专利名称：无线通信中基于簇的两阶段分布式天线的频率同步方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信中基于簇的两阶段分布式天线的频率同步方法，属于无 线通信技术领域。
背景技术：
在同频组网的下一代无线通信系统中，为了进一步提高系统的频谱利用率和 对用户的服务质量，多采用分布式天线或多基站协同的方式进行传输。例如，协作多点 (CoordinatedMultiple Point,以下简称CoMP)传输技术是目前被LTE-Advanced重点关注 的技术，它在尽可能保持系统高频谱利用率的基础上，可以有效地避免或降低小区间干扰。 CoMP模型最常用的是基于BBU+RRU的组网模式，通常1个基带单元(以下简称BBU)通过射 频光纤(以下简称RoF)连接多个无线远端单元(以下简称RRU)。RRU类似于分布式天线 系统中分布式天线，通过RoF和类似中央处理器的BBU相连接。在多个分布式天线协作通信的场景下，多个分布式天线间的时间和频率同步是提 供可靠传输的基本前提。当多个分布式天线同时为一个或多个用户传递信息时，由于每个 分布式天线本地晶振的频率会随时间产生偏差，使用户恢复信号困难。因而，保证多个分布 式天线的时间频率同步，直接关系到用户(如手机用户、移动设备等)的通信质量和可靠 性。目前针对多分布式天线的同步机制有主从同步机制、开闭环同步机制和双向轮询同步 机制等。在主从同步机制中，主节点(在多分布式天线中选定一个代表天线或者是终端用 户)向各个从节点(剩余的分布式天线)发送参考信号，从节点接收到参考信号后通过锁 相环(PLL)获取参考信号的频率和相位信息，进而调整从节点的本地晶振达到同步的目 的。但是该机制也存在一些不足之处(1)主节点需要同时向多个从节点进行广播，相比于从节点会带来更多的功耗。尤 其是以终端用户为主节点时，则需要处理大量来自从节点的响应信号。(2)由于各个从节点需要根据主节点发送的参考信号对自己的本地晶振进行调 整，一旦主节点的晶振偏差过大，或者每个从节点处理参考信号时出现较大误差，则会造成 主从节点无法完成时间频率的同步。另外主从同步机制下的同步精度也无法满足分布式天 线协作系统的时间频率同步需求。当前分布式天线/多基站协作系统需要的时间频率同步 精度高于主从同步机制精度约一到两个数量级。在双向轮询同步机制中，考虑一个有标号的分布式天线集合IC1, C2, ... , CJ并设 定天线编号从1递增到L为前向，相反的从L递减到1为后向。由基站1向基站2发送参考 信号，该信号包括基站1本地晶振的频率和相位信息，基站2接收到参考信号后进行估计， 并根据估计值调整本地晶振。随后继续向基站3发送参考信号，以此类推。通过双向轮询的 方式对每个基站进行时间和频率的估计。然后，通过前后双向估计的对称性，计算出每个基 站的本地晶振需要调整的时间和频率值，最终达到多个基站时间、频率同步的目的。双向轮 询同步机制能够得到满足分布式天线/多基站协作系统需求的时间、频率同步精度，但是，由于每个基站根据接收到参考信号进行频率和相位估计，并继续发送参考信号给下一个基 站的过程都需要独立的一个时隙，对于一个具有L个分布式天线协作多点传输系统，随着 分布式天线数目L的增加，整个系统同步所需的资源开销会线性增大。总之，目前已有的同步机制在系统资源开销、同步时间和同步精度方面存在问题， 不能实现对分布式无线通信系统/多基站协作通信系统中多个分布式天线的高效率、高精 度的时间频率同步。
