相关运算结果来获得粗定时同步位置，即：

式中为参考同步帧头中短训练序列的周期长度，为自然数；

计算功率归一化因子，具体如下：

                       

则有：

利用得到的延迟功率归一化因子来计算获得粗定时同步位置，即：

                      

式中，是一个预先设定的门限值，其取值可以通过仿真确定。

步骤(3).利用自相关运算结果来估计等效频偏，自相关运算公式如下：

则估计得到的等效频偏为：

式中，为周期数量，是正整数；为采样间隔。

步骤（4）.利用在各个角域空间上估计得到的估计得到的等效频偏，对各个角域空间上的信号进行多普勒参数补偿，并计算得出多普勒参数补偿后的信号，即

；

步骤(5).利用等效频偏对多普勒参数补偿后的信号进行精同步估计，得到精同步估计值，即：

              

式中，为本地产生的长训练序列；为精同步搜索窗的大小，K为参考同步帧头中长训练序列的周期长度。

步骤(6).各个正交角域空间上精同步估计值的合并和定时判决，则最后输出的精同步信号位置为：                  

。

在单入单出（SISO）***中，即发送和接收天线都为1的情况，由于SISO***只有二维分辨力，因此在进行SISO***信道建模时，通常假设相对时延较小的多径信号的入射角在空间上均匀分布。本质上来说，单天线***在高速移动环境下对于由于多径信号到达角度的扩展而引起的多普勒扩展没有有效的抑制途径。而在多天线***中，由于接收端采用了多天线技术，本质上该***具有空、时、频三维分辨力。多天线***在引入了空间角域分辨力后，***对于多普勒扩展的抑制能力有了本质的提升。

本发明方法首先是构造接收信号的正交角域空间。构造正交角域空间时，首先定义空间基矢量。考虑3GPP(第三代伙伴计划)推荐的半波长等间隔线状阵列天线。接收天线经过载波波长归一化后的归一化长度为，天线之间的归一化间隔为，为接收天线个数。假定在发射机与接收机之间存在任意数量的物理路径，定义方向矢量为：

              

接着由构造正交角域空间：

构成了接收信号空间的正交基。正交基中的每个矢量的功率方向图谱中有一对或多对宽度为的主瓣以及小的旁瓣（当时仅有一对主瓣），不同的基矢量有不同的主瓣。这意味着沿任意物理方向的接收信号，其绝大多数能量与某个特定的矢量同向，而在其它矢量方向上几乎没有能量。因此，该正交基提供了总的接收信号在由分辨力决定的不同物理方向的多条路径上十分简单的分解方式。

利用构造的空间基矢量，将接收信号投影到正交角域空间。在每个角域空间上，接收信号的到达角被限制在各个角域空间范围内。在天线间距一定的情况下，接收到信号在各个角域空间上角度扩展和天线阵列的长度有关。天线阵列的长度越大，接收到信号在各个角域空间上角度扩展越小。因此在同一个角域空间内，接收到的各个径的到达角的差异随着天线阵列长度的增加而变小。当天线阵列的长度足够长时，接收到的各个径的到达角的差异足够的小，可近似认为相同。此时在接收端，对于投影到每个角域空间上的信号来说，合成每一个时域可分辨多径的这些径的信号是同频异相的。而同频异相的各个信号叠加起来的效果不再表现为多普勒扩展，而表现为多普勒频移。

在本发明中，定时同步过程分为两个部分：粗定时同步和精定时同步。本发明提出的定时同步方法采用参考同步帧头来进行帧定时同步。参考同步帧头的格式如图1所示。参考同步帧头由两部分组成。第一部分包括Q个周期长度为D符号的短训练序列。第二部分包括一个长度为K符号的长训练序列。参考同步帧头的第一部分主要用于粗定时同步和频率同步，第二部分主要用于精定时同步。第一部分是具有重复结构的参考信号，可以利用自相关运算对频偏不敏感的优点进行粗定时同步检测。另外，由于参考同步帧头第一部分的重复周期长度适中且有多个重复的参考信号，在进行频偏估计时既获得较大的估计范围，又获得较好的估计精度。接着利用同步帧头第二部分的长训练序列，通过互相关运算来进行精同步，可以进一步提高同步***抑制噪声的能力。

Claims (1)

1.一种高速移动环境下定时同步方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤(1).利用事先构造的正交角域空间基矢量U_r，对接收到的多天线信号Y进行正交投影，即

其中

$U_r=\left[\begin{array}{cccc}{e}_r\left(0\right)& e_r\left(\frac{1}{L_r}\right)& ...& e_r\left(\frac{n_r-1}{L_r}\right)\end{array}\right]$

式中，方向矢量e_r(Ω)具体如下：

$e_r\left(\mathrm{\Ω}\right)=\frac{1}{\sqrt{n_r}}\left[\begin{array}{c}1\\ \exp (-j2\mathrm{\π}{\mathrm{\Δ}}_r\mathrm{\Ω})\\ .\\ .\\ .\\ \exp (-j2\mathrm{\π}(n_r-1){\mathrm{\Δ}}_r\mathrm{\Ω})\end{array}\right]$

其中,L_r为接收天线经过载波波长归一化后的归一化长度，Δ_r＝L_r/n_r为天线之间的归一化间隔，n_r为接收天线个数,

步骤(2).在各个正交角域空间上，对投影后的第m个角域空间上的接收信号进行粗定时同步，为Y^a在第n个采样时刻第m列元素；然后通过自相关运算结果c_m(n)来获得粗定时同步位置，即：

$c_m\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{2D}{\mathrm{\Σ}}}{y}_m^a(n+k)y_m^{a*}(n+k+D)$

式中D为参考同步帧头中短训练序列的周期长度，m、n为自然数；

计算功率归一化因子M(n)，具体如下：

$P_m\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{2D}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y_m^a(n+k+D)\right|}^2$

则有：

$M\left(n\right)=\frac{\underset{m=1}{\overset{n_r}{\mathrm{\Σ}}}\left|c_m\left(n\right)\right|}{\underset{m=1}{\overset{n_r}{\mathrm{\Σ}}}{P}_m\left(n\right)}$

利用得到的延迟功率归一化因子M(n)来计算获得粗定时同步位置n_c，即：

n_c＝argmin{n|M(n)≥T_h}

式中，T_h是一个预先设定的门限值，其取值可以通过仿真确定；

步骤(3).利用自相关运算结果来估计等效频偏自相关运算公式如下：

则估计得到的等效频偏为：

式中，Q为周期数量，是正整数；T_s为采样间隔；

步骤(4).利用在各个角域空间上估计得到的等效频偏对各个角域空间上的信号进行多普勒参数补偿，并计算得出多普勒参数补偿后的信号即

$d_m^a\left(n\right)=y_m^a\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\π}{\hat{f}}_{m}n{T}_s};$

步骤(5).利用等效频偏对多普勒参数补偿后的信号进行精同步估计，得到精同步估计值G_m(n)，即：

$G_m\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{d}_m^a(n+k+n_c)s^{*}\left(k\right),-W\≤n\≤W$

式中，s(n)为本地产生的长训练序列；W为精同步搜索窗的大小，K为参考同步帧头中长训练序列的周期长度；

步骤(6).各个正交角域空间上精同步估计值G_m(n)的合并和定时判决，则最后输出的精同步信号位置n_f为：

$n_f=\underset{-W\≤n\≤W}{\arg \max }\left\{\underset{m=1}{\overset{n_r}{\mathrm{\Σ}}}\right|G_m\left(n\right)\left|\right\}.$