無線通信中基于簇的兩階段分布式天線的頻率同步方法

專利名稱：無線通信中基于簇的兩階段分布式天線的頻率同步方法
技術領域：
本發明涉及一種無線通信中基于簇的兩階段分布式天線的頻率同步方法，屬于無 線通信技術領域。
背景技術：
在同頻組網的下一代無線通信系統中，為了進一步提高系統的頻譜利用率和 對用戶的服務質量，多采用分布式天線或多基站協同的方式進行傳輸。例如，協作多點 (CoordinatedMultiple Point,以下簡稱CoMP)傳輸技術是目前被LTE-Advanced重點關注 的技術，它在盡可能保持系統高頻譜利用率的基礎上，可以有效地避免或降低小區間干擾。 CoMP模型最常用的是基于BBU+RRU的組網模式，通常1個基帶單元(以下簡稱BBU)通過射 頻光纖(以下簡稱RoF)連接多個無線遠端單元(以下簡稱RRU)。RRU類似于分布式天線 系統中分布式天線，通過RoF和類似中央處理器的BBU相連接。在多個分布式天線協作通信的場景下，多個分布式天線間的時間和頻率同步是提 供可靠傳輸的基本前提。當多個分布式天線同時為一個或多個用戶傳遞信息時，由于每個 分布式天線本地晶振的頻率會隨時間產生偏差，使用戶恢復信號困難。因而，保證多個分布 式天線的時間頻率同步，直接關系到用戶(如手機用戶、移動設備等)的通信質量和可靠 性。目前針對多分布式天線的同步機制有主從同步機制、開閉環同步機制和雙向輪詢同步 機制等。在主從同步機制中，主節點(在多分布式天線中選定一個代表天線或者是終端用 戶)向各個從節點(剩余的分布式天線)發送參考信號，從節點接收到參考信號后通過鎖 相環(PLL)獲取參考信號的頻率和相位信息，進而調整從節點的本地晶振達到同步的目 的。但是該機制也存在一些不足之處(1)主節點需要同時向多個從節點進行廣播，相比于從節點會帶來更多的功耗。尤 其是以終端用戶為主節點時，則需要處理大量來自從節點的響應信號。(2)由于各個從節點需要根據主節點發送的參考信號對自己的本地晶振進行調 整，一旦主節點的晶振偏差過大，或者每個從節點處理參考信號時出現較大誤差，則會造成 主從節點無法完成時間頻率的同步。另外主從同步機制下的同步精度也無法滿足分布式天 線協作系統的時間頻率同步需求。當前分布式天線/多基站協作系統需要的時間頻率同步 精度高于主從同步機制精度約一到兩個數量級。在雙向輪詢同步機制中，考慮一個有標號的分布式天線集合IC1, C2, ... , CJ并設 定天線編號從1遞增到L為前向，相反的從L遞減到1為后向。由基站1向基站2發送參考 信號，該信號包括基站1本地晶振的頻率和相位信息，基站2接收到參考信號后進行估計， 并根據估計值調整本地晶振。隨后繼續向基站3發送參考信號，以此類推。通過雙向輪詢的 方式對每個基站進行時間和頻率的估計。然后，通過前后雙向估計的對稱性，計算出每個基 站的本地晶振需要調整的時間和頻率值，最終達到多個基站時間、頻率同步的目的。雙向輪 詢同步機制能夠得到滿足分布式天線/多基站協作系統需求的時間、頻率同步精度，但是，由于每個基站根據接收到參考信號進行頻率和相位估計，并繼續發送參考信號給下一個基 站的過程都需要獨立的一個時隙，對于一個具有L個分布式天線協作多點傳輸系統，隨著 分布式天線數目L的增加，整個系統同步所需的資源開銷會線性增大。總之，目前已有的同步機制在系統資源開銷、同步時間和同步精度方面存在問題， 不能實現對分布式無線通信系統/多基站協作通信系統中多個分布式天線的高效率、高精 度的時間頻率同步。