发明内容
本发明的目的是提出一种无线通信中基于簇的两阶段分布式天线的频率同步方 法，通过对天线的分簇处理，使多个簇同时进行同步，以减少频率同步时间，同时满足分布 式无线通信系统对同步精度的要求，并提高了通信的可靠性。本发明提出的无线通信中基于簇的两阶段分布式天线的频率同步方法，包括以下 步骤(1)将无线通信系统中的M个分布式天线划分为P个簇，P= 1,2,..., P，每个簇 内的分布式天线数目为N个，η = 1，2，...，N，第ρ个簇中的第η个分布式天线用表示，
则每簇中分布式天线集合为I^i0 j 二 ；设无线通信系统中分布式天线的统一参考时钟信号为Ψ (t) = eXp{j(Qt+c5)}， 其中Ω为统一的全局晶振频率，t为统一的全局参考时间，Φ为统一的全局晶振相位，则无 线通信系统中任意一个分布式天线i的本地晶振信号表示为IiriCt) = θχρυ(Ω +Φ +η ( ))}, i = 1，2，· · ·，M_l，M上式中Ω i为分布式天线i的本地晶振频率，Oi表示分布式天线i的本地晶振的 相位，Hi (t)为分布式天线i的本地晶振的噪声；根据上式，得到无线通信系统中分布式天线i的当前本地时间为tj = (Ω +Φ +η ( ))/Ω = α j (t+Δ j (t))其中α i = Ω 乂 Ω，表示分布式天线i的本地晶振频率和统一的全局晶振频率的 比值， ⑴=(Ojnia)VQi，表示分布式天线i的本地时间偏差，分布式天线i的本地 时间、和全局参考时间t的关系式为、=t+Ai ；(2)从上述每个簇的N个分布式天线中选定分布式天线為(叫乍为簇代表天线，则相 邻的P个簇产生P个簇代表天线；(3)对上述所有的簇代表天线进行分布式双向协作同步，具体过程如下(3-1)对上述所有的簇代表天线进行编号后排序，形成簇代表天线集合
{4]A2\-AP)}，简写为 M1, A2, ... , V1, Apl ；(3-2)由簇代表大线A1同簇代表大线A2发送正弦信号，以此类推 A1 — A2 — ... — Aim — Ap,记为前向传输，当前向传输结束后，由簇代表天线Ap发送相同的 正弦信号到簇代表天线AP_1;以此类推Ap — V1 — ... — A2 — A1，记为反向传输，前向传输 和反向传输共占用2P-2个单位传播时隙，其中时隙{T(1)，T(2)，...，T05-2Wp-1O为前向传输 时隙集合，时隙{T(p)，T(p+1)，. . .，Τ(2Ρ_3)，Τ(2Ρ_2)}为反向传输时隙集合；(3-3)在上述前向传输时隙Τ(1)内，簇代表天线A1发送的信号表示为
S,)(t) = θχρυ&Α+Φ》}其中W1为簇代表天线A1的本地晶振频率，O1为簇代表天线A1的本地晶振的相 位；簇代表天线A2接收来自簇代表天线A1的信号，该信号用簇代表天线A2的本地时 间t2表示为r2(1) (t2) = exp [KalWl ( 2 / + A1 - Δ2) + Φ)} + <) (t2)其中时乜)为簇代表天线A2在前向传输时隙T(1)中接收到的噪声；簇代表天线A2估计得到的本地晶振频率和相位为= (^wl) Za2= ^w1 (A1 - Δ2) + O1 +其中对υ和Φ(2υ为频率估计误差和相位估计误差；(3-4)重复上述步骤(3- ，得到任意一个簇代表天线Ai的前向传输估计的晶振 频率和相位为Wj = a^w^ / Oci = (X1W1 / Ociφ, = (Δη - ) + ! = ^w1 (A1 -A1)+ Φ,.
