快速波束合成系统及其源端各发送天线的载波同步方法
【专利摘要】本发明适用于无线通信【技术领域】，提供了一种快速波束合成系统及其源端各发送天线的载波同步方法，本发明中源端的发送天线能够实现精确的时隙控制，且能够对接收信号进行频率和相位估算，并对信道延时造成的相位偏移信息进行估算。本发明充分利用了无线链路的广播特性，对于每次广播,除广播基站之外的其余所有基站都会估算相位值和频率值,可避免无谓的相互干扰,对于M个基站组成的系统情况下，提供两种方法实现全局同步，实现全局同步需要M或M+1不重叠的时隙，大大少于其余同步协议所需要的时隙数,例如Two-way同步协议需要的2M-2个非重叠时隙。
【专利说明】快速波束合成系统及其源端各发送天线的载波同步方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信【技术领域】，尤其涉及一种快速波束合成系统及其源端各发送天线的载波同步方法。
【背景技术】
[0002]分布式波束合成技术是一种能够显著提高系统功率效率的无线通信技术，它把分布在多个小区的独立的天线组成虚拟的天线阵(其中每个天线都有各自的晶体振荡器，且只知道自己的本地时间)，天线阵中的每个天线向目的基站节点发送相同的信号，这些信号在目的基站相干合并。由于虚拟天线阵的可扩展性和稳健性，使得分布式波束合成技术相对于传统天线阵能够获得更高的定向传输特性，相对于单天线系统能够获得更大的接收信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)增益，其应用涉及多小区协作网络、多用户无线通信系统、无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)、正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing, OFDM)-多入多出(Multiple-1nput Multiple-Output, ΜΙΜ0) >3G长期演进(Long Term Evolution, LTE)等众多领域。但是由于网络中源端基站的异构性，即每个源端基站都有独立的本地振荡器、源端基站的位置以及信道传输状态的差异，使得各个源端基站的信号到达目的基站时产生相位偏移，破坏信号的合并重组，因此，源端必须对发送载波进行同步处理。
[0003]源端载波同步是分布式波束合成中的关键技术，载波同步与否决定目的端接收性能的好坏，同步占用时间越少系统性能越好。现有技术中适用于分布式波束合成技术、并对载波进行同步的开环方法主要有基于时分双工的往返载波同步法和双向载波同步法。前一种方法把接收到的上行信号在发送端基站中往返传输，以此来估计每个基站的相位信息实现同步，这种方法的缺点主要有(I)占用的时隙较多，对于M根天线组成的系统需要2M-1个时隙实现所有基站同步，(2)这种方法只能实现载波相位的同步，不能实现载波频率的精确同步，(3)这种方法在天线发送信号之前不能实现同步，必须在接收完来自目的端的上行信号后才能开始同步，增大了系统的延时；后一种方法利用同步信号在基站间的分时双向传输来估算接收信号相位，从而实现基站的载波同步，但这种方法占用的时隙数较多，对于M根天线组成的系统需要2M-2个时隙实现所有基站同步。
[0004]已有的同步技术中，有的需要在满足一定条件下才能实现同步，例如当某个基站广播同步信号时，要求只有特定的基站能接收到该同步信号，如果被本来不应该接收的基站接收，就会对该基站造成干扰，增大载波估算值，这个值伴随着接下来的广播过程不断积累放大，从而影响整个系统的性能。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种分布式波束合成系统的源端各发送天线的载波同步方法，旨在实现源端各发送天线的载波的相位、频率同步并减少同步占用的时隙开销和相互之间干扰造成的估算值。[0006]本发明是这样实现的，一种快速波束合成系统的源端各发送天线的载波同步方法，所述分布式波束合成系统包括源端和目的端，
[0007]所述源端具有M个基站，所述M个基站中包括一初级信号产生基站；所述载波同步方法包括下述步骤:
[0008]步骤A，初级信号产生基站在第一时隙广播所述初级信号；
[0009]步骤B，源端除该基站产生初级信号之外的其余所有基站均接收所述初级信号，并分别估算各自在第一时隙内接收初级信号产生的频率估算值和相位估算值；
[0010]步骤C，在之后的时隙中，其余所有基站顺次广播；在每次广播时，当前的广播基站所广播出的信号的频率为其在第一时隙的频率估算值，相位为其在前一时隙的相位估算值；而除当前的广播基站之外的其余所有基站均接收当前的广播基站所广播出的信号，并分别估算各自在当前时隙内接收广播信号而产生的相位估算值；
