一種多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，包括接收方向和發(fā)送方向的處理；接收方向，系統(tǒng)在接收無線數(shù)據(jù)信號的同時發(fā)送無線參考信號；所有天線及收發(fā)單元在接收無線數(shù)據(jù)信號的同時，接收該無線參考信號；根據(jù)無線參考信號獲取各收發(fā)單元與參考信號之間的時偏和頻偏，并對接收到的無線數(shù)據(jù)信號的時偏和頻偏進(jìn)行校正；發(fā)送方向：系統(tǒng)在發(fā)射無線數(shù)據(jù)信號的同時，發(fā)送無線參考信號；所有天線及收發(fā)單元在發(fā)送無線數(shù)據(jù)信號的同時，接收該無線參考信號；根據(jù)無線參考信號獲取各收發(fā)單元與參考信號之間的時偏和頻偏，并對發(fā)送的無線數(shù)據(jù)信號進(jìn)行時偏補償和頻偏補償；解決現(xiàn)有系統(tǒng)中采用大量電纜進(jìn)行時鐘和頻率同步處理，影響到系統(tǒng)穩(wěn)定工作的問題。
【專利說明】
-種多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及一種多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘 和頻率同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了滿足不斷提高的用戶數(shù)據(jù)速率要求，無線通信系統(tǒng)將采用越來越多的天線進(jìn) 行信號的接收和發(fā)送，W提高系統(tǒng)容量和增強(qiáng)信號覆蓋。多天線無線通信系統(tǒng)中每個天線 連接一個收發(fā)機(jī)，運些收發(fā)機(jī)之間需要保持時鐘和頻率同步。
[0003] 現(xiàn)有解決收發(fā)機(jī)之間的時鐘和頻率同步的方案是:通信系統(tǒng)通過電纜將參考頻率 和時間信號送到每個收發(fā)機(jī)，W保證所有收發(fā)機(jī)使用相同的參考頻率和時間信號；該方法 的缺點在于:通信系統(tǒng)中需要大量的電纜用于傳輸參考頻率和時間信號，大量的電纜不僅 是系統(tǒng)的累寶，而且是影響系統(tǒng)穩(wěn)定工作的不可靠因素;尤其在天線數(shù)量越來越多和設(shè)備 越來越小型化的情況下，減少電纜數(shù)量成為一個迫切的需求。
[0004] 另外一種方法是采用衛(wèi)星信號進(jìn)行同步，比如GI^或北斗系統(tǒng)信號。該方法的缺陷 在于:衛(wèi)星信號接收和同步模塊的成本較高，且需要單獨的天線用于衛(wèi)星信號的接收，給系 統(tǒng)設(shè)計帶來了成本問題和其它設(shè)計困難，例如需要在每個收發(fā)模塊上增加一個衛(wèi)星模塊， 而且衛(wèi)星模塊需要工作在室外才能接收信號，造成成本增加且使用不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的W上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種多天線無線通信系統(tǒng)的 時鐘和頻率同步方法，其目的在于利用參考信號在收發(fā)單元進(jìn)行時鐘和頻率同步處理，W 減少現(xiàn)有通信系統(tǒng)中用于傳輸參考頻率和時間信號所需要的電纜數(shù)量。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種多天線無線通信系統(tǒng)的時 鐘和頻率同步方法，基于多天線無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：
[0007] 集中處理模塊，用于集中處理來自多個收發(fā)模塊的信號，從中提取用戶發(fā)送的信 息;采用FPGA、DSP、AS IC、CPU實現(xiàn)；
[000引多個收發(fā)模塊，用于對無線信號進(jìn)行相變頻和濾波，并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換或模數(shù)轉(zhuǎn)換， 將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號處理后發(fā)送到集中處理模塊;收發(fā)模塊包含射頻單元、中頻單 元、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元;多根收發(fā)天線，用于發(fā)送和接收無線信號；W及 無線參考信號發(fā)射模塊，用于發(fā)送無線參考信號；