發明內容
本發明的目的是提出一種無線通信中基于簇的兩階段分布式天線的頻率同步方 法，通過對天線的分簇處理，使多個簇同時進行同步，以減少頻率同步時間，同時滿足分布 式無線通信系統對同步精度的要求，并提高了通信的可靠性。本發明提出的無線通信中基于簇的兩階段分布式天線的頻率同步方法，包括以下 步驟(1)將無線通信系統中的M個分布式天線劃分為P個簇，P= 1,2,..., P，每個簇 內的分布式天線數目為N個，η = 1，2，...，N，第ρ個簇中的第η個分布式天線用表示，
則每簇中分布式天線集合為I^i0 j 二 ；設無線通信系統中分布式天線的統一參考時鐘信號為Ψ (t) = eXp{j(Qt+c5)}， 其中Ω為統一的全局晶振頻率，t為統一的全局參考時間，Φ為統一的全局晶振相位，則無 線通信系統中任意一個分布式天線i的本地晶振信號表示為IiriCt) = θχρυ(Ω +Φ +η ( ))}, i = 1，2，· · ·，M_l，M上式中Ω i為分布式天線i的本地晶振頻率，Oi表示分布式天線i的本地晶振的 相位，Hi (t)為分布式天線i的本地晶振的噪聲；根據上式，得到無線通信系統中分布式天線i的當前本地時間為tj = (Ω +Φ +η ( ))/Ω = α j (t+Δ j (t))其中α i = Ω 乂 Ω，表示分布式天線i的本地晶振頻率和統一的全局晶振頻率的 比值， ⑴=(Ojnia)VQi，表示分布式天線i的本地時間偏差，分布式天線i的本地 時間、和全局參考時間t的關系式為、=t+Ai ；(2)從上述每個簇的N個分布式天線中選定分布式天線為(叫乍為簇代表天線，則相 鄰的P個簇產生P個簇代表天線；(3)對上述所有的簇代表天線進行分布式雙向協作同步，具體過程如下(3-1)對上述所有的簇代表天線進行編號后排序，形成簇代表天線集合
{4]A2\-AP)}，簡寫為 M1, A2, ... , V1, Apl ；(3-2)由簇代表大線A1同簇代表大線A2發送正弦信號，以此類推 A1 — A2 — ... — Aim — Ap,記為前向傳輸，當前向傳輸結束后，由簇代表天線Ap發送相同的 正弦信號到簇代表天線AP_1;以此類推Ap — V1 — ... — A2 — A1，記為反向傳輸，前向傳輸 和反向傳輸共占用2P-2個單位傳播時隙，其中時隙{T(1)，T(2)，...，T05-2Wp-1O為前向傳輸 時隙集合，時隙{T(p)，T(p+1)，. . .，Τ(2Ρ_3)，Τ(2Ρ_2)}為反向傳輸時隙集合；(3-3)在上述前向傳輸時隙Τ(1)內，簇代表天線A1發送的信號表示為
S,)(t) = θχρυ&Α+Φ》}其中W1為簇代表天線A1的本地晶振頻率，O1為簇代表天線A1的本地晶振的相 位；簇代表天線A2接收來自簇代表天線A1的信號，該信號用簇代表天線A2的本地時 間t2表示為r2(1) (t2) = exp [KalWl ( 2 / + A1 - Δ2) + Φ)} + <) (t2)其中時乜)為簇代表天線A2在前向傳輸時隙T(1)中接收到的噪聲；簇代表天線A2估計得到的本地晶振頻率和相位為= (^wl) Za2= ^w1 (A1 - Δ2) + O1 +其中對υ和Φ(2υ為頻率估計誤差和相位估計誤差；(3-4)重復上述步驟(3- ，得到任意一個簇代表天線Ai的前向傳輸估計的晶振 頻率和相位為Wj = a^w^ / Oci = (X1W1 / Ociφ, = (Δη - ) + ! = ^w1 (A1 -A1)+ Φ,.
