无线通信中基于簇的两阶段分布式天线的频率同步方法

摘要

本发明涉及一种无线通信中基于簇的两阶段分布式天线的频率同步方法，属于无线通信技术领域。首先，对有多个分布式天线的通信系统进行分簇处理，选出簇代表天线，完成簇代表天线之间的高精度频率同步。然后，由簇代表天线发起各簇内的多个分布式天线的频率同步，实现系统中所有分布式天线的频率同步。本发明通过分簇处理，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；本发明方法得到了更高的同步精度，满足分布式无线通信系统对同步精度的要求；本方法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两阶段分布式天线的频率同步方法，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，则第p个簇中分布式天线集合为设无线通信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为统一的全局晶振频率，t为统一的全局参考时间，Φ为统一的全局晶振相位，则无线通信系统中任意一个分布式天线i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上式中Ω_i为分布式天线i的本地晶振频率，Φ_i表示分布式天线i的本地晶振的相位，n_i(t)为分布式天线i的本地晶振的噪声；根据上式，得到无线通信系统中分布式天线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))其中α_i＝Ω_i/Ω，表示分布式天线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，表示分布式天线i的本地时间偏差，简写为Δ_i，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个分布式天线中选定分布式天线作为簇代表天线，则相邻的P个簇产生P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（3－2）由簇代表天线A₁向簇代表天线A₂发送信号，以此类推A₁→A₂→...→A_P-1→A_P，记为前向传输，当前向传输结束后，由簇代表天线A_P发送相同的信号到簇代表天线A_P-1，以此类推A_P→A_P-1→...→A₂→A₁，记为反向传输，前向传输和反向传输共占用2P－2个单位传播时隙，其中时隙{T⁽¹⁾,T⁽²⁾,...,T^(P-2),T^(P-1)}为前向传输时隙集合，时隙{T^(P),T^(P+1),...,T^(2P-3),T^(2P-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^(F)(t₁)＝exp{j(w₁t₁+Φ₁)}其中w₁为簇代表天线A₁的本地晶振频率，Φ₁为簇代表天线A₁的本地晶振的相位，上标^（F）表示前向传输；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：$r_2^{\left(F\right)}\left(t_2\right)=\exp \left\{j({\alpha }_1{w}_1(t_2/{\alpha }_2+{\Delta }_1-{\Delta }_2)+{\Phi }_1)\right\}+{\omega }_2^{\left(F\right)}\left(t_2\right)$其中(t₂)为簇代表天线A₂在前向传输时隙T⁽¹⁾中接收到的噪声；则簇代表天线A₂的前向传输估计的晶振频率和相位为：${\hat{w}}_2^{\left(F\right)}={\alpha }_1{\hat{w}}_1^{\left(F\right)}/{\alpha }_2={\alpha }_1{w}_1/{\alpha }_2$${\hat{\Phi }}_2^{\left(F\right)}={\alpha }_1{w}_1^{\left(F\right)}({\Delta }_1-{\Delta }_2)+{\hat{\Phi }}_1^{\left(F\right)}={\alpha }_1{w}_1({\Delta }_1-{\Delta }_2)+{\Phi }_1$其中${\hat{w}}_1^{\left(F\right)}=w_1,$${\hat{\Phi }}_1^{\left(F\right)}={\Phi }_1;$（3－4）重复上述步骤（3－3），得到任意一个簇代表天线A_i的前向传输估计的晶振频率和相位为：${\hat{w}}_i^{\left(F\right)}={\alpha }_{i-1}{\hat{w}}_{i-1}^{\left(F\right)}/{\alpha }_i={\alpha }_1{w}_1/{\alpha }_i$${\hat{\Phi }}_i^{\left(F\right)}={\alpha }_{i-1}{\hat{w}}_{i-1}^{\left(F\right)}({\Delta }_{i-1}-{\Delta }_i)+{\hat{\Phi }}_{i-1}^{\left(F\right)}={\alpha }_1{w}_1({\Delta }_1-{\Delta }_i)+{\Phi }_1;$（3－5）反向传输由簇代表天线A_P开始，直到在反向传输时隙T^(2p-2)内簇代表天线A₁接收到最终信号为止，在反向传输时隙T^(P)内，簇代表天线A_P发送的信号表示为：s_P^(R)(t)＝exp{j(w_Pt_P+Φ_P)}其中上标^（R）表示反向传输；簇代表天线A_P-1接收来自簇代表天线A_P的信号，该信号用簇代表天线A_P-1的本地时间t_P-1表示为：$r_{P-1}^{\left(R\right)}\left(t_{P-1}\right)=\exp \left\{j({\alpha }_P{w}_P(t_{P-1}/{\alpha }_{P-1}+{\Delta }_P-{\Delta }_{P-1})+{\Phi }_P)\right\}+{\omega }_{P-1}^{\left(R\right)}\left(t_{P-1}\right)$则簇代表天线A_P-1的反向传输估计的晶振频率和相位为：${\hat{w}}_{P-1}^{\left(R\right)}={\alpha }_P{\hat{w}}_P^{\left(R\right)}/{\alpha }_{P-1}={\alpha }_P{w}_P/{\alpha }_{P-1}$${\hat{\Phi }}_{P-1}^{\left(R\right)}={\alpha }_P{\hat{w}}_P^{\left(R\right)}({\Delta }_P-{\Delta }_{P-1})+{\hat{\Phi }}_P^{\left(R\right)}={\alpha }_P{w}_P({\Delta }_P-{\Delta }_{P-1})+{\Phi }_P$其中${\hat{w}}_P^{\left(R\right)}=w_P,$${\hat{\Phi }}_P^{\left(R\right)}={\Phi }_P;$（3－6）重复上述步骤（3－5），得到簇代表天线A_i的反向传输估计的晶振频率和相位为：${\hat{w}}_i^{\left(R\right)}={\alpha }_{i+1}{\hat{w}}_{(i+1)}^{\left(R\right)}/{\alpha }_i={\alpha }_P{w}_P/{\alpha }_i$${\hat{\Phi }}_i^{\left(R\right)}={\alpha }_P{w}_P^{\left(R\right)}({\Delta }_{i+1}-{\Delta }_i)+{\hat{\Phi }}_{i+1}^{\left(R\right)}={\alpha }_P{w}_P({\Delta }_P-{\Delta }_i)+{\Phi }_P;$（3－7）根据上述得到的每个簇代表天线的前向传输估计结果与反向传输估计结果，则簇代表天线A_i估计的本地晶振频率和相位为：${\hat{w}}_i=({\alpha }_1{w}_1+{\alpha }_P{w}_P)/{\alpha }_i$${\hat{\Phi }}_i={\alpha }_1{w}_1({\Delta }_1-{\Delta }_i)+{\alpha }_P{w}_P({\Delta }_P-{\Delta }_i)+{\Phi }_1+{\Phi }_P$并得到基于统一的全局参考时间t的簇代表天线A_i的本地晶振信号为：ψ_i(t)=exp{j((α₁w₁+α_Pw_P)t+λ₁+λ_P)}其中λ₁＝α₁w₁Δ₁+Φ₁，λ_P＝α_Pw_PΔ_P+Φ_P；（3－8）根据上述簇代表天线A_i的本地晶振频率和相位的估计值，得到簇代表天线集合的本地晶振信号的同步结果为：${\psi }_1^{\left(p\right)}\left(t\right)=\exp \left\{j(({\alpha }_1^{\left(F\right)}{w}_1^{\left(F\right)}+{\alpha }_1^{\left(R\right)}{w}_1^{\left(R\right)})t+{\lambda }_1^{\left(F\right)}+{\lambda }_1^{\left(R\right)})\right\};$其中${\lambda }_1^{\left(F\right)}={\lambda }_1,$${\lambda }_1^{\left(R\right)}={\lambda }_P;$（4）根据上述各簇之间的簇代表天线的同步结果，由每个簇的簇代表天线发起簇内的多个分布式天线之间的分布式协作同步，具体步骤如下：（4－1）由簇代表天线作为主节点天线，向簇内其他从节点天线发送同步参考信号x(t)＝cos(ω₀t+θ₀)，其中ω₀为参考载波频率，θ₀为初始相位；（4－2）在簇内同步的时隙内，第n个从节点天线接收主节点天线发送的同步参考信号，并估计出同步参考信号为：${\tilde{x}}_n\left(t\right)=\cos ({\omega }_{0}t+{\theta }_0+{\theta }_{\mathrm{est},n}\left({\bar{T}}_1\right)+{\theta }_{\mathrm{pre},n})$其中θ_est,n为从节点天线利用本地的锁相环对同步参考信号的频率和相位进行估计时产生的相位误差，从节点天线对接收到的同步参考信号进行预补偿操作，预补偿的相位值是θ_pre,n；（4－3）在簇内同步的时隙内，簇代表天线接收到由从节点天线发送的反馈信号为：${\tilde{x}}_n\left(t\right)=\cos ({\omega }_{0}t+{\theta }_0+{\theta }_{\mathrm{est},n}\left({\bar{T}}_1\right)+{\theta }_{\mathrm{pre},n})$簇代表天线对接收到的反馈信号的相位偏差进行估计，得到新的相位补偿值为：${\theta }_{\mathrm{est}}\left({\bar{T}}_2\right)={\theta }_{\mathrm{est},n}\left({\bar{T}}_1\right)+{\theta }_{\mathrm{pre},n}+{\phi }_{\mathrm{est},n}\left({\bar{T}}_2\right)$其中φ_est,n为从节点天线相位预补偿的误差值，在簇内同步的时隙内簇代表天线将估计得到的准确相位补偿值发送给从节点天线（4－4）在簇内同步的时隙内，从节点天线根据接收到的相位补偿信息，对本地的载波信号进行调整，得到准确的载波信号为：${\stackrel{\widehat{~}}{x}}_n\left(t\right)=\cos ({\omega }_{0}t+{\theta }_0+{\theta }_{\mathrm{est},n}\left({\bar{T}}_1\right)+{\theta }_{\mathrm{pre},n}-{\theta }_{\mathrm{est}}\left({\bar{T}}_2\right)).$