[0011]步骤D，每个基站都完成广播之后，各个基站的同步后的载波频率和载波相位根据如下方式确定:
[0012]对于初级信号产生基站，将其自身载波频率值先后乘以M，得到其同步后的载波频率；将其自身载波相位值与其在除第一时隙之外的所有时隙的相位估算值相加，得到其同步后的载波相位；
[0013]对于除初级信号产生基站之外的其余所有基站，将各自在第一时隙的频率估算值先后乘以M，得到各自同步后的载波频率；将各自的广播时隙的前一时隙的相位估算值乘以2之后与剩下时隙的相位估算值相加，所得之和，得到各自同步后的载波相位。
[0014]进一步地，在步骤C和步骤D之间，所述方法还包括下述步骤Cl:
[0015]步骤Cl，在所有基站完成一次广播之后，最后广播的基站再次进行广播，在此广播时隙中，最后广播的基站所广播出的信号的频率为其在第一时隙的频率估算值的M倍，相位为其在之前所有时隙的相位估算之和；而除最后广播的基站之外的其余所有基站均接收最后广播的基站所广播出的信号，并分别估算各自在此时隙内接收广播信号而产生的相位估算值；
[0016]此时，所述步骤D替换为下述步骤E:
[0017]步骤E，在最后广播的基站完成再次广播之后，各个基站的同步后的载波频率和载波相位根据如下方式确定:
[0018]对于同步后的载波频率，初级信号产生基站将其自身载波频率值先后乘以M-1，得到其同步后的载波频率；除初级信号产生基站之外的其余基站将各自在第一时隙的频率估算值先后乘以M-1，得到各自同步后的载波频率；
[0019]对于同步后的载波相位，最后广播的基站将除其自身广播的两个时隙之外的所有时隙的相位估算值相加得到其同步后的载波相位；除最后广播的基站之外的其余基站，将各自在最后一个时隙的相位估算值减去在倒数第二个时隙的相位估算值，得到各自同步后的载波相位。
[0020]本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种快速波束合成系统，包括源端和目的端，所述源端具有M个基站，所述M个基站中包括一初级信号产生基站；每个基站均包括频率估算单元、相位估算单元和同步单元；
[0021]所述初级信号产生基站用于产生初级信号并在第一时隙广播所述初级信号，源端除该基站产生初级信号之外的其余所有基站均接收所述初级信号，并分别通过各自的频率估算单元估算各自在第一时隙内接收初级信号产生的频率估算值、通过相位估算单元估算各自在第一时隙内接收初级信号产生的相位估算值；
[0022]在之后的时隙中，其余所有基站顺次广播；在每次广播时，当前的广播基站所广播出的信号的频率为其在第一时隙的频率估算值，相位为其在前一时隙的相位估算值；而除当前的广播基站之外的其余所有基站均接收当前的广播基站所广播出的信号，并分别通过各自的频率估算单元估算各自在当前时隙内接收广播信号产生的频率估算值、通过相位估算单元估算各自在当前时隙内接收广播信号产生的相位估算值；
[0023]每个基站都完成广播之后，各个基站的同步单元通过如下方式确定各自同步后的载波频率和载波相位:
[0024]对于初级信号产生基站，其同步单元用于将其自身载波频率值先后乘以M得到其同步后的载波频率；其同步单元用于将其自身载波相位值与其在除第一时隙之外的所有时隙的相位估算值相加，得到其同步后的载波相位；
[0025]对于除初级信号产生基站之外的其余所有基站，其同步单元用于将各自在第一时隙的频率估算值先后乘以M，得到各自同步后的载波频率；其同步单元用于将各自的广播时隙的前一时隙的相位估算值乘以2之后与剩下时隙的相位估算值相加，得到各自同步后的载波相位。
[0026]进一步地，在所有基站完成一次广播之后，最后广播的基站再次进行广播，在此广播时隙中，最后广播的基站所广播出的信号的频率为其在第一时隙的频率估算值的M倍，相位为其在之前所有时隙的相位估算之和；而除最后广播的基站之外的其余所有基站均接收最后广播的基站所广播出的信号，并分别通过各自的频率估算单元估算各自在当前时隙内接收广播信号产生的频率估算值、通过相位估算单元估算各自在当前时隙内接收广播信号产生的相位估算值；
[0027]在最后广播的基站完成再次广播之后，各个基站的同步单元通过如下方式确定各自同步后的载波频率和载波相位:
[0028]对于同步后的载波频率，初级信号产生基站的同步单元将其自身载波频率值先后乘以M-1，得到其同步后的载波频率；除初级信号产生基站之外的其余基站的同步单元将各自在第一时隙的频率估算值先后乘以M-1，得到各自同步后的载波频率；
[0029]对于同步后的载波相位，最后广播的基站的同步单元将除其自身广播的两个时隙之外的所有时隙的相位估算值相加，得到其同步后的载波相位；除最后广播的基站之外的其余基站的同步单元，将各自在最后一个时隙的相位估算值减去在倒数第二个时隙的相位估算值，得到各自同步后的载波相位。
