专利名称：多天线无线通信系统中的低复杂度定时同步方法
技术领域：
本发明是一种应用于多天线无线通信系统的定时同步的方法，属于移动通信中 的同步技术领域。
背景技术：
定时同步是移动通信系统能正常通信的前提。为了能够支持高速数据业务，未 来移动通信系统将是多收、发天线的系统。在多天线无线通信系统中，由于有多个 发送天线，使得在接收端存在多天线之间的信号千扰。对于同步算法，多天线干扰 将导致性能的下降。为了解决这个问题，有人提出了在不同天线上错开发送同步序 列的方案来避免干扰，但由于同时只在一路天线发送，带来了发送能量的损失，从 而导致接收信噪比的损失，使得同步性能下降。也有人提出了在所有发送天线同时 发送降低多天线干扰的同步序列的方案，但导致接收端复杂度较高，不利于硬件实 现。因此，设计降低多天线干扰及接收复杂度的定时同步方案是提高多天线系统同 步性能的重要保证。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种多天线无线通信系统中的低复杂度定时 同步方法，能以较低的复杂度实现多天线无线通信系统定时同步。
技术方案本发明提出了低复杂度的基于调制序列的多天线无线通信系统定时 同步方法。
假设发送端有A^个发送天线，各个发送天线的同步序列以如下方式定义 记长为^的原始序列为"。,"1,...,^_1此序列可以任意选取，对该序列用~><~
的正交矩阵『进行调制，得到调制后的序列C = c^g(a。，q，... —
外
其中C为7VxA^的矩阵，其每一列为一个天线的发送同步序列；
4在接收端，为了实现定时同步，需要使用匹配滤波器对同步序列进行捕获，然 后对匹配滤波器的输出进行搜索，找到最大输出，其最大输出对应的位置即为同步 位置；
记发送天线/发送的信号为C,，则第y个接收天线接收信号为
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中、,(/,A:)为第A:时刻发送天线Z和接收天线y之间的第/个多径分量的信道冲击 响应， (A:)为第_/个接收天线第A时刻的加性高斯白噪声AWGN;
将连续iV个时刻的接收信号表示成
r = [r(。
r(*-1)…r(A-iV + l)]r, 它是一个iVxi^的矩阵；
A时刻A^个接收天线的匹配滤波器输出非相干合并后的输出为
<formula>formula see original document page 5</formula>r,和a，是为标记方便引入的中间变量，其定义见上式；由于对A^
<formula>formula see original document page 5</formula>
接收天线匹配滤波器的输出进行了非相干合并，并且由于a一的稀疏结构，
使得以上的匹配滤波运算可以用多相方式实现； 然后，对整个搜索区间内的非相干合并后的输出序列2 = (21,^,...,^)进行最大 值搜索，即得到定时同步，即同步时刻r由下式确定r = argmaX(Zl,z2，...,zM); 其中M为设定的搜索区间大小；Z的各元素2,.(/ = 1,2,...,肘)为搜索区件中各时刻接 收天线匹配滤波器输出的非相干合并结果。有益效果在本发明中，通过在发送端发送我们所发明的正交调制的同步序列， 使得接收端与现有设备相比，能够在接收端以与单天线系统相同的复杂度实现多天 线无线通信系统的定时同步，大大降低了现有方法的复杂度。
具体实施例方式
假设发送端有A^个发送天线。各个发送天线的同步序列以如下方式定义 记长为iV的原始序列为(此序列可以任意选取)。对该序列用
Wr x iVr的正交矩阵『进行调制，得到调制后的序列 C =必flg("o,fl,,)[，，…,『f
外
其中C为Wxi^的矩阵，其每一列为一个天线的发送同步序列, 易于发现，C可以表示成
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中1为&><~的单位矩阵。
在接收端，为了实现定时同步，需要使用匹配滤波器对同步序列进行捕获，然 后对匹配滤波器的输出进行搜索，找到最大输出，其最大输出对应的位置即为同步 位置。
记发送天线/发送的信号为c,，则第y个接收天线接收信号为<formula>formula see original document page 7</formula>
其中~，, (/，"为第yt时刻发送天线/和接收天线_/之间的第/个多径分量的信道冲击 响应， (A:)为第y个接收天线第A:时刻的加性高斯白噪声(AWGN)。
为了方便表示，我们将第A时刻各发送天线的发送信号c, (it)和接收天线的接收 信号。("表示成矢量的形式
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中
<formula>formula see original document page 7</formula>
将连续7V个时刻的接收信号表示成 r = , r(A:-l)
它是一个iVxA^的矩阵。
则接收匹配滤波器的输出可写成-
<formula>formula see original document page 7</formula>它是A^xi^的矩阵，其每列代表了一个接收天线对A^个发射天线的同步序列
在某个时刻的相关值。注意式中最后一行实际上是对最后面的两个矩阵的乘积做一 个正交变换。
A时刻A^个接收天线的匹配滤波器输出非相干合并后的输出为
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，r,和a鄉是为标记方便引入的中间变量，其定义见公式[7]。可见，由于
对A^个接收天线匹配滤波器的输出进行了非相干合并，并且由于a，的稀疏结构， 使得以上的匹配滤波运算可以用多相方式实现。从公式[7]可以看到，在这种发送同 步序列方案下，7^个接收天线时的同步捕获运算复杂度与单发单收天线模式下的是 一样的。这就大大降低了运算复杂度。
然后，对整个搜索区间内的匹配滤波器的输出序列2 = (21,22，...,~)(其中M为
设定的搜索区间大小)进行最大值搜索，即得到定时同步。即同步时刻由下式确定 "argmax(X,Z2,…，ZM) [8]
实施例如下
考虑由基站和移动台构成的多天线无线通信系统。基站发送同步序列，移动台
对同步序列进行接收，并根据接收的同步序列完成定时同步。主要步骤如下
(1)、假设基站设备发送端有iVT个发送天线，在基站发送端，记长为iV的原
始序列为"o,""...,"^ ，且此序列可以任意选取，对该序列用X 的正交矩阵『进
行调制，得到调制后的序列C:^flgO。，a,，… 一)[『,『，…,PnT，其中C为JVxA^的
外
矩阵，其每一列为一个发送天线的发送同步序列。将此同步序列在各个发送天线上 进行发送。(2)、在移动台接收端，A^个接收天线对同步序列进行接收，并对接收同步序 列经过模数转换后，第7'个接收天线的接收信号为
。("=i^、,(a)c,d/)+"#), 7=i,u
将连续iV个时刻的接收信号表示成
r = [r(" r(yt-1)…r(A: - TV + ， 它是一个7VxA^的矩阵； 然后根据公式
zt —lyll监
… W21 _00 -!00o一
0000
. : .0
00 00cr0 —
r
二 |w:a,w/7r|2 —U
计算接收天线的匹配滤波器输出，并进行非相干合并。其结果&即为非相干合 并的结果。
