CN113242065A - 一种利用位置信息的天波大规模mimo上行同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法，包括如下步骤：基站侧广播发送下行同步信号，用户侧接收来自基站的下行同步信号；用户侧根据下行同步信号，计算获得下行数据帧的起始位置；用户侧根据自身位置信息和基站位置信息计算获得最短传播路径距离，并根据最短传播距离获得用户无线链路往返传输最小相对时延；用户侧根据已获得的数据帧的起始位置和下行相对时延调整其上行帧发送时刻；基站侧根据收到的上行同步序列反馈用户定时提前信息给用户侧，实现上行同步；本发明的利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法能够显著降低***同步开销，提高天波无线通信***的频谱效率。

Description

一种利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法
技术领域
本发明涉及天波大规模MIMO通信技术领域，特别是涉及一种利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法。
背景技术
短波通信是指利用频率为3-30MHz的电磁波进行的无线通信，也即短波通信波长在大约10-100m。短波通信由于其灵活性、易于部署、可靠性及通信距离远等特点，被广泛应用于各个领域，尤其是在军事部门，发挥着不可替代的作用，是军事战略和战术通信的重要手段。天波传输是指电波经电离层反射回地面接收点的短波通信传输方式，可以提供基于电离层反射的单跳(<4000km)或者多跳短波通信。天波传输具有两个突出的优点，一是其传输损耗小，能以较小的功率进行远距离通信；二是作为传输介质的电离层抗毁性强，传输可靠性高。
大规模MIMO的大维度特性可以带来频谱资源利用率提升、***容量增加等好处，OFDM正交频分复用技术将串行传输数据流通过串并转换，分配到多个并行的正交子载波上，可以有效抑制码间干扰和频率选择性衰落。在实际天波大规模MIMO无线通信***中，尤其是上行，未经矫正的时偏将破坏正交性，产生符号间干扰、信道间干扰和多用户干扰，降低***性能。由于天波传输距离较长，导致上行同步遍历成本提升，因此用户侧通过利用利用位置信息计算用户无线链路往返传输最小相对时延并完成上行同步可以降低基站侧上行同步遍历成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法，用户侧通过利用位置信息，充分考虑天波传输模式、电离层高度以及用户侧与基站侧之间曲面距离来计算用户无线链路往返传输最小相对时延并完成上行同步，以降低基站侧上行同步遍历成本。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法，所述方法适用于天波大规模MIMO通信***，该***包括短波基站和多个短波用户，所述短波基站与所述短波用户实现大规模MIMO通信；所述方法包括如下步骤：
步骤S1、基站侧广播发送下行同步信号，用户侧接收来自所述基站侧的下行同步信号；
步骤S2、所述用户侧根据所述下行同步信号，计算获得下行数据帧的起始位置；
步骤S3、所述用户侧根据自身的位置信息和基站侧的位置信息计算获得最短传播路径距离，并根据所述最短传播路径距离获得用户无线链路往返传输最小相对时延；
步骤S4、所述用户侧根据步骤S2中计算得到的下行数据帧的起始位置，以及步骤S3获得的最小相对时延，调整其上行帧发送时刻；
步骤S5、所述基站侧根据收到的上行同步序列，计算用户定时提前信息并反馈至用户侧，用户侧利用所述用户定时提前信息再次调整上行帧发送时刻，实现上行同步。
进一步的，在所述天波大规模MIMO通信***中，基站侧为大规模天线阵列，用户侧天线为单天线。
进一步的，所述用户侧利用下行同步序列的自相关性、互相关性和恒幅低峰均比特性计算获得下行数据帧的起始位置，完成下行同步。
进一步的，所述用户侧和所述基站侧的位置信息包括经度信息和纬度信息。
进一步的，所述步骤S3具体包括：所述用户侧根据自身的位置信息和基站侧的位置信息，通过考虑电离层高度和两地的经纬度信息，求解近似最短传播路径距离或利用射线追踪技术追踪获得最短传播路径距离。