(3-5)反向传输由簇代表天线Ap开始，直到在反向传输时隙Τ(2Ρ_2)内簇代表天线 A1接收到最终信号为止，在反向传输时隙Τ(ρ)内，簇代表天线Ap发送的信号表示为sP(P) (t) = exp {j (ffptp+Φρ)}簇代表天线Α"接收来自簇代表天线Ap的信号，该信号用簇代表天线Α"的本地 时间tp_i表示为^n1 ( ρ_λ) = exp {j(apwp( ρ_λ /αρ_λ +Ap - Ap^) + Φρ)} + COippJl( Ρ_λ)则簇代表天线Am估计得到的本地晶振频率和相位为w(p\ = (apwp +w(jT{)/ αρ_λΦ^ = apwp (Ap - A^1) + ΦΡ + O^1其中^ 和δ。为频率估计误差和相位估计误差；(3-6)重复上述步骤(3-5)，得到簇代表天线Ai的反向传输估计的晶振频率和相 位为W1 = CXmWm / OC1 = CXpWp / CX1= apwp (Δ!+1 - Ai) + Φ!+1 = apwp (Ap - Ai) + ；(3-7)根据上述得到的每个簇代表天线的前向传输估计结果与反向传输估计结 果，则簇代表天线Ai估计的本地晶振频率和相位为Wj = (Qr1W1 + apwp) / Oci= (X1W1 (A1 -A1) + apwp(Ap -Αι) + Φι + Φρ并得到基于统一的全局参考时间t的簇代表天线Ai的本地晶振信号为Ψ 丄(t) = exp {j (( α lWl+ α pWp) t+ λ ^ λ ρ)}其中λη= anWnAn+cDn;(3-8)根据上述簇代表天线Ai的本地晶振频率和相位的估计值，得到簇代表天线集合丨妒，^…乂广)丨的本地晶振信号的同步结果为
权利要求
1. 一种无线通信中基于簇的两阶段分布式天线的频率同步方法，其特征在于该方法包 括以下步骤(1)将无线通信系统中的M个分布式天线划分为P个簇，P= 1，2，. . .，P，每个簇内的 分布式天线数目为N个，η = 1，2，...，N，第ρ个簇中的第η个分布式天线用劣力表示，则每簇中分布式天线集合为I^i0 j:；设无线通信系统中分布式天线的统一参考时钟信号为V(t) =eXp{j(Qt+c5)}，其中 Ω为统一的全局晶振频率，t为统一的全局参考时间，Φ为统一的全局晶振相位，则无线通 信系统中任意一个分布式天线i的本地晶振信号表示为 ￥i(t) = θχΡυ(Ω +Φ +η (t))}, i = 1，2，· · ·，M-1，M上式中Ω i为分布式天线i的本地晶振频率，Φ i表示分布式天线i的本地晶振的相位， Hi (t)为分布式天线i的本地晶振的噪声；根据上式，得到无线通信系统中分布式天线i的当前本地时间为 ti = (Ω^+Φ^Π (t))/Q = α j (t+Δ ^t))其中Cii= Ω^Ω，表示分布式天线i的本地晶振频率和统一的全局晶振频率的比值， 八i(t) = (Odnia)VQi，表示分布式天线i的本地时间偏差，分布式天线i的本地时间ti 和全局参考时间t的关系式为、=t+Ai ；(2)从上述每个簇的N个分布式天线中选定分布式天线&(〃)作为簇代表天线，则相邻的 P个簇产生P个簇代表天线；(3)对上述所有的簇代表天线进行分布式双向协作同步，具体过程如下(3-1)对上述所有的簇代表天线进行编号后排序，形成簇代表天线集合{4]A2\-AP)}，简写为 M1, A2, ... , V1, Apl ；(3-2)由簇代表天线A1向簇代表天线A2发送正弦信号，以此类推 A1 — A2 — ... — Aim — Ap,记为前向传输，当前向传输结束后，由簇代表天线Ap发送相同的 正弦信号到簇代表天线AP_1;以此类推Ap — V1 — ... — A2 — A1，记为反向传输，前向传输 和反向传输共占用2P-2个单位传播时隙，其中时隙{T(1)，T(2)，...，T05-2Wp-1O为前向传输 时隙集合，时隙{T(p)，T(p+1)，. . .，Τ(2Ρ_3)，Τ(2Ρ_2)}为反向传输时隙集合；(3-3)在上述前向传输时隙Τ(1)内，簇代表天线A1发送的信号表示为 Sl(1)(t) = exp υ (W1VO1M其中W1为簇代表天线A1的本地晶振频率，Φ!