[0009] 每個收發(fā)模塊包含至少一個收發(fā)單元;每個收發(fā)單元連接一根收發(fā)天線;每個收 發(fā)模塊具有獨立的頻率和時鐘源;一個收發(fā)模塊上的多個收發(fā)單元是同步的，但各收發(fā)模 塊之間沒有同步鎖定關(guān)系。
[0010] 本發(fā)明提供的多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，包括接收方向和發(fā)送 方向的處理;具體如下：
[0011] 其中，接收方向的處理包括如下步驟：
[0012] (al)系統(tǒng)在接收無線數(shù)據(jù)信號的同時發(fā)送無線參考信號;所有天線及收發(fā)單元在 接收無線數(shù)據(jù)信號的同時，接收所述無線參考信號；
[0013] (a2)根據(jù)無線參考信號獲取各收發(fā)單元與參考信號之間的時偏和頻偏，并對接收 到的無線數(shù)據(jù)信號的時偏和頻偏進(jìn)行校正；
[0014] 所述發(fā)送方向的處理包括如下步驟：
[0015] (bl)系統(tǒng)在發(fā)射無線數(shù)據(jù)信號的同時，發(fā)送無線參考信號;所有天線及收發(fā)單元 在發(fā)送無線數(shù)據(jù)信號的同時，接收所述無線參考信號；
[0016] (b2)根據(jù)無線參考信號獲取各收發(fā)單元與參考信號之間的時偏和頻偏，并對發(fā)送 的無線數(shù)據(jù)信號進(jìn)行時偏補償和頻偏補償。
[0017] 優(yōu)選地，上述多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，采用周期性窄帶信號 作為無線參考信號，所述周期性窄帶信號的每個信號周期包含相同的參考信號序列；
[0018] 所述參考信號序列采用自相關(guān)良好的序列，包括m序列或恒包絡(luò)零自相關(guān)序列。
[0019] 優(yōu)選地，上述多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，采用不同頻率的多個 周期性窄帶信號作為無線參考信號，各頻率的每個信號周期包含相同的參考信號序列。
[0020] 優(yōu)選地，上述多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，獲取收發(fā)單元與參考 信號之間時偏的方法，包括如下步驟：
[0021] (i)對接收到的信號進(jìn)行采樣和濾波，獲取參考信號的接收序列Iro, ri，r2…，rr- rn}；
[0022] 其中，ri是指參考信號對應(yīng)的接收信號經(jīng)過采樣和濾波后的第i個采樣點；參考信 號序列為{s()，Sr??，Si???Sn};
[0023] (ii)獲取時間延遲為k時的相關(guān){]
[0024] 其中，L是指相關(guān)計算長度，L不大于參考信號序列周期;n是指采樣點序號，rk+Kn是 指參考信號對應(yīng)的接收信號經(jīng)過采樣和濾波后的第化+垃1)個采樣點，5^是指參考信號第11 個采樣點的共輛;K是指參考信號的接收序列的采樣率是參考信號符號速率的K倍；
[0025] (iii)獲取所述相關(guān)值Ck的峰值對應(yīng)的時間延遲，將所述時間延遲作為收發(fā)單元 與參考信號之間的估計時偏；
[0026] (iv)對所有收發(fā)單元的估計時偏取平均，獲得收發(fā)單元與參考信號之間的時偏。
[0027] 優(yōu)選地，上述多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，其獲取收發(fā)單元與參 考信號之間頻偏的方法，包括如下步驟：
[0028] (I)獲取所述相關(guān)值Ck的峰值的相位，將所述相位作為估計相位差0;
[0029] (II)在兩個時間點進(jìn)行兩次相位差估計，根據(jù)兩次相位差估計獲得的相位差，獲 取估計頻偏為A目/UnAt);
[0030] 其中，A0為兩次相位差估計得到相位差的差值，A0 = 0a-0b;0a是第一次相位估計 獲得的相位差，0b是第二次相位估計獲得的相位差；A t為兩次相位差估計之間的時間差；
[0031] (III)對所有收發(fā)單元在多個時間點獲得的估計頻偏取平均，獲得收發(fā)單元與參 考信號之間的頻偏。
[0032] 優(yōu)選地，上述多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，收發(fā)單元與參考信號 之間時偏校正的方法如下：
