CN102710309B - 适用于大规模天线阵列的同步信号发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于大规模天线阵列的同步信号发射方法，包括以下步骤：a、基站的天线阵列为一维线阵或二维矩形阵；b、基站首先生成原始同步信号，使用加权矢量将原始同步信号映射到各个天线或波束端口，映射后的同步信号经各天线发出；c、在不同时刻可以使用彼此低相关的加权矢量以实现发射分集。本发明当基站的天线阵列为一维线阵或二维矩形阵时，通过使用循环正交序列作为加权矢量将原始同步信号映射到各天线或波束端口，能够实现同步信号在当前小区（或扇区）内的全向覆盖，其实现复杂度低，在不同的场景间具有通用性，能够最大程度利用发射功率，可以在较短时间内实现全向覆盖。

Description

适用于大规模天线阵列的同步信号发射方法

技术领域

本发明涉及一种在基站侧使用大规模天线阵列的移动通信系统，尤其涉及在大规模天线阵列中实现同步信号的发射。

背景技术

为适应未来发展的需要，移动通信系统要求能够支持高达每秒数百兆甚至上千兆比特的高速分组数据传输，在无线频谱资源日趋紧张的情况下，采用多天线发送和多天线接收（MIMO）的无线传输技术，在过去十余年来一直是移动通信领域研究的主流技术之一。受到天线数量的限制（以3GPP的LTE-A为例，其在基站侧最多支持8根传输天线），传统的MIMO技术的频谱效率仍然较低，因此在基站侧使用更多的天线配置以进一步发掘空间维度资源，是未来移动通信系统的发展趋势之一。当基站被配置大规模天线（几十根甚至上百根）时，限于空间尺寸的制约，且为了利用天线间的相关性，一般采用较小的天线间距（不超过1个载波波长）。

同步是移动通信系统设计需考虑的首要问题。在一般的移动通信系统中，用户（移动台）在上电后需要首先检测同步信道以完成小区（或扇区）搜索、小区选择以及与基站间建立时频同步。由于每个用户位置的不确定性以及大量用户的位置在小区内呈均匀分布的特点，因此小区中的同步信号在发射时必须以全向形式发出，即在各个方向上同步信号的发射功率应当尽可能均匀，以此保证小区内各方向的用户能够获得均匀可靠的同步信号接收信噪比。除了同步信号，还有一些信号在从基站发射时也应具有全向特性，如广播信号，因此，本发明的覆盖范围不仅包括同步信号本身，也包括所有应具有全向特性的信号。

单天线较容易获得全向特性，而多天线由于相互干扰，较难获得全向特性。目前应用于多天线的同步信号发射方式主要有时间切换发射分集（TSTD）、预编码矢量切换（PVS）和循环延迟分集（CDD）。TSTD在同一时刻只使用1根发射天线以形成全向信号，但当天线数量较大时，其对发射功率的利用率过低，无法保证用户获得可靠的接收信噪比。PVS在不同时刻使用在空间上彼此互补的波束以实现对空间区域的覆盖，若要获得可靠的接收信噪比则需对多次接收信号进行合并，当天线数量较大时会造成同步时间过长。CDD在不同天线上发送彼此循环移位的同步信号以保证全向特性，但会在接收端带来伪多径效应，对应的同步算法较为复杂。因此，现有的同步信号发射方式无法适用于发射天线数较多的大规模天线阵列。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于大规模天线阵列的同步信号发射方法，能够实现同步信号在小区中的全向覆盖，为各个方向的用户提供均匀可靠的同步信号接收信噪比。

本发明采用的技术方案是：一种适用于大规模天线阵列的同步信号发射方法，包括以下步骤：

a、基站天线配置

基站侧的发射天线配置既可以是传统的阵列天线，也可以是多波束天线。无论是哪种天线，其天线阵列既可以是一维线阵，也可以是二维矩形阵。阵列中每个天线可采用单极化或多极化天线。所有天线的方向图应相同。

b、同步信号发射

基站首先生成原始同步信号，此信号可视情况进行选择，本发明对其不做出任何约束。生成好的同步信号与加权矢量一起被送入全向信号生成器，在全向信号生成器中，同步信号在乘以加权矢量后，由1路变成多路被输出，然后送入各个天线或波束端口进行发射。加权矢量可以使用循环正交序列，Zadoff-Chu（ZC）序列就是循环正交序列的一种。

作为加权矢量序列应具有理想或近似理想的周期自相关或非周期自相关特性，以使得从天线发出的同步信号具有全向特性，此外此序列应具有恒模或近似恒模特性，以使得发射机功率能够被充分利用。ZC序列就是一种具有理想周期自相关特性的恒模序列，其可以被用来作为加权矢量。

c、发射分集

为避免低速移动的用户与基站间的等效信道长时间处于深衰落，可以在前后若干次发射同步信号时，使用彼此低相关的加权矢量，以实现发射分集。

本发明提出在基站侧，使用循环正交序列作为加权矢量，将原始的1路同步信号向各个天线或波束端口映射成多路的方法，实现了同步信号的发射功率在空间各方向上的均匀分配，其实现复杂度低，加权矢量在各种小区配置场景间具有通用性，且避免了传统同步信号发射方法应用于大规模天线阵列时存在的功率利用率低、同步时间长等问题。

