毫米波一体化通信系统中的射频模块时延估计方法

1.本发明属于通信技术领域，特别涉及一种射频模块时延估计方法，可用于毫米波一体化通信系统，提高系统波束扫描的时域同步准确性。


背景技术：

2.毫米波具有频谱宽、稳定性高、方向性好的优势，因此毫米波通信成为第五代移动通信的关键技术之一；毫米波的短波长，部署天线阵列所占用的空间小，十分有利于建设小型化、低功率的毫米波一体化基站设备，进一步提高热点区域的网络覆盖和弱覆盖区的信号强度。在毫米波技术的应用中，5g基站和用户之间利用波束赋形技术来提高传输质量，其特点是辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，从而提高信噪比，获得明显的阵列增益。为了更好地利用波束赋形技术，基站和用户需要使用波束扫描的方式来确定基站和用户之间满足传输质量要求的最佳波束对。当基站和用户都支持多波束时，如何实现基带处理单元对于射频处理单元的有效控制至关重要的研究方向。
3.毫米波一体化基站包括三部分，基带处理单元bbu、射频处理单元rru、天线反馈系统。射频处理单元还分为中频处理单元和毫米波处理单元，毫米波处理单元的控制信号在基带处理单元中产生。由于基带数据信号还需要经过两次上变频，所以基带数据信号经过路径要比控制信号长，这样会产生控制信号与基带数据信号不同步，在需要特定的正交频分复用ofdm符号持续时间内利用相应的波束号发送射频信号时，由于基带数据到毫米波射频模块的时延，会影响信号和波束切换的同步性，造成波束扫描结果的不准确。
4.cn106226760a专利公开了一种“一种具有无线设备时延标定的测量装置和方法”公开了一种具有无线设备时延标定的测量装置和方法，能够对测量系统的发射链路、接收链路的设备时延进行校准。该方法实现步骤为：首先，测量信号产生设备以本地测量基准为参考产生无线时延标定信号，标定天线接收无线时延标定信号后发送至设备时延处理设备；设备时延处理设备以本地测量基准为参考，测量本地测量基准与无线时延标定信号间的时差。之后，测量信号产生设备以本地测量基准为参考产生无线时延标定信号；天线接收无线时延标定信号发送至测量信号接收设备；测量信号接收设备以本地测量基准为参考，测量本地测量基准与无线时延标定信号间的时差，作为接收时延标定测量结果。该方法虽说可以提供一种无线设备时延标定的测量装置和方法，但是需要外部设备去测量无线设备时延，势必耗费大量的费用成本及时间成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种毫米波一体化通信系统中的射频模块时延估计方法，以在不需要使用外部设备测量的情况下对射频模块时延进行有效估计，节约大量成本。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
7.1)基站与用户之间通过全球定位系统gps驯服钟每间隔1s产生的秒脉冲信号1pps
进行一次同步，即基站和用户在秒脉冲信号1pps产生的时候同时开始工作，并在此期间通过秒脉冲信号1pps生成100个10ms的帧指示脉冲信号s(n)，每个帧指示脉冲信号s(n)所对应的生成时刻为t
n
，0<n≤100；
8.2)将基站端作为发送端，将用户端作为接收端；
9.3)基站端使用伪随机序列生成训练序列a(l)，对训练序列a(l)重复拼接得到时延估计信号r，并在t
i
时刻发送该时延估计信号r，i∈n；
10.4)用户端利用训练序列a(l)的周期性，使用延时相关算法对接收到的时延估计信号r进行检测，并在t
i+1
时刻切换接收波束；
11.5)用户端利用双窗口滑动检测法，检测波束切换后信号幅度发生变化的时刻t1，并根据该时刻t1与用户端切换接收波束时刻t
i+1
的差值，得到用户端基带信号到射频模块的延时：μ
a
＝t1‑
t
i+1
；
12.6)在t
i+2
时刻，用户端反馈延时信息μ
a
到基站端；
13.7)将用户端作为发送端，将基站端作为接收端，并在t
i+3
时刻发送时延估计信号r；
14.8)基站端利用训练序列a(l)的周期性，使用延时相关算法对接收到的时延估计信号r进行检测，并在t
i+4
时刻切换接收波束；
15.9)基站端利用双窗口滑动检测法，检测波束切换后信号幅度发生变化的时刻t2，并根据该时刻t2与基站端切换接收波束时刻t
i+4