进一步的，在所述步骤S3中，求解近似最短传播路径距离时，首先计算基站侧和用户侧于地球表面的曲面距离，并根据这一距离确定传播模式，随后根据传播模式、电离层高度和曲面距离解大地问题计算获得用户无线链路往返传输最小相对时延
本发明的有益效果是：
1、传统天波上行同步需要基站侧通过上行同步信号计算定时提前量发送给用户侧，然后用户侧调整其上行帧发送时刻，实现上行同步，但天波传输距离长，信道时延较大，基站遍历搜索上行同步序列成本较高；对于本发明，用户侧利用位置信息，充分考虑天波传输模式、电离层高度以及用户侧与基站侧之间曲面距离来计算用户无线链路往返传输最小相对时延并调整其上行帧发送时刻，完成初步上行同步，节省了基站侧遍历搜索上行同步序列的成本，减少了上行同步序列的长度，提高了通信***的传输效率。
2、用户无线链路往返传输最小相对时延算法计算复杂度低，能很好地应用于实际天波大规模MIMO***；同时，实际获得用户无线链路往返传输最小相对时延的方法并不唯一，很多算法和射线追踪软件均可使用，因此在本发明中利用位置信息的最小相对时延获取方法灵活度很高。
附图说明
图1为实施例1中利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法的流程图。
图2为一般上行同步方法和实施例1中提供的方法的步骤对比图。
图3为用户侧和基站侧的球面距离示意图。
图4为上行定时提前效果示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例1
参见图1-图4，本实施提供一种利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法，主要包括如下步骤：
1、基站侧广播发送下行同步信号，用户侧接收来自基站的下行同步信号；
2、用户侧根据下行同步信号，计算获得下行数据帧的起始位置；
3、用户侧根据自身位置信息和基站位置信息计算获得最短传播路径距离，并根据最短传播距离获得用户无线链路往返传输最小相对时延；
4、用户侧根据已获得的数据帧的起始位置和下行相对时延调整其上行帧发送时刻；
5、基站侧根据收到的上行同步序列反馈用户定时提前信息给用户侧，用户侧利用反馈信息再次调整上行帧发送时刻，实现上行同步。
具体的说，下面结合具体***模型对本发明实施例作进一步详细介绍。
1、利用位置信息的天波大规模MIMO***配置及信道模型
在天波大规模MIMO***模型中，基站侧天线阵列包含数十个以上的天线单元，各天线采用全向天线；用户侧天线为单天线，各用户侧天线采用全向天线。
考虑一个远距离天波大规模MIMO通信***，基站侧配置一个天线总数为M的线性均匀阵列，用户侧为U个单天线用户终端。电离层分为D，E，F三层，其中E和F层在传播过程中主要起到对电波进行反射的作用，保证远距离传输，而D层起到吸收的作用，导致信号的衰减。与一般的大规模MIMO传输***类似，天波信道也具有多径传播的特征。具体来说，一般是由于E层或F层的单个或多个反射导致信号通过多条路径到达接收端。
令Nc为OFDM子载波总数，Ng为循环前缀(CP,CyclicPrefix)长度，Ts为***采样间隔，则单个OFDM符号持续时间Tc＝NcTs，CP的持续时间Tg＝NgTc。并令
Figure BDA0003075256740000031
为第U个单天线用户终端发射的模拟基带信号，则基站侧的接收模拟基带信号可以表示为
Figure BDA0003075256740000041
其中，
Figure BDA0003075256740000042
为第U个单天线用户终端和基站间的时变上行信道冲激响应向量，zul(t)为包含M个具有相同功率谱密度的独立复高斯白噪声的噪声矢量。
类似的，令
Figure BDA0003075256740000043
为下行发射给第U个单天线用户终端的模拟基带信号向量，则第U个单天线用户终端接收的模拟基带信号向量可以表示为：
Figure BDA0003075256740000044
其中，[hu(t,τ)]T为基站和第U个单天线用户终端的时变下行信道冲激响应向量，从表达式上看其为上行信道冲激响应向量的转置，
Figure BDA0003075256740000045
为复高斯白噪声。在实际应用中，一般只选择Nν个子载波用于数据传输，且一般挑选靠近中心载频的子载波。假设令这Nν个用于传输子载波的序号集为K＝{0,1,…,Nν-1}，剩余的Nc-Nν个子载波用作***的保护子载波。令
