基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法技术

本发明专利技术提供了一种基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法，包括：用户设备生成基带序列信号，将其插入基带帧信号中，进行发送处理；基站端进入同步捕获模式，对各路接收的基带信号进行相关运算，寻找峰值，得到各路同步起始位置；上位机对上述各路同步起始位置进行联合判决，得到统一估计起始位置；基站端进入同步跟踪模式，同时由统一估计起始位置实施下行同步；用户设备接收信号处理为基带信号。本发明专利技术提供的基于大规模MIMO系统的定时同步方法能够很好地完成上下行的联合定时同步，有效利用基站端大规模多天线的条件，同步定位精度高，鲁棒性强，同时FPGA实现复杂度和资源消耗量低，适用于实际工程的应用。

【技术实现步骤摘要】
基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法
本专利技术属于通信
，涉及一种基于时分双工TDD基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法。
技术介绍
随着智能手机和平板电脑等移动设备的普及，无线通信数据的流量呈现了爆炸式的增长。现有的通信技术如LTE和Wi-Fi等难以满足急剧增长的吞吐量需求，因此新一代移动通信技术的研究被提上了日程。下一代移动通信的前沿技术之一是大规模MIMO，它的特征之一是在基站端配置几十甚至上百根天线，用来服务总天线数量相对较少的用户设备。通过部署大量的天线，大规模MIMO的信道容量以及链路可靠性较常规MIMO有了大幅提升。目前关于大规模MIMO的研究，基于TDD双工模式的模型占了多数，这是为了利用时分双工TDD条件下的信道互易性，方便发射机对信道信息的获取。由于下一代移动通信的标准尚在研制之中，目前并未出现针对大规模MIMO的统一标准。TDD-LTE协议规定的物理层采用正交频分复用(OFDM)技术，将全部可用带宽分为多个互相正交的子带，以子带携带调制后数据。OFDM系统能够有效消除符号间干扰(ISI)，但在多径条件下子载波干扰(ICI)会破坏子载波间的正交性，引入循环前缀的保护间隔能够有效对抗ICI，但如果接收机的定时同步不准确，定时位置超出了循环间隔的保护范围，会使得系统性能降级，这就对定时同步提出了严格的要求。现阶段的TDD-LTE的定时同步一般采用序列来实现，序列信号(PSS和SSS)作为下行信号的一部分，由基站端发出，用户设备接收到下行信号后与本地序列通过互相关运算找到峰值即定时偏移点，然后根据该定时偏移点调整上行信号的发送。但该方法的不足在于定时同步的过程在用户设备上进行，占用了用户设备的运算资源，增加了功耗，同时未能利用基站端多天线，尤其是大规模多天线条件下的优势。可见，目前的定时同步方法上存在不足。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种基于时分双工TDD基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法，在一定程度上以TDD-LTE蜂窝系统作为参考标准，遵循类似TDD-LTE协议规定的帧结构以及时频资源的分配方法，同时在其基础上作了适当改进。为了达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法，包括如下步骤：步骤1，用户设备生成基带序列信号，将其插入基带帧信号中，进行发送处理；步骤2，基站端接收信号，进入同步捕获模式，对各路接收的基带信号进行运算，寻找峰值，得到各路同步起始位置；上位机对上述各路同步起始位置进行联合判决，得到定时位置期望值；步骤3，基站端进入同步跟踪模式，同时由定时位置期望值实施下行同步；步骤4，用户设备接收信号处理为基带信号。进一步的，所述步骤1中，基带序列信号基于以下公式产生：上式中，u∈{25,29,34}，表示与小区号有关的参数，n表示基带信号采样点。进一步的，所述步骤2中，基站端全部射频端口工作在收状态，所述峰值通过以下公式确定：上式中，R(n)通过以下公式进行计算：上式中，m是距离现在的离散时间值，L表示相关窗长；所述各路同步起始位置通过以下公式计算：上式中，ncurrent(i)表示当前接收信号点位置，表示基站第i路信号峰值位置，nhardware(i)表示具体实现时的固定硬件处理延时，Lbase表示数字域帧长。进一步的，所述步骤2中，计算定时位置期望值是将各路基带信号起始位置按大小排序，去除最高和最低的1/4的样本数据，对剩余数据求平均得到，计算公式如下：上式中，假设基站部署天线总数为M，则是对各路基带信号起始位置按大小排序后的结果。进一步的，所述步骤3中，所述同步跟踪模式中将上述有效同步位置期望值连同一个触发信号下发至基站端；所述下行同步包括以下步骤：由上述有效同步位置期望值调整下行基带信号的流动时序；由上述有效同步位置期望值调整射频端口的工作状态。进一步的，在步骤3中基站端进入同步跟踪模式前还包括有效性检验步骤：判断有效同步位置期望值是否有效，当有效时执行步骤3。进一步的，所述有效性检验步骤中判断方法包括：当基站处于失步状态，采取的有效性检验方法为将与基站端启动时默认设置的统一起始位置做比较，若两者不等，则判断有效；当基站处于同步跟踪状态，采取的有效性检验方法为将算得期望值与上一次有效期望值进行比较，当两者距离满足一定条件时判定该期望值有效。