[0030]本发明充分利用了无线链路的广播特性，对于每次广播，除广播基站之外的其余所有基站都会估算相位值和频率值，可避免无谓的相互干扰，对于M个基站组成的系统情况下，实现全局同步需要M不重叠的时隙，大大少于其余同步协议所需要的时隙数，例如Two-way同步协议需要的2M-2个非重叠时隙。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是本发明提供的快速波束合成系统的源端各发送天线的载波同步方法的实现流程图；
[0032]图2是本发明实施例一提供的三个源端基站分布式合作波束形成示意图；
[0033]图3是本发明实施例二提供的三个源端基站分布式合作波束形成示意图；
[0034]图4是本发明提供的快速波束合成系统中源端各基站的逻辑结构图。
【具体实施方式】
[0035]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0036]本发明中，对于M个基站组成的系统情况下，在实施例一中，实现全局同步需要M不重叠的时隙，以确保在每次广播过程中没有互相干扰。如果任何一个源端基站到剩下所有源端基站的信道相位之和等于另外任意一个源端基站节点到剩下所有源端基站的信道相位之和相等，就可以实现所有源端基站同步，即通过实施例一可以实现一个完美的同步，详见下文所描述。实施例二可以放松在实施一这样的限制(即上文描述的“任何一个源端基站到剩下所有源端基站的信道相位之和等于另外任意一个源端基站到剩下所有源端基站的信道相位的和相等”)，但它需要M+1不重叠的时隙。然而，相比传统的协议相比，主要是两个实施例提出的协议减少非重叠时隙数，例如，在Two-way同步协议中，需要2M_2个非重叠的时隙，这意味着两个提出协议大大节省同步开销。
[0037]步骤A，初级信号产生基站节点产生一初级信号，并在第一时隙广播此初级信号。
[0038]如图2所示，第一个源端基站节点NI产生一个初级信号，并在第一个时隙TSl广播这个信号。然后剩下所有·的源端基站{N2，…，nm}接收这个初级信号。
[0039]步骤B，源端除该基站产生初级信号之外的其余所有基站均接收所述初级信号，并分别估算各自在第一时隙内接收初级信号产生的频率估算值和相位估算值。
[0040]步骤C，在之后的时隙中，其余所有基站顺次广播；在每次广播时，当前的广播基站所广播出的信号的频率为其在第一时隙的频率估算值，相位为其在前一时隙的相位估算值；而除当前的广播基站之外的其余所有基站均接收当前的广播基站所广播出的信号，并分别估算各自在当前时隙内接收广播信号而产生的相位估算值。
[0041]其余所有的基站顺次广播，是通过增加源端基站节点指数N2 — N3 —…一NM，其中每一次广播的信号都是前一时隙接收信号的周期延拓，且所有剩下的源端基站节点可以接收到的这个信号。
[0042]步骤D，每个基站都完成广播之后，各个基站的同步后的载波频率和载波相位根据如下方式确定:
[0043]对于初级信号产生基站，将其自身载波频率值先后乘以M得到其同步后的载波频率；将其自身载波相位值与其在除第一时隙之外的所有时隙的相位估算值相加，得到其同步后的载波相位;
[0044]对于除初级信号产生基站之外的其余所有基站，将各自在第一时隙的频率估算值先后乘以M，得到各自同步后的载波频率；将各自的广播时隙的前一时隙的相位估算值乘以2之后与剩下时隙的相位估算值相加，得到各自同步后的载波相位。
[0045]下文结合图2以实施例一为例进行说明。[0046]Al协议原理
[0047]a)在TS1时隙，基站节点N1广播初级信号，我们把所有发送信号的幅度都设置成1，于是基站节点N1发送的初级信号表示为:
[0048]
【权利要求】
1.一种快速波束合成系统的源端各发送天线的载波同步方法，其特征在于，所述分布式波束合成系统包括源端和目的端，所述源端具有M个基站，所述M个基站中包括一初级信号产生基站；所述载波同步方法包括下述步骤: 步骤A，初级信号产生基站在第一时隙广播所述初级信号； 步骤B，源端除该基站产生初级信号之外的其余所有基站均接收所述初级信号，并分别估算各自在第一时隙内接收初级信号产生的频率估算值和相位估算值； 步骤C，在之后的时隙中，其余所有基站顺次广播；在每次广播时，当前的广播基站所广播出的信号的频率为其在第一时隙的频率估算值，相位为其在前一时隙的相位估算值；而除当前的广播基站之外的其余所有基站均接收当前的广播基站所广播出的信号，并分别估算各自在当前时隙内接收广播信号而产生的相位估算值； 步骤D，每个基站都完成广播之后，各个基站的同步后的载波频率和载波相位根据如下方式确定: 对于初级信号产生基站，将其自身载波频率值乘以M，得到其同步后的载波频率；将其自身载波相位值与其在除第一时隙之外的所有时隙的相位估算值相加，得到其同步后的载波相位； 对于除初级信号产生基站之外的其余所有基站，将各自在第一时隙的频率估算值先后乘以M，得到各自同步后的载波频率；将各自的广播时隙的前一时隙的相位估算值乘以2之后与剩下时隙的相位估算值相加，得到各自同步后的载波相位。