[0033] 對接收到的信號延遲(TMax-Ti)時長，由此將所有的收發(fā)單元的接收信號在時間上 對齊;其中，TMax是指收發(fā)單元與參考信號之間的最大時偏，TMax = max{ TiKi = I ,2, ...，n); Tl是指第i個收發(fā)單元與參考信號之間的時偏。
[0034] 優(yōu)選地，上述多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，頻偏校正的方法為，將 待校正信號乘上exp(-j化A in)，獲得校正信號；
[0035] 其中，n是指采樣點序號，Al是第i個收發(fā)單元與參考信號之間的頻偏；j是虛單 位;其中，待校正信號是指收發(fā)單元接收到的或擬發(fā)送的信號。
[0036] 優(yōu)選地，上述多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，頻偏校正的方法為，將 待校正信號乘上exp[-j化A i(fs^R)n]，獲得校正信號；
[0037] 其中，n是指采樣點序號，Al是第i個收發(fā)單元與參考信號之間的頻偏，fR是參考信 號頻率，f S是待校正信號頻率。
[0038] 優(yōu)選地，上述多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，頻偏校正方法為，將待 校正信號乘上日邱（A )，獲得校正信號；
[0039] 其中，n是指采樣點序號，A = A ii+( A i2- A ii) (fs-fRi)/(fR2-fRi); A ii是第i個收 發(fā)單元的待校正信號與參考信號I之間的頻偏，A 12是第i個收發(fā)單元的待校正信號與參考 信號2之間的頻偏，fs是待校正信號頻率，fRl是參考信號1的頻率，fR2是參考信號2的頻率。
[0040] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果：
[0041] (1)本發(fā)明提供的多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，由于利用無線信 號代替通信系統(tǒng)中集中處理模塊和收發(fā)模塊之間大量的連接線，因此具有減少通信系統(tǒng)大 量連接電纜的有益效果；
[0042] (2)本發(fā)明提供的多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，由于采用無線參 考模塊發(fā)送參考信號，因此解決了采用衛(wèi)星信號進(jìn)行同步帶來的成本較高和設(shè)計困難的有 益效果；
[0043] (3)本發(fā)明提供的多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，由于簡化了通信 系統(tǒng)，減少了系統(tǒng)中的連接線，因此具有使多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步更加簡 易可行的有益效果。
【附圖說明】
[0044] 圖1是實施例中多天線無線通信系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；
[0045] 圖2是實施例中收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046] 圖3是實施例中信號接收方向的同步處理流程圖；
[0047] 圖4是實施例中信號發(fā)送方向的同步方處理流程圖。
【具體實施方式】
[0048] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所設(shè)及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可W相互組合。
[0049] 本發(fā)明實施例中的多天線無線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖I示意的，包括32個收發(fā) 模塊;每個模塊包括8根天線；實施例中的多天線無線通信系統(tǒng)的收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所 示意的，模塊內(nèi)的收發(fā)單元與天線一一對應(yīng)。
[0050] 本發(fā)明實施例提供的多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，包括接收方向 和發(fā)送方向的處理；
[0051] 其中，接收方向的處理流程如圖3所示，包括如下步驟：
[0052] (al)系統(tǒng)在接收無線數(shù)據(jù)信號的同時發(fā)送無線參考信號;所有天線及收發(fā)單元在 接收無線數(shù)據(jù)信號的同時，接收所述無線參考信號；