G)、然后，对整个搜索区间内的非相干合并后的输出序列2 = (^22，...,~)(其
中M为设定的搜索区间大小)进行最大值搜索，即得到定时同步，即同步时刻由下 式确定r二argmax(^^，...，^)。至此，移动台同步模块完成了定时同
权利要求
1.一种多天线无线通信系统中的低复杂度定时同步方法，其特征在于该方法为假设发送端有NT个发送天线，各个发送天线的同步序列以如下方式定义记长为N的原始序列为a0，a1，...，aN-1此序列可以任意选取，对该序列用NT×NT的正交矩阵W进行调制，得到调制后的序列 id="icf0001" file="A2009100292610002C1.tif" wi="61" he="10" top= "55" left = "110" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>其中C为N×NT的矩阵，其每一列为一个天线的发送同步序列；在接收端，为了实现定时同步，需要使用匹配滤波器对同步序列进行捕获，然后对匹配滤波器的输出进行搜索，找到最大输出，其最大输出对应的位置即为同步位置；记发送天线i发送的信号为ci，则第j个接收天线接收信号为<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>r</mi> <mi>j</mi></msub><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>L</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <msub><mi>N</mi><mi>T</mi> </msub></munderover><msub> <mi>h</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mi>i</mi> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>c</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>n</mi> <mi>j</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1,2</mn><mo>,</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>,</mo><msub> <mi>N</mi> <mi>R</mi></msub> </mrow>]]></math></maths>其中hj，i(l，k)为第k时刻发送天线i和接收天线j之间的第l个多径分量的信道冲击响应，nj(k)为第j个接收天线第k时刻的加性高斯白噪声AWGN；将连续N个时刻的接收信号表示成r＝[r(k)r(k-1)…r(k-N+1)]T，它是一个N×NR的矩阵；k时刻NR个接收天线的匹配滤波器输出非相干合并后的输出为<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>z</mi> <mi>k</mi></msub><mo>=</mo><msubsup> <mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><mi>y</mi><mo>|</mo><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> <mn>2</mn></msubsup> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>=</mo><msubsup> <mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><msubsup> <mi>W</mi> <mi>rev</mi> <mi>H</mi></msubsup><msub> <mi>a</mi> <mi>tmp</mi></msub><mi>r</mi><mo>|</mo><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> <mn>2</mn></msubsup> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>=</mo><mi>tr</mi><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>W</mi><mi>rev</mi><mi>H</mi> </msubsup> <msub><mi>a</mi><mi>tmp</mi> </msub> <msup><mi>rr</mi><mi>H</mi> </msup> <msubsup><mi>a</mi><mi>tmp</mi><mi>H</mi> </msubsup> <mi>W</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>=</mo><msubsup> <mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><msub> <mi>r</mi> <mi>tmp</mi></msub><mo>|</mo><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> <mn>2</mn></msubsup> </mrow>]]></math></maths>rtmp和atmp是为标记方便引入的中间变量，其定义见上式；由于对NR个接收天线匹配滤波器的输出进行了非相干合并，并且由于atmp的稀疏结构，使得以上的匹配滤波运算可以用多相方式实现；然后，对整个搜索区间内的非相干合并后的输出序列z＝(z1，z2，...，zM)进行最大值搜索，即得到定时同步，即同步时刻τ由下式确定τ＝argmax(z1，z2，...，zM)；其中M为设定的搜索区间大小；z的各元素zi(i＝1，2，...，M)为搜索区件中各时刻接收天线匹配滤波器输出的非相干合并结果。
全文摘要
多天线无线通信系统中的低复杂度定时同步方法提供一种多天线无线通信系统中的低复杂度定时同步方法，能以较低的复杂度实现多天线无线通信系统定时同步；该方法为假设发送端有N<sub>T</sub>个发送天线，各个发送天线的同步序列以如下方式定义记长为N的原始序列为a<sub>0</sub>，a<sub>1</sub>，...，a<sub>N-1</sub>此序列可以任意选取，对该序列用N<sub>T</sub>×N<sub>T</sub>的正交矩阵W进行调制，得到调制后的序列如上，其中C为N×N<sub>T</sub>的矩阵，其每一列为一个天线的发送同步序列；在接收端，为了实现定时同步，需要使用匹配滤波器对同步序列进行捕获，然后对匹配滤波器的输出进行搜索，找到最大输出，其最大输出对应的位置即为同步位置。
文档编号H04B7/08GK101516133SQ20091002926
公开日2009年8月26日 申请日期2009年4月3日 优先权日2009年4月3日
发明者尤肖虎, 潘志文, 高西奇 申请人:东南大学