2.如权利要求1所述的载波同步方法，其特征在于，在步骤C和步骤D之间，所述方法还包括下述步骤Cl: 步骤Cl，在所有基站 完成一次广播之后，最后广播的基站再次进行广播，在此广播时隙中，最后广播的基站所广播出的信号的频率为其在第一时隙的频率估算值的M倍，相位为其在之前所有时隙的相位估算之和；而除最后广播的基站之外的其余所有基站均接收最后广播的基站所广播出的信号，并分别估算各自在此时隙内接收广播信号而产生的相位估算值； 此时，所述步骤D替换为下述步骤E: 步骤E，在最后广播的基站完成再次广播之后，各个基站的同步后的载波频率和载波相位根据如下方式确定: 对于同步后的载波频率，初级信号产生基站将其自身载波频率值先后乘以M-1，得到其同步后的载波频率；除初级信号产生基站之外的其余基站将各自在第一时隙的频率估算值先后乘以M-1，得到各自同步后的载波频率； 对于同步后的载波相位，最后广播的基站将除其自身广播的两个时隙之外的所有时隙的相位估算值相加，得到其同步后的载波相位；除最后广播的基站之外的其余基站，将各自在最后一个时隙的相位估算值减去在倒数第二个时隙的相位估算值得到各自同步后的载波相位。
3.一种快速波束合成系统，包括源端和目的端，所述源端具有M个基站，所述M个基站中包括一初级信号产生基站；其特征在于，每个基站均包括频率估算单元、相位估算单元和同步单元； 所述初级信号产生基站用于产生初级信号并在第一时隙广播所述初级信号，源端除该基站产生初级信号之外的其余所有基站均接收所述初级信号，并分别通过各自的频率估算单元估算各自在第一时隙内接收初级信号产生的频率估算值、通过相位估算单元估算各自在第一时隙内接收初级信号产生的相位估算值； 在之后的时隙中，其余所有基站顺次广播；在每次广播时，当前的广播基站所广播出的信号的频率为其在第一时隙的频率估算值，相位为其在前一时隙的相位估算值；而除当前的广播基站之外的其余所有基站均接收当前的广播基站所广播出的信号，并分别通过各自的频率估算单元估算各自在当前时隙内接收广播信号产生的频率估算值、通过相位估算单元估算各自在当前时隙内接收广播信号产生的相位估算值； 每个基站都完成广播之后，各个基站的同步单元通过如下方式确定各自同步后的载波频率和载波相位: 对于初级信号产生基站，其同步单元用于将其自身载波频率值先后乘以M，得到其同步后的载波频率；其同步单元用于将其自身载波相位值与其在除第一时隙之外的所有时隙的相位估算值相加，得到其同步后的载波相位； 对于除初级信号产生基站之外的其余所有基站，其同步单元用于将各自在第一时隙的频率估算值先后乘以M，得到各自同步后的载波频率；其同步单元用于将各自的广播时隙的前一时隙的相位估算值乘以2之后与剩下时隙的相位估算值相加，得到各自同步后的载波相位。
4.如权利要求3所述的快速波束合成系统，其特征在于，在所有基站完成一次广播之后，最后广播的基站再次进行广播，在此广播时隙中，最后广播的基站所广播出的信号的频率为其在第一时隙的频率估算值的M倍，相位为其在之前所有时隙的相位估算之和；而除最后广播的基站之外的其余所有基站均接收最后广播的基站所广播出的信号，并分别通过各自的频率估算单元估算各自在当前时隙内接收广播信号产生的频率估算值、通过相位估算单元估算各自在当前时隙内接收广播信号产生的相位估算值； 在最后广播的基站完成再次广播之后，各个基站的同步单元通过如下方式确定各自同步后的载波频率和载波相位: 对于同步后的载波频率，初级信号产生基站的同步单元将其自身载波频率值先后乘以M-1，得到其同步后的载波频率；除初级信号产生基站之外的其余基站的同步单元将各自在第一时隙的频率估算值先后乘以M-1，得到各自同步后的载波频率； 对于同步后的载波相位，最后广播的基站的同步单元将除其自身广播的两个时隙之外的所有时隙的相位估算值相加，得到其同步后的载波相位；除最后广播的基站之外的其余基站的同步单元，将各自在最后一个时隙的相位估算值减去在倒数第二个时隙的相位估算值，得到各自同步后的载波相位。
【文档编号】H04W56/00GK103634895SQ201310565699
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】谢宁, 梁强, 王晖, 林晓辉, 曾捷 申请人:深圳大学