为簇代表天线A1的本地晶振的相位； 簇代表天线A2接收来自簇代表天线A1的信号，该信号用簇代表天线A2的本地时间t2 表示为r2(1) (t2) = exp [KalWl ( 2 / + A1 - Δ2) + (D1)} + <) (t2)其中时电)为簇代表天线A2在前向传输时隙T(1)中接收到的噪声； 簇代表天线A2估计得到的本地晶振频率和相位为 =(GclW^Wf)Ia2其中句1〕和ci^为频率估计误差和相位估计误差；(3-4)重复上述步骤(3-3)，得到任意一个簇代表天线Ai的前向传输估计的晶振频率 和相位为=QT^1=^wlIa1φ, = (A^1 -Δ,) + Φ,ι = (A1 -Ai)+ O1 . (3-5)反向传输由簇代表天线Ap开始，直到在反向传输时隙T(2P_2)内簇代表天线A1接 收到最终信号为止，在反向传输时隙Τ(ρ)内，簇代表天线Ap发送的信号表示为％(p)(t)= exp {j (wptp+Φρ)}簇代表天线Α"接收来自簇代表天线Ap的信号，该信号用簇代表天线Α"的本地时间 tp-i表不为r(p-l(h) = exp {j(apwp(tp_x /！ + Δρ - A^1) + ΦΡ)} + ω(Ρρ_\(tp_x)则簇代表天线Α"估计得到的本地晶振频率和相位为 W1^J1 = (apwp +Wi^l)! αρ_λΦ^ = GCpWp (Ap - Ap^ ) + ΦΡ + O^1其中和δ=为频率估计误差和相位估计误差；(3-6)重复上述步骤(3-5)，得到簇代表天线Ai的反向传输估计的晶振频率和相位为= ^mWm Ial =CcpWpIal= (XpWp(Am -A1) + Φ!+1 = apwp(Ap ~Α,) + ΦΡ ； (3-7)根据上述得到的每个簇代表天线的前向传输估计结果与反向传输估计结果，则 簇代表天线Ai估计的本地晶振频率和相位为Wi = {axwx + CCpWp) / Oci= QT1W1 (A1 - Ai) + apwp (Ap -Ai)+ Φ) + Φρ并得到基于统一的全局参考时间t的簇代表天线Ai的本地晶振信号为 Ψ i (t) = exp {j (( α lWl+ α pwP) t+ λ 广 λ Ρ)}其中 λη= anWmAm+cDm;(3-8)根据上述簇代表天线Ai的本地晶振频率和相位的估计值，得到簇代表天线集合 (4(1)，4(2)，...，4(P)丨的本地晶振信号的同步结果为^ (O = exp {_/ ((^i1V1W + 祝))t + Λ(1) + Λ⑷)}；(4)根据上述各簇之间的簇代表天线的同步结果，由每个簇的簇代表天线发起簇内的 多个分布式天线之间的分布式协作同步，具体步骤如下(4-1)由簇代表天线4(〃)作为主节点天线，向簇内其他从节点天线pP j:，发送同步参 考信号x(t) = C0S(COcit-Qci)，其中Coci为参考载波频率，θ ^为初始相位；(4-2)在簇内同步的时隙h内，第η个从节点天线接收主节点天线发送的同步参考 信号，并估计出同步参考信号为L (O = cos ( 。i + ^+ Oesun (Γ) + Opre n)其中为从节点天线々)利用本地的锁相环对同步参考信号的频率和相位进行估计时产生的相位误差，从节点天线劣力对接收到的同步参考信号进行预补偿操作，预补偿 的相位值是θρΜ,η;(4-3)在簇内同步的时隙f2内，簇代表天线為W接收到由从节点天线劣4发送的反馈信 号为
全文摘要
本发明涉及一种无线通信中基于簇的两阶段分布式天线的频率同步方法，属于无线通信技术领域。首先，对有多个分布式天线的通信系统进行分簇处理，选出簇代表天线，完成簇代表天线之间的高精度频率同步。然后，由簇代表天线发起各簇内的多个分布式天线的频率同步，实现系统中所有分布式天线的频率同步。本发明通过分簇处理，使多个簇同时进行同步，减少了总的同步时间，加快了同步速度；本发明方法得到了更高的同步精度，满足分布式无线通信系统对同步精度的要求；本方法预先完成分布式天线之间的同步，避免终端用户同多个分布式天线进行多次同步，减少了终端用户的系统资源开销，提高了通信的可靠性。
文档编号H04W56/00GK102143572SQ20111002536
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月24日 优先权日2011年1月24日
发明者曾捷, 粟欣, 薛光达, 高晖 申请人:清华大学