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干扰。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：![]()
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：
rj(k)=Σl=0L-1Σi=1NThj,i(l,k)ci(k-l)+nj(k),j=1,2,...,NR]]>
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：
zk=||y||22]]>
![]()
=||WrevHatmpr||22]]>
=tr(WrevHatmprrHatmpHW)]]>
![]()
=||rtmp||22]]>
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。
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。
具体实施方式
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：
![]()
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。
易于发现，C可以表示成：
![]()
![]()
其中I为NT×NT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i发送的信号为ci，则第j个接收天线接收信号为
rj(k)=Σl=0L-1Σi=1NThj,i(l,k)ci(k-l)+nj(k),j=1,2,...,NR---[3]]]>
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)。
为了方便表示，我们将第k时刻各发送天线的发送信号ci(k)和接收天线的接收信号rj(k)表示成矢量的形式：
c(k)=[c1(k),c2(k),...,cNT(k)]T,]]>
r(k)=[r1(k),r2(k),...,rNR(k)]T,]]>
n(k)＝[n1(k)，n2(k)，...，nR(k)]T. [4]
则
r(k)=ΣL-0L-1H(l,k)c(k-l)+n(k).---[5]]]>
其中
H(l)=h1,1(l,k)h1,2(l,k)···h1,NT(l,k)h2,1(l,k)h2,2(l,k)···h2,NT(l,k)············hNR,1(l,k)hNR,2(l,k)···hNR,NT(l,k).]]>
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。
则接收匹配滤波器的输出可写成：
y=CrevHr]]>
![]()
=WrevHatmpr]]>
它是NT×NR的矩阵，其每列代表了一个接收天线对NR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。
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：
zk=||y||22]]>
![]()
=||WrevHatmpr||22]]>
=tr(WrevHatmprrHatmpHW)]]>
![]()
=||rtmp||22]]>
其中，rtmp和atmp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。从公式[7]可以看到，在这种发送同步序列方案下，NR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z＝(z1，z2，...，zM)(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：
τ＝argmax(z1，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NT个发送天线，在基站发送端，记长为N的原始序列为a0，a1，...，aN-1，且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：![]()
其中C为N×NT的矩阵，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，NR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j个接收天线的接收信号为
rj(k)=Σl=0L-1Σi=1NThj,i(l,k)ci(k-l)+nj(k),j=1,2,...,NR]]>
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；
然后根据公式
zk=||y||22]]>
![]()
=||WrevHatmpr||22]]>
=tr(WrevHatmprrHatmpHW)]]>
![]()
=||rtmp||22]]>
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zk即为非相干合并的结果。
(3)、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)(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：τ＝argmax(z1，z2，...，zM)。至此，移动台同步模块完成了定时同步。