的差值，得到基站端基带信号到射频模块的延时：μ
b
＝t2‑
t
i+4
。
16.本发明与现有技术相比具有以下优点：
17.1.本发明使用双窗口滑动检测法，即发送端生成并发送时延估计信号，接收端检测到时延估计信号之后进行波束切换，利用双窗口滑动检测法，检测基带信号幅度发生变化的时刻，根据该变化时刻和波束切换时刻的差值，可在不使用外部设备的情况下，对毫米波一体化通信系统中基带信号传输到射频模块的时延进行有效估计，节约了大量费用成本及时间成本。
18.2.本发明由于采用延时相关算法，对接收到的时延估计信号及其再进行延时后的信号进行互相关计算，可准确检测时延估计信号r，且基站可随时发起对毫米波射频模块的时延估计，提高对波束控制的准确性，增加选择最佳波束对的精确度。
附图说明
19.图1为本发明中毫米波一体化通信系统框图；
20.图2为本发明中毫米波一体化通信系统的波束覆盖示意图；
21.图3为本发明的延时估计方法实现总流程图；
22.图4为本发明中进行延时相关检测的原理图；
23.图5为本发明中进行双窗口滑动检测的原理图。
具体实施方式
24.以下结合附图对本发明的具体实施例做进一步详细说明。
25.参考图1，本实例中毫米波一体化通信系统，包括基站端和用户端，基站端和用户端均包含基带模块、中频模块和射频模块，其中：
26.所述基带模块，适用于毫米波频段，其中包含ad/da数模/模数转换子模块、编码/译码子模块、调制/解调子模块、数字预编码子模块，信道估计子模块和波束选择子模块：
27.该数模/模数转化子模块包括n个数模/模数转换器，用于将数字/模拟信号转换成模拟/数字信号；
28.该编码子模块包括信源编码和信道编码，信源编码将信号进行压缩，信道编码采用turbo编码通过增加冗余信息，对抗信道干扰和衰减，编码子模块同时对信号进行加密处理；
29.该译码子模块包括信道译码和解密，用于接收信号解密译码获得信息；
30.该调制子模块采用64qam调制，使单个符号所能承载的信息量提升；
31.该数字预编码子模块用于计算赋形矩阵以生成基站的数字预编码码本；
32.该信道估计子模块用于估计无线信道；
33.该波束选择子模块用于计算接收信号的功率并选择出最大的接收信号功率对应的最佳波束对。
34.所述基带模块在处理数据的同时，也输出控制信号来控制中频模块及射频模块。
35.所述中频模块用于上变频或下变频信号。
36.所述射频模块，包含高频调制/解调子模块、功率放大器、滤波器、低噪声放大器、移相器和毫米波天线子模块：
37.该功率放大器对信号进行放大，使其获得足够的射频功率；
38.该滤波器对信号进行滤波，消除干扰杂波；
39.该低噪声放大器对接收到的信号进行放大，便于后级处理；
40.该移相器用于改变模拟信号的相位，结合大规模天线阵列产生指定方向的波束。
41.参照图3，本实例针对上述毫米波一体化通信系统的射频模块时延估计方法，是对上述系统中从基带模块传输到射频模块时产生的时延估计，其实现步骤如下：
42.步骤1、基站端与用户端之间进行同步。
43.基站端与用户端之间通过全球定位系统gps驯服钟每间隔1s产生的秒脉冲信号1pps进行一次同步，即基站端和用户端在秒脉冲信号1pps产生的时候同时开始工作。本实例中由于5gnr中无线帧的长度为10ms，因此基站端和用户端的基带模块会在此期间通过秒脉冲信号1pps生成100个10ms的帧指示脉冲信号s(n)，每个帧指示脉冲信号s(n)所对应的生成时刻为t
n
，0<n≤100。
44.步骤2、将基站端作为发送端，将用户端作为接收端。
45.步骤3、基站端生成时延估计信号r并发送。
46.3.1)生成训练序列a(l)：
47.由伪随机序列生成训练序列a(l)，其表达方式如下：
48.a(l)＝1
‑
2x(m)，m＝[l+43n
ue
]mod127，
[0049]
其中，x(m)为伪随机序列，l为表示训练序列长度，0≤l＜127，n
ue
为用户个数，n
ue
∈{0，1，2，3...}；
[0050]
3.2)生成时延估计信号r：
[0051]
时延估计信号r的设计需要满足下行信道探测和获取信道状态信息的需要，且最重要的是减小时延估计信号r与相同时频资源上其他信号的相互干扰，所以时延估计信号r
由训练序列a(l)重复拼接构成，其表达方式如下：
[0052]
r＝[a(l)
ꢀ…ꢀ
a(l)]；
[0053]
3.2)发送时延估计信号r