有益效果：本发明提供的适用于大规模天线阵列的同步信号发射方法，具有如下优点：

1、本方法所形成的同步信号具有全向特性；

2、本方法所提供的加权矢量的计算方法，不受天线数量以及天线方向图的限制，只要天线数量确定，就可以按照给定规则非常简单地生成一系列对应的加权矢量；

3、本方法能够最大程度利用发射功率（使用ZC序列时），可以在较短时间内实现全向覆盖。

附图说明

图1为本发明实施例提供的适用于大规模天线阵列的同步信号发射方法图示；

图2为本发明多天线阵列图示。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

使用大规模天线阵列的同步信号发射方法如图1所示。同步信号发射流程如下：

基站首先生成原始同步信号。此信号所使用的序列及其基带调制方式（如单载波或多载波调制）可视情况进行选择，本发明对其不做出任何约束。

生成好的同步信号与加权矢量一起被送入全向信号生成器101。全向信号生成器101的主要作用是使得最后从多天线阵列104发出的同步信号具有全向特性。全向信号生成器101主要包含M个乘法器101-1至101-M。在乘法器101-1至101-M上，同步信号分别与加权矢量中对应的元素相乘，因此原始的1路同步信号被扩展成M路同步信号并输出。加权矢量的具体生成方法将在后文给出。

从全向信号生成器101中输出的信号被送入发送模块102。发送模块102的主要作用是将离散基带信号变成模拟射频信号，以送入天线发射。发送模块102主要包含M个发送通道102-1至102-M。各发送通道中主要包含D/A转换模块、载波调制模块、功率放大模块以及其它必要的控制模块。

多波束形成网络103为可选模块。

当系统使用阵列天线时，多波束形成网络103不存在，多天线阵列104直接与发送模块102相连，此时M与N相等，即从发送模块102输出的M路信号被送入多天线阵列104的N=M个输入（天线）端口进行发射。

而当系统使用多波束天线时，多波束形成网络103实际存在，其包含M个输入（波束）端口，对应于多波束天线能够形成的M个波束，包含N个输出端口，对应于多天线阵列104中的N个天线，M与N可以相等也可以不相等。从发送模块102输出的M路信号被送入多波束形成网络103的M个输入（波束）端口，然后从多波束形成网络103的N个输出端口输出，然后送入多天线阵列104的N个输入（天线）端口进行发射。

多天线阵列104被配置为二维矩形阵，如图2所示，其行数为N₁（N₁＝1时退化为一维线阵），列数为N₂，满足N＝N₁×N₂。行距彼此相等为Δ₁，列距彼此相等为Δ₂，Δ₁与Δ₂一般不超过1个载波波长。每根天线都为±45度交叉极化天线。所有天线的方向图都相同。

当使用多波束天线时，多波束天线在空间中所形成的波束共有M个，与矩形阵的形状类似，其可分为垂直角度方向的M₁个波束与水平角度方向的M₂个波束，满足M＝M₁×M₂。当使用阵列天线时，满足N=M，且N₁＝M₁、N₂＝M₂。

从上面的说明可以看出，全向信号生成器101中的加权矢量总是M维的，当使用多波束天线时，其表示同步信号向M个波束端口的加权矢量，而当使用阵列天线时，其表示同步信号向N=M个天线端口的加权矢量。其第i个元素即乘法器101-i上使用的加权系数w_i的一种生成方式为

$w_i={\left[\mathrm{vec}\left(w_{M_1}{w}_{M_2}^H\right)\right]}_i---\left(1\right)$

其中与分别为长度为M₁与M₂的列矢量，(·)^H表示取共轭转置，vec(·)表示对矩阵进行矢量化操作，即这个M₁×M₂维矩阵的所有列被顺序堆放成1列成为M₁M₂×1即M×1维的列矢量，[·]_i表示取列矢量的第i行元素。在这里或被设计为长度为M₁或M₂的（一维）ZC序列。长度为K的ZC序列的生成表达式为

其中γ可选择为小于K且与K互质的任意正整数。应当注意到，通过式(2)所定义的ZC序列并没有包含所有的ZC序列，在式(2)的基础上衍生出的所有序列，若其本身为恒模序列，且其离散傅立叶变换（DFT）的结果仍为恒模序列的，都应被视为ZC序列的一种。相似的，不难发现通过式(1)得到的为二维ZC序列，其本身是恒模的，且其二维DFT的结果也是恒模序列，通过式(1)衍生出的所有二维序列也都应被视为二维ZC序列的一种。

为避免低速移动的用户与基站间的等效信道长时间处于深衰落，可以在前后若干次发射同步信号时，采用彼此低相关的加权矢量，以实现发射分集。在这里两组加权矢量与间的相关系数的定义为

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{M_1{M}_2}\·\mathrm{tr}\left(w_{M_1}^{\left(1\right)}{w}_{M_2}^{\left(1\right)H}{\left(w_{M_1}^{\left(2\right)}{w}_{M_2}^{\left(2\right)H}\right)}^H\right)$

(3)

$=\frac{1}{M}\·w_{M_1}^{\left(2\right)H}{w}_{M_1}^{\left(1\right)}\·w_{M_2}^{\left(1\right)H}{w}_{M_2}^{\left(2\right)}$

其中tr(·)表示取矩阵的迹。可以发现，与间的低相关性可以通过与或与间的低相关性获得，而与或与间的低相关性可以通过ZC序列的性质获得。对于两长度为K的ZC序列与当满足如下条件之一时，与即可获得低相关性：

a）与的γ不同；

b）相当于对进行了n次循环移位，满足n在模K下非0。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种适用于大规模天线阵列的同步信号发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、基站的天线阵列为一维线阵或二维矩形阵；所述天线采用单极化或多极化天线，并且所有天线的方向图相同；

b、基站首先生成原始同步信号，使用循环正交序列作为加权矢量将原始同步信号映射到各个天线或波束端口，映射后的同步信号经各天线发出；所述循环正交序列使用ZC序列。