(3-5)反向傳輸由簇代表天線Ap開始，直到在反向傳輸時隙Τ(2Ρ_2)內簇代表天線 A1接收到最終信號為止，在反向傳輸時隙Τ(ρ)內，簇代表天線Ap發送的信號表示為sP(P) (t) = exp {j (ffptp+Φρ)}簇代表天線Α"接收來自簇代表天線Ap的信號，該信號用簇代表天線Α"的本地 時間tp_i表示為^n1 ( ρ_λ) = exp {j(apwp( ρ_λ /αρ_λ +Ap - Ap^) + Φρ)} + COippJl( Ρ_λ)則簇代表天線Am估計得到的本地晶振頻率和相位為w(p\ = (apwp +w(jT{)/ αρ_λΦ^ = apwp (Ap - A^1) + ΦΡ + O^1其中^ 和δ。為頻率估計誤差和相位估計誤差；(3-6)重復上述步驟(3-5)，得到簇代表天線Ai的反向傳輸估計的晶振頻率和相 位為W1 = CXmWm / OC1 = CXpWp / CX1= apwp (Δ!+1 - Ai) + Φ!+1 = apwp (Ap - Ai) + ；(3-7)根據上述得到的每個簇代表天線的前向傳輸估計結果與反向傳輸估計結 果，則簇代表天線Ai估計的本地晶振頻率和相位為Wj = (Qr1W1 + apwp) / Oci= (X1W1 (A1 -A1) + apwp(Ap -Αι) + Φι + Φρ并得到基于統一的全局參考時間t的簇代表天線Ai的本地晶振信號為Ψ 丄(t) = exp {j (( α lWl+ α pWp) t+ λ ^ λ ρ)}其中λη= anWnAn+cDn;(3-8)根據上述簇代表天線Ai的本地晶振頻率和相位的估計值，得到簇代表天線集合丨妒，^…乂廣)丨的本地晶振信號的同步結果為

權利要求
1. 一種無線通信中基于簇的兩階段分布式天線的頻率同步方法，其特征在于該方法包 括以下步驟(1)將無線通信系統中的M個分布式天線劃分為P個簇，P= 1，2，. . .，P，每個簇內的 分布式天線數目為N個，η = 1，2，...，N，第ρ個簇中的第η個分布式天線用劣力表示，則每簇中分布式天線集合為I^i0 j:；設無線通信系統中分布式天線的統一參考時鐘信號為V(t) =eXp{j(Qt+c5)}，其中 Ω為統一的全局晶振頻率，t為統一的全局參考時間，Φ為統一的全局晶振相位，則無線通 信系統中任意一個分布式天線i的本地晶振信號表示為 ￥i(t) = θχΡυ(Ω +Φ +η (t))}, i = 1，2，· · ·，M-1，M上式中Ω i為分布式天線i的本地晶振頻率，Φ i表示分布式天線i的本地晶振的相位， Hi (t)為分布式天線i的本地晶振的噪聲；根據上式，得到無線通信系統中分布式天線i的當前本地時間為 ti = (Ω^+Φ^Π (t))/Q = α j (t+Δ ^t))其中Cii= Ω^Ω，表示分布式天線i的本地晶振頻率和統一的全局晶振頻率的比值， 八i(t) = (Odnia)VQi，表示分布式天線i的本地時間偏差，分布式天線i的本地時間ti 和全局參考時間t的關系式為、=t+Ai ；(2)從上述每個簇的N個分布式天線中選定分布式天線&(〃)作為簇代表天線，則相鄰的 P個簇產生P個簇代表天線；(3)對上述所有的簇代表天線進行分布式雙向協作同步，具體過程如下(3-1)對上述所有的簇代表天線進行編號后排序，形成簇代表天線集合{4]A2\-AP)}，簡寫為 M1, A2, ... , V1, Apl ；(3-2)由簇代表天線A1向簇代表天線A2發送正弦信號，以此類推 A1 — A2 — ... — Aim — Ap,記為前向傳輸，當前向傳輸結束后，由簇代表天線Ap發送相同的 正弦信號到簇代表天線AP_1;以此類推Ap — V1 — ... — A2 — A1，記為反向傳輸，前向傳輸 和反向傳輸共占用2P-2個單位傳播時隙，其中時隙{T(1)，T(2)，...，T05-2Wp-1O為前向傳輸 時隙集合，時隙{T(p)，T(p+1)，. . .，Τ(2Ρ_3)，Τ(2Ρ_2)}為反向傳輸時隙集合；(3-3)在上述前向傳輸時隙Τ(1)內，簇代表天線A1發送的信號表示為 Sl(1)(t) = exp υ (W1VO1M其中W1為簇代表天線A1的本地晶振頻率，Φ!