Figure BDA0003075256740000046
为第u个单天线用户终端在第
Figure BDA00030752567400000417
个符号第k个子载波上传输的信号。
则在包含CP的情况下，第u个单天线用户终端在第
Figure BDA0003075256740000047
个符号上传输的模拟基带信号可以表示为：
Figure BDA0003075256740000048
其中，Δf＝1/Tc表示子载波间隔。类似的，令
Figure BDA0003075256740000049
为基站侧在第
Figure BDA00030752567400000410
个符号第k个子载波上传输给第u个单天线用户终端的信号。则在包含CP的情况下，在第
Figure BDA00030752567400000411
个符号上传输给第u个单天线用户终端的模拟基带信号可以表示为：
Figure BDA00030752567400000412
基站侧的第
Figure BDA00030752567400000413
个符号第k个子载波的解调信号向量可以表示为：
Figure BDA00030752567400000414
其中，
Figure BDA00030752567400000415
表示第u个单天线用户终端和基站在第
Figure BDA00030752567400000416
个符号第k个子载波上的上行信道频率响应向量，可以表示为：
Figure BDA0003075256740000051
其中，
Figure BDA0003075256740000052
表示
Figure BDA0003075256740000053
的傅里叶变换。
Figure BDA0003075256740000054
是服从
Figure BDA0003075256740000055
分布的复高斯噪声向量。
类似的第u个单天线用户终端的第
Figure BDA0003075256740000056
个符号第k个子载波的解调信号可以表示为
Figure BDA0003075256740000057
其中，
Figure BDA0003075256740000058
表示基站和第u个单天线用户终端在第
Figure BDA0003075256740000059
个符号第k个子载波的下行信道频率响应向量，
Figure BDA00030752567400000510
是服从
Figure BDA00030752567400000511
分布的复高斯噪声。
上行同步过程一般指用户发送上行同步信号，到用户与基站建立起基本的连接之间的过程。实现用户侧和基站侧的上行同步的意义在于，由于天波大规模MIMO-OFDM***中上行数据发送以OFDM调制为基础，OFDM调制要求不同用户的信号到达基站的时间基本相同，否则会产生子载波间干扰。用户侧通过下行同步过程仅能实现用户侧的同步，如果用户侧按照下行同步定时发送上行信号，则会由于不同用户侧与基站之间的距离不同，不同用户的信号到达基站的时间差可达2Rc/c，其中Rc为两个用户侧与基站侧的传输距离差，c为电磁波的传播速度。通过上行同步方法，可以计算获得用户信号到达基站的时间差，从而对用户的上行发送时间做出调整，实现初步上行同步。图2为一般上行同步方法和利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法的步骤对比，用户侧利用位置信息先估计计算定时提前量调整其上行帧发送时刻，节省了基站侧遍历搜索上行同步序列的成本，减少了上行同步序列的长度，提高了***传输效率。
2、利用位置信息计算获得最短传播路径距离
用户侧已知自身位置信息和基站位置信息，位置信息包括但不限于经度和纬度信息。用户侧根据已知的自身位置信息和基站位置信息，通过考虑电离层高度和两地经纬度解近似最短传播路径距离或利用射线追踪技术追踪获得最短传播路径距离。