[0053] (a2)根據(jù)無線參考信號獲取各收發(fā)單元與參考信號之間的時偏和頻偏，并對接收 到的無線數(shù)據(jù)信號的時偏和頻偏進(jìn)行校正；
[0054] 其中，發(fā)送方向的處理流程如圖4所示，包括如下步驟：
[0055] (bl)系統(tǒng)在發(fā)射無線數(shù)據(jù)信號的同時，發(fā)送無線參考信號;所有天線及收發(fā)單元 在發(fā)送無線數(shù)據(jù)信號的同時，接收所述無線參考信號；
[0056] (b2)根據(jù)無線參考信號獲取各收發(fā)單元與參考信號之間的時偏和頻偏，并對發(fā)送 的無線數(shù)據(jù)信號進(jìn)行時偏補償和頻偏補償。
[0057] 實施例中，采用的無線參考信號速率為5.12K符號/秒，周期為100ms，每個周期是 512個符號，符號序列采用Zadoff-化U序列，參考信號序列是{SG，Si，S3，…}。
[0058] 實施例中，獲取收發(fā)單元與參考信號之間時偏的方法，包括如下步驟：
[0059] (i)對收發(fā)單元收到的信號進(jìn)行K= 16倍采樣和濾波，獲得參考信號的接收序列 {r〇,ri,r2,---};
[0060] (ii)獲取時間延遲為k時的相關(guān)值每=化"蘇;：
[0061] (iii)獲取所述相關(guān)值Ck峰值對應(yīng)的時間延遲，將該時間延遲作為收發(fā)單元與參 考信號之間的估計時偏；
[0062] (iv)對所有收發(fā)單元的估計時偏取平均，獲得收發(fā)單元與參考信號之間的時偏。
[0063] 對收發(fā)單元進(jìn)行時偏校正，具體如下：
[0064] 對接收到的信號延遲(TMax-Ti)時長，由此將所有的收發(fā)單元的接收信號在時間上 對齊;其中，TMax是指收發(fā)單元與參考信號之間的最大時偏，TMax = max{ TiKi = I ,2, ...，n); Tl是指第i個收發(fā)單元與參考信號之間的時偏。
[0065] 實施例中，獲取收發(fā)單元與參考信號之間頻偏的方法，包括如下步驟：
[0066] (I)獲取所述相關(guān)值Ck的峰值的相位，將所述相位作為估計相位差0;
[0067] (II)在兩個不同時間進(jìn)行兩次相位差估計，根據(jù)所述估計相位差獲取估計頻偏為 A 白/(化 A t);
[0068] 其中，A 0為兩次相位差估計之間的相位差的差值，A 0 = 0a-0b，0a是第一次相位估 計獲得的相位差，0b是第二次相位估計獲得的相位差；A t為兩次相位差估計之間的時間 差；
[0069] (III)對收發(fā)模塊上的多個收發(fā)單元在多個時間段獲得的估計頻偏取平均，獲得 收發(fā)單元與參考信號之間的頻偏。
[0070] 實施例提供的頻偏校正的方法為，將待校正信號乘上e邱(-j2n A in),獲得校正信 號；
[0071] 其中，n是指采樣點序號，Al是第i個收發(fā)單元與參考信號之間的頻偏；j是虛單 位;其中，待校正信號是指收發(fā)單元接收到的或擬發(fā)送的信號。
[0072] 還可W采用e邱[-j23IAl(fsパR)n]進(jìn)行頻偏校正，將待校正信號乘上e邱[-j23IAl (fs/fR)n]，獲得校正信號；
[0073] 其中，n是指采樣點序號，Al是第i個收發(fā)單元與參考信號之間的頻偏，fR是參考信 號頻率，f S是待校正信號頻率。
[0074] 還可W采用兩個頻率分別為fRl和fR2的參考信號對待校正信號進(jìn)行頻偏校正，將 待校正信號乘上日邱(j2TO A )，獲得校正信號；
[00對其中，n是指采樣點序號，A = A ii+( A i2- A ii) (fs-fRi)/(fR2-fRi); A ii是第i個收 發(fā)單元的待校正信號與參考信號I之間的頻偏，A 12是第i個收發(fā)單元的待校正信號與參考 信號2之間的頻偏，fs是待校正信號頻率，fRl是參考信號1的頻率，fR2是參考信號2的頻率。 [0076]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用W 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種多天線無線通信系統(tǒng)的時鐘和頻率同步方法，包括接收方向和發(fā)送方向的處 理;其特征在于， 所述接收方向的處理包括如下步驟： (al)所述系統(tǒng)在接收數(shù)據(jù)信號的同時發(fā)送參考信號;所有天線及收發(fā)單元在接收數(shù)據(jù) 信號的同時，接收所述參考信號； (a2)根據(jù)所述無線參考信號獲取收發(fā)單元與參考信號之間的時偏和頻偏，并對接收到 的數(shù)據(jù)信號的時偏和頻偏進(jìn)行校正； 所述發(fā)送方向的處理包括如下步驟： (bl)所述系統(tǒng)在發(fā)送數(shù)據(jù)信號的同時發(fā)送參考信號;所有天線及收發(fā)單元在發(fā)送數(shù)據(jù) 信號的同時，接收所述參考信號； (b2)根據(jù)所述參考信號獲取收發(fā)單元與參考信號之間的時偏和頻偏，并對發(fā)送的數(shù)據(jù) 信號進(jìn)行時偏補償和頻偏補償。