进一步的，所述调整下行基带信号的流动时序步骤，通过块存储器的缓存功能实现，块存储器的写入读取使能信号的产生方式公式如下：上式中，T表示对块存储器写入或读出，F表示不写或不读，Lbase表示数字域帧长，UDL表示帧结构中下行信号点的集合，C(n)表示当前基带信号源产生信号对应的计数。进一步的，调整射频端口的工作状态步骤中，使能信号按如下公式产生：上式中，T表示使射频口工作在发状态，F表示使射频口工作在收状态，UDL表示帧结构中下行信号点的集合，C(n)表示当前基带信号源产生信号对应的计数，Lbase表示数字域帧长，LDUC表示上采样信号帧长。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：本专利技术提供的基于大规模MIMO系统的定时同步方法能够很好地完成上下行的联合定时同步，有效利用基站端大规模多天线的条件，同步定位精度高，鲁棒性强，同时FPGA实现复杂度和资源消耗量低，适用于实际工程的应用。本专利技术解决了现有技术的缺陷，减少TDD大规模MIMO系统上下行定时同步的硬件实现难度、成本和功耗。附图说明图1为本专利技术提供的基于基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法步骤流程图。图2为本专利技术提出的基于TDD-LTE的改进帧结构示意图。图3为基站配置不同数目天线时，本专利技术在实际硬件测试中得到的同步性能对比。具体实施方式以下将结合具体实施例对本专利技术提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。本专利技术提供的基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法基于FPGA实现，FPGA是最常用的硬件开发半定制电路，众多与之相关的辅助开发产品也加速了FPGA的更新发展脚步。利用NationalInstrument(NI)的PXI平台进行FPGA开发，打破了硬件编程语言进行FPGA开发的传统，NI的LabVIEW的基于图形语言的编程思想使得硬件开发更加便捷，开发周期大大缩短，硬件开发人员可以将更多精力放在算法实现上。但是，FPGA的资源毕竟有限，因此，我们在FPGA上实现算法时不仅保证了精确性，还降低了硬件资源利用率。本专利技术主要流程如图1所示，包括以下步骤：步骤101：用户设备生成基带序列信号。在本步骤中，时域基带序列信号基于以下公式产生：上式中，u∈{25,29,34}，表示与小区号有关的参数，n表示基带信号采样点，基带模块的工作时钟为30.72MHz。本专利技术中，时域基带序列信号的产生可以使用将数据预先写入随机存储器然后读出的方式。由于通过使用随机存储器，能够节省大量的运算环节，从而降低了硬件实现的复杂度。步骤102：将上述基带序列信号重复产生数个完整周期后，插入基带帧信号的0号子帧的头部。图2是TDD-LTE协议所规定的无线帧加以适当修改后的帧结构。具体地说，一个无线帧的总时长为10毫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，用户设备生成基带序列信号，将其插入基带帧信号中，进行发送处理；步骤2，基站端接收信号，进入同步捕获模式，对各路接收的基带信号进行运算，寻找峰值，得到各路同步起始位置；上位机对上述各路同步起始位置进行联合判决，得到定时位置期望值；步骤3，基站端进入同步跟踪模式，同时由定时位置期望值实施下行同步；步骤4，用户设备接收信号处理为基带信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，用户设备生成基带序列信号，将其插入基带帧信号中，进行发送处理；步骤2，基站端接收信号，进入同步捕获模式，对各路接收的基带信号进行运算，寻找峰值，得到各路同步起始位置；上位机对上述各路同步起始位置进行联合判决，得到定时位置期望值；步骤3，基站端进入同步跟踪模式，同时由定时位置期望值实施下行同步；步骤4，用户设备接收信号处理为基带信号。2.根据权利要求1所述的基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法，其特征在于，所述步骤1中，基带序列信号基于以下公式产生：上式中，u∈{25,29,34}，表示与小区号有关的参数，n表示基带信号采样点。3.根据权利要求1所述的基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法，其特征在于，所述步骤2中，基站端全部射频端口工作在收状态，所述峰值通过以下公式确定：上式中，R(n)通过以下公式进行计算：上式中，m是距离现在的离散时间值，L表示相关窗长；所述各路同步起始位置通过以下公式计算：上式中，ncurrent(i)表示当前接收信号点位置，表示基站第i路信号峰值位置，nhardware(i)表示具体实现时的固定硬件处理延时，Lbase表示数字域帧长。4.根据权利要求1所述的基于大规模MIMO的上下行联合定时同步硬件实现方法，其特征在于，所述步骤2中，计算定时位置期望值是将各路基带信号起始位置按大小排序，去除最高和最低的1/4的样本数据，对剩余数据求平均得到，计算公式如下：上式中，假设基站部署天线总数为M，则是对各路基带信号起始位置按大小...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永明，韩紫健，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32