用户侧已知用户位置P1和基站位置P2，其中位置Pi,(i＝1,2)通过位置的经纬度信息确定方位，即用户位置P1的经纬度为(α1,β1)，基站位置P2的经纬度为(α2,β2)，其中αi,(i＝1,2)为位置Pi的经度，βi,(i＝1,2)为位置Pi的纬度。为了计算方便，假设地球为一个完美的球体，其半径为地球的平均半径R＝6378.137km。根据经纬度定义，从赤道向北和向南，各分90°，称为北纬和南纬，北纬取正值，南纬取负值。按照0°经线的基准，东经取经度正值，西经取经度负值，即αi∈(-180,180],βi∈[-90,90]。图3为用户侧和基站侧的球面距离示意图，则通过解大地问题可以得知用户侧和基站侧的球面距离S可以表示为：
Figure BDA0003075256740000061
由于根据传播距离的不同，天波通信的可能传播模式也存在不同，考虑最短传播路径距离，认为传播距离为0-2000km范围内，天波传输进行一次经过E层电离层反射的传播模式；传播距离为2000-4000km范围内，天波传输进行一次经过F层电离层反射的传播模式；传播距离为4000-8000km范围内，天波传输进行两次经过F层电离层反射的传播模式。令E层电离层反射高度hE为100km，F层电离层反射高度hF为300km，则用户侧和基站侧的最短传播路径距离SSW可以表示为：
Figure BDA0003075256740000062
3、上行定时提前
根据计算获得的最短路径传播距离SSW，用户可以获得用户信号到达基站的最短时间差θ＝SSW/c，调整用户的上行发送时间至比原上行发送时刻提前2θ，从而实现多个用户的信号到达基站的时间基本相同，节省了基站侧遍历搜索上行同步序列的成本，基站侧根据上行同步序列计算用户定时提前量并反馈给用户，用户根据接收到的用户定时提前量更新上行帧发送时刻，实现上行同步。图4为上行定时提前效果示意图，多个用户通过上行定时提前，使得基站侧接收到多个用户的信号时间基本相同，节省了基站侧遍历搜索上行同步序列的成本，实现了上行同步，避免了子载波间的干扰。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法，其特征在于，所述方法适用于天波大规模MIMO通信***，该***包括短波基站和多个短波用户，所述短波基站与所述短波用户实现大规模MIMO通信；
所述方法包括如下步骤：
步骤S1、基站侧广播发送下行同步信号，用户侧接收来自所述基站侧的下行同步信号；
步骤S2、所述用户侧根据所述下行同步信号，计算获得下行数据帧的起始位置；
步骤S3、所述用户侧根据自身的位置信息和基站侧的位置信息计算获得最短传播路径距离，并根据所述最短传播路径距离获得用户无线链路往返传输最小相对时延；
步骤S4、所述用户侧根据步骤S2中计算得到的下行数据帧的起始位置，以及步骤S3获得的最小相对时延，调整其上行帧发送时刻；
步骤S5、所述基站侧根据收到的上行同步序列，计算用户定时提前信息并反馈至用户侧，用户侧利用所述用户定时提前信息再次调整上行帧发送时刻，实现上行同步。
2.根据权利要求1所述的一种利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法，其特征在于，在所述天波大规模MIMO通信***中，基站侧为大规模天线阵列，用户侧天线为单天线。
3.根据权利要求2所述的一种利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法，其特征在于，所述用户侧利用下行同步序列的自相关性、互相关性和恒幅低峰均比特性计算获得下行数据帧的起始位置，完成下行同步。
4.根据权利要求3所述的一种利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法，其特征在于，所述用户侧和所述基站侧的位置信息包括经度信息和纬度信息。
5.根据权利要求4所述的一种利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：所述用户侧根据自身的位置信息和基站侧的位置信息，通过考虑电离层高度和两地的经纬度信息，求解近似最短传播路径距离或利用射线追踪技术追踪获得最短传播路径距离。
6.根据权利要求5所述的一种利用位置信息的天波大规模MIMO上行同步方法，其特征在于，在所述步骤S3中，求解近似最短传播路径距离时，首先计算基站侧和用户侧于地球表面的曲面距离，并根据这一距离确定传播模式，随后根据传播模式、电离层高度和曲面距离解大地问题计算获得用户无线链路往返传输最小相对时延。
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