[0054]
参照图2，为了保证覆盖的范围，基站端在t
i
时刻使用毫米波天线子模块的宽波束模式发送时延估计信号r，且在收到反馈信号之前基站端的设置保持不变。
[0055]
步骤4、用户端使用延时相关算法检测时延估计信号r并切换波束。
[0056]
4.1)用户端使用延时相关算法检测时延估计信号r：
[0057]
参考图4，本步骤的具体实现如下：
[0058]
4.1.1)计算延时相关c
q
的值，即接收到的时延估计信号r
q
与其延时d个时刻接收到的时延估计信号r
q
‑
d
的互相关系数，公式如下：
[0059][0060]
其中，r
q
‑
k
为时延估计信号r
q
再延时k个长度的信号，r
q
‑
k
‑
d
为延时d个时刻的时延估计信号r
q
‑
d
再延时k个长度的信号，q为当前数据接收时刻，l为数据长度，d为延时长度，对于本实例，取l＝127，d＝127；
[0061]
4.1.2)计算接收信号能量p
q
，即延时d个时刻接收到的时延估计信号r
q
‑
d
的信号能量，用于判决统计的归一化处理，使得判决变量m
q
独立于接收功率，计算公式为：
[0062][0063]
4.1.3)计算判决变量m
q
，计算方式为：
[0064][0065]
4.1.4)设定判决变量的阈值为0.8，将计算得到的判决变量m
q
与阈值进行比较：
[0066]
若判决变量m
q
>0.8，且保持q持续64个时刻，则判定检测到时延估计信号r；反之，继续进行检测；
[0067]
4.2)用户端在t
i+1
时刻切换接收波束。
[0068]
步骤5、计算用户端基带信号到射频模块的延时μ
a
。
[0069]
5.1)用户端利用双窗口滑动法检测法，检测t
i+1
时刻后信号幅度变化的时刻t1：
[0070]
参考图5，本步骤的具体实现如下：
[0071]
5.1.1)图5中的两个窗口a和b在向右滑动的过程中保持是相对静止的，当数据分组边缘到达窗口a的时候，开始计算a窗口和b窗口中的累加数值，计算方法如下：
[0072][0073][0074]
其中，a
n
表示滑动窗口a内的能量，b
n
表示滑动窗口b内的能量，r
n
‑
m
为时延估计信号
r
n
再延时m个长度的信号，r
n+h
为时延估计信号r
n
在h个长度之前的信号，n为当前接收数据长度，m为窗口a的长度，h为窗口b的长度，对本实例中窗口长度设置为m＝h＝64；
[0075]
5.1.2)计算两个连续滑动窗口的接收能量的比值作为判决变量k
n
，公式如下：
[0076][0077]
5.1.3)设定判决变量的阈值为1.2和0.8，将计算得到的判决变量k
n
与阈值进行比较：
[0078]
若判决变量k
n
>1.2或者k
n
＜0.8，则记录此时的时刻，作为幅度发生变化的时刻t1；反之，继续进行检测。
[0079]
5.2)用户端根据信号幅度发生变化的时刻t1与用户端切换接收波束时刻t
i+1
的差值，得到用户端基带信号到射频模块的延时μ
a
，计算方式如下：
[0080]
μ
a
＝t1‑
t
i+1
。
[0081]
步骤6、用户端反馈延时信息μ
a
。
[0082]
用户端完成估计时延μ
a
之后，在t
i+2
时刻，反馈延时信息μ
a
给基站端；
[0083]
步骤7、用户端发送时延估计信号r。
[0084]
基站端接收到反馈的延时信息μ
a
后，将用户端作为发送端，将基站端作为接收端，在t
i+3
时刻，用户端使用毫米波天线模块的宽波束模式发送时延估计信号r。
[0085]
步骤8、基站端使用延时相关算法检测时延估计信号r并切换波束。
[0086]
8.1)基站端使用延时相关算法，检测时延估计信号r，具体实现与步骤4.1.1)～4.1.4)相同；
[0087]
8.2)在t
i+4
时刻，基站端切换接收波束。
[0088]
步骤9、计算基站端基带信号到射频模块的延时μ
b
。
[0089]
9.1)基站利用双窗口滑动检测法，检测波束切换后信号幅度变化的时刻t2，检测步骤与上述5.1.1)～5.1.3)相同；
[0090]
9.2)基站端根据该时刻t2与基站端切换接收波束时刻t
i+4
的差值，得到基站端基带信号到射频模块的延时：μ
b
＝t2‑
t
i+4
。
[0091]
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。