2. 如權(quán)利要求1所述的時鐘和頻率同步方法，其特征在于，采用周期性窄帶信號作為參 考信號，所述周期性窄帶信號的每個信號周期包含相同的參考信號序列； 所述參考信號序列采用m序列或恒包絡(luò)零自相關(guān)序列。3. 如權(quán)利要求1所述的時鐘和頻率同步方法，其特征在于，采用不同頻率的多個周期性 窄帶信號作為參考信號，各頻率的每個信號周期包含相同的參考信號序列。4. 如權(quán)利要求1所述的時鐘和頻率同步方法，其特征在于，獲取收發(fā)單元與參考信號之 間的時偏的方法，包括如下步驟： (i)對接收到的信號進(jìn)行采樣和濾波，獲取參考信號的接收序列Ιτο,η,η…，rr''rn}; 其中，ri是指參考信號的接收信號經(jīng)過采樣和濾波后的第i個采樣點；參考信號序列為 {s〇,Sl··· ,Si---Sn}； (i i)獲取時間延遲為k時的相關(guān)值其中，L是指相關(guān)計算長度，L不大于參考信號序列周期;η是指采樣點序號，rk+Kn是指參 考信號對應(yīng)的接收信號經(jīng)過采樣和濾波后的第化+Κη)個采樣點是指參考信號第η個采 樣點的共輛，Κ是指參考信號的接收序列的采樣率是參考信號符號速率的Κ倍； (iii) 獲取所述相關(guān)值ck的峰值對應(yīng)的時間延遲，將所述時間延遲作為收發(fā)單元與參考 信號之間的估計時偏； (iv) 對所有收發(fā)單元的估計時偏取平均，獲得收發(fā)單元與參考信號之間的時偏。5. 如權(quán)利要求4所述的時鐘和頻率同步方法，其特征在于，獲取收發(fā)單元與參考信號之 間頻偏的方法，包括如下步驟： (I) 獲取所述相關(guān)值Ck的峰值的相位，將所述相位作為估計相位差Θ; (II) 在兩個時間點進(jìn)行兩次相位差估計，根據(jù)兩次相位差估計獲得的相位差，獲取估 計頻偏為Ae/UnAt); 其中，Δ Θ為兩次相位差估計得到相位差的差值，Δ Θ = 0a-0b ; Θ。是第一次相位估計獲得 的相位差，是第二次相位估計獲得的相位差；Δ t為兩次相位差估計之間的時間差； (III) 對所有收發(fā)單元在多個時間點獲得的估計頻偏取平均，獲得收發(fā)單元與參考信 號之間的頻偏。6. 如權(quán)利要求4所述的時鐘和頻率同步方法，其特征在于，所述時偏校正的方法如下： 對接收到的信號延遲(TMax-Ti)時長，獲得校正后的信號；由此將所有的收發(fā)單元的接收 信號在時間上對齊； 其中，TMax是指收發(fā)單元與參考信號之間的最大時偏，TMax=max{Ti}(i = l ,2, . . .，n) ;Ti 是指第i個收發(fā)單元與參考信號之間的時偏。7. 如權(quán)利要求5所述的時鐘和頻率同步方法，其特征在于，所述頻偏校正的方法為，將 待校正信號乘上exp(-j化A m)，獲得校正信號； 其中，η是指采樣點序號，Δι是第i個收發(fā)單元與參考信號之間的頻偏；j是虛單位;其 中，待校正信號是指收發(fā)單元接收到的或擬發(fā)送的信號。8. 如權(quán)利要求5所述的時鐘和頻率同步方法，其特征在于，所述頻偏校正的方法為，將 待校正信號乘上exp[-j化Δ i(fs^R)n]，獲得校正信號； 其中，η是指采樣點序號，Δι是第i個收發(fā)單元與參考信號之間的頻偏，fR是參考信號頻 率，fs是待校正信號頻率。9. 如權(quán)利要求5所述的時鐘和頻率同步方法，其特征在于，所述頻偏校正方法為，將待 校正信號乘上日邱（Δ )，獲得校正信號； 其中，η是指采樣點序號，A = Δ ii+( Δ i2- A ii) (fs-fRi)/(fR2-fRi); Δ η是第i個收發(fā)單 元的待校正信號與參考信號1之間的頻偏，A 12是第i個收發(fā)單元的待校正信號與參考信號2 之間的頻偏，fs是待校正信號頻率，fRl是參考信號1的頻率，fR2是參考信號2的頻率。
【文檔編號】H04L7/00GK105846988SQ201610279316
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】屈代明, 孔令燃
【申請人】華中科技大學(xué)