為簇代表天線A1的本地晶振的相位； 簇代表天線A2接收來自簇代表天線A1的信號，該信號用簇代表天線A2的本地時間t2 表示為r2(1) (t2) = exp [KalWl ( 2 / + A1 - Δ2) + (D1)} + <) (t2)其中時電)為簇代表天線A2在前向傳輸時隙T(1)中接收到的噪聲； 簇代表天線A2估計得到的本地晶振頻率和相位為 =(GclW^Wf)Ia2其中句1〕和ci^為頻率估計誤差和相位估計誤差；(3-4)重復上述步驟(3-3)，得到任意一個簇代表天線Ai的前向傳輸估計的晶振頻率 和相位為=QT^1=^wlIa1φ, = (A^1 -Δ,) + Φ,ι = (A1 -Ai)+ O1 . (3-5)反向傳輸由簇代表天線Ap開始，直到在反向傳輸時隙T(2P_2)內簇代表天線A1接 收到最終信號為止，在反向傳輸時隙Τ(ρ)內，簇代表天線Ap發送的信號表示為％(p)(t)= exp {j (wptp+Φρ)}簇代表天線Α"接收來自簇代表天線Ap的信號，該信號用簇代表天線Α"的本地時間 tp-i表不為r(p-l(h) = exp {j(apwp(tp_x /！ + Δρ - A^1) + ΦΡ)} + ω(Ρρ_\(tp_x)則簇代表天線Α"估計得到的本地晶振頻率和相位為 W1^J1 = (apwp +Wi^l)! αρ_λΦ^ = GCpWp (Ap - Ap^ ) + ΦΡ + O^1其中和δ=為頻率估計誤差和相位估計誤差；(3-6)重復上述步驟(3-5)，得到簇代表天線Ai的反向傳輸估計的晶振頻率和相位為= ^mWm Ial =CcpWpIal= (XpWp(Am -A1) + Φ!+1 = apwp(Ap ~Α,) + ΦΡ ； (3-7)根據上述得到的每個簇代表天線的前向傳輸估計結果與反向傳輸估計結果，則 簇代表天線Ai估計的本地晶振頻率和相位為Wi = {axwx + CCpWp) / Oci= QT1W1 (A1 - Ai) + apwp (Ap -Ai)+ Φ) + Φρ并得到基于統一的全局參考時間t的簇代表天線Ai的本地晶振信號為 Ψ i (t) = exp {j (( α lWl+ α pwP) t+ λ 廣 λ Ρ)}其中 λη= anWmAm+cDm;(3-8)根據上述簇代表天線Ai的本地晶振頻率和相位的估計值，得到簇代表天線集合 (4(1)，4(2)，...，4(P)丨的本地晶振信號的同步結果為^ (O = exp {_/ ((^i1V1W + 祝))t + Λ(1) + Λ⑷)}；(4)根據上述各簇之間的簇代表天線的同步結果，由每個簇的簇代表天線發起簇內的 多個分布式天線之間的分布式協作同步，具體步驟如下(4-1)由簇代表天線4(〃)作為主節點天線，向簇內其他從節點天線pP j:，發送同步參 考信號x(t) = C0S(COcit-Qci)，其中Coci為參考載波頻率，θ ^為初始相位；(4-2)在簇內同步的時隙h內，第η個從節點天線接收主節點天線發送的同步參考 信號，并估計出同步參考信號為L (O = cos ( 。i + ^+ Oesun (Γ) + Opre n)其中為從節點天線々)利用本地的鎖相環對同步參考信號的頻率和相位進行估計時產生的相位誤差，從節點天線劣力對接收到的同步參考信號進行預補償操作，預補償 的相位值是θρΜ,η;(4-3)在簇內同步的時隙f2內，簇代表天線為W接收到由從節點天線劣4發送的反饋信 號為
全文摘要
本發明涉及一種無線通信中基于簇的兩階段分布式天線的頻率同步方法，屬于無線通信技術領域。首先，對有多個分布式天線的通信系統進行分簇處理，選出簇代表天線，完成簇代表天線之間的高精度頻率同步。然后，由簇代表天線發起各簇內的多個分布式天線的頻率同步，實現系統中所有分布式天線的頻率同步。本發明通過分簇處理，使多個簇同時進行同步，減少了總的同步時間，加快了同步速度；本發明方法得到了更高的同步精度，滿足分布式無線通信系統對同步精度的要求；本方法預先完成分布式天線之間的同步，避免終端用戶同多個分布式天線進行多次同步，減少了終端用戶的系統資源開銷，提高了通信的可靠性。
文檔編號H04W56/00GK102143572SQ20111002536
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月24日 優先權日2011年1月24日
發明者曾捷, 粟欣, 薛光達, 高暉 申請人:清華大學