線(xiàn)形小區(qū)中分布式天線(xiàn)協(xié)同的定時(shí)捕獲改進(jìn)方法?

卿朝進(jìn)，夏凌，張近，何子述，唐友喜（.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都6009；.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，成都67；.電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都67）

線(xiàn)形小區(qū)中分布式天線(xiàn)協(xié)同的定時(shí)捕獲改進(jìn)方法?

卿朝進(jìn)1，2，3，??，夏凌1，張近1，何子述2，唐友喜3
（1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都610039；2.電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，成都611731；3.電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都611731）

不精確的定時(shí)捕獲造成分布式天線(xiàn)系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降，現(xiàn)有的改善分布式天線(xiàn)系統(tǒng)定時(shí)捕獲性能的方法存在諸多不足。為進(jìn)一步提高分布式天線(xiàn)系統(tǒng)定時(shí)捕獲時(shí)的正確捕獲概率，提出了一種基于分布式天線(xiàn)協(xié)同的定時(shí)捕獲方法。該方法針對(duì)線(xiàn)形小區(qū)的平坦瑞利衰落信道場(chǎng)景，利用兩根分布式接收天線(xiàn)接收來(lái)自單天線(xiàn)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射信號(hào)；隨后，推導(dǎo)了兩分布式接收天線(xiàn)的時(shí)延差先驗(yàn)信息，建立了協(xié)同定時(shí)捕獲的協(xié)同條件；最后，根據(jù)門(mén)限檢測(cè)方法在協(xié)同條件下進(jìn)行定時(shí)捕獲。分析與仿真結(jié)果表明，在定時(shí)捕獲時(shí)，無(wú)論移動(dòng)臺(tái)處于協(xié)同區(qū)域的哪個(gè)位置，提出方法均能有效改善各分布式接收天線(xiàn)的正確捕獲概率。

分布式天線(xiàn)；定時(shí)捕獲；協(xié)同處理；檢測(cè)門(mén)限；線(xiàn)形小區(qū)

1 引言

相對(duì)于集中式天線(xiàn)系統(tǒng)，分布式天線(xiàn)系統(tǒng)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，如增加通信系統(tǒng)容量、節(jié)省通信系統(tǒng)的發(fā)射功率和降低系統(tǒng)的中斷概率等［1－2］。作為第四代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，分布式天線(xiàn)系統(tǒng)成為近年來(lái)世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)［3－4］。

與此同時(shí)，定時(shí)捕獲錯(cuò)誤造成通信系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降［5－7］，改善分布式天線(xiàn)系統(tǒng)的定時(shí)捕獲性能是一直以來(lái)的研究熱點(diǎn)［8－13］。然而，在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，文獻(xiàn)［8－10］還沒(méi)有將分布式接收天線(xiàn)間的協(xié)同處理應(yīng)用到分布式天線(xiàn)系統(tǒng)的定時(shí)捕獲中。文獻(xiàn)［11－13］作了嘗試性研究，將分布式接收天線(xiàn)間的協(xié)同處理應(yīng)用于分布式天線(xiàn)系統(tǒng)的定時(shí)捕獲。針對(duì)存在直視路徑的信道場(chǎng)景，文獻(xiàn)［11］提出天線(xiàn)位置信息輔助的協(xié)同定時(shí)捕獲方法：在定時(shí)捕獲時(shí)，利用各天線(xiàn)位置信息建立協(xié)同處理的協(xié)同條件，推導(dǎo)出發(fā)射信號(hào)傳輸時(shí)延的最大似然估計(jì)。文獻(xiàn)［12］針對(duì)平坦瑞利衰落信道，利用各分布式天線(xiàn)的覆蓋能力信息建立協(xié)同定時(shí)捕獲的協(xié)同處理?xiàng)l件，并推導(dǎo)出發(fā)射信號(hào)到達(dá)各分布式接收天線(xiàn)的傳輸時(shí)延的協(xié)同最大似然估計(jì)。文獻(xiàn)［13］將協(xié)同定時(shí)捕獲引入到基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）調(diào)制的分布式天線(xiàn)系統(tǒng)中，在不增加各分布式接收天線(xiàn)的虛警概率的條件下，構(gòu)建出系統(tǒng)所需的協(xié)同檢測(cè)門(mén)限。

雖然文獻(xiàn)［11－13］提出的協(xié)同處理方法在一定程度上改善了分布式天線(xiàn)系統(tǒng)的定時(shí)捕獲性能，但這些方法仍存在不足。文獻(xiàn)［11］和［12］均假設(shè)“移動(dòng)臺(tái)（Mobile Station，MS）發(fā)射信號(hào)始終存在”，從而在定時(shí)捕獲時(shí)可不利用檢測(cè)門(mén)限對(duì)發(fā)射信號(hào)的存在性進(jìn)行判斷。文獻(xiàn)［11］和［12］算法的前提過(guò)于理想，不適合工程應(yīng)用。雖然文獻(xiàn)［13］考慮門(mén)限檢測(cè)，對(duì)基于OFDM調(diào)制的分布式天線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)捕獲，然而需要預(yù)設(shè)期望的檢測(cè)概率，算法的實(shí)效性受限。

針對(duì)文獻(xiàn)［11－13］的不足，本文作改進(jìn)性研究。不同于文獻(xiàn)［11］和［12］的方法，本文提出的方法基于門(mén)限檢測(cè)，彌補(bǔ)了文獻(xiàn)［11］和［12］的不足。同時(shí)，有別于文獻(xiàn)［13］的定時(shí)捕獲方法，本文提出的方法無(wú)需預(yù)設(shè)期望的檢測(cè)概率，可提高文獻(xiàn)［13］方法的實(shí)效性。為簡(jiǎn)化研究，本文研究場(chǎng)景假設(shè)為兩根分布式接收天線(xiàn)接收來(lái)自線(xiàn)形小區(qū)［14］平坦瑞利信道的單天線(xiàn)MS的信號(hào)。提出方法首先根據(jù)MS發(fā)射信號(hào)到達(dá)兩分布式接收天線(xiàn)DRX1和DRX2的時(shí)延差先驗(yàn)信息，建立協(xié)同定時(shí)捕獲的協(xié)同條件；隨后，推導(dǎo)出天線(xiàn)定時(shí)捕獲所需的檢測(cè)門(mén)限；最后，根據(jù)門(mén)限檢測(cè)方法在協(xié)同條件下進(jìn)行定時(shí)捕獲。分析與仿真結(jié)果表明，在定時(shí)捕獲時(shí)，無(wú)論移動(dòng)臺(tái)處于協(xié)同區(qū)域的哪個(gè)位置，提出方法均能有效提高各分布式接收天線(xiàn)的正確捕獲概率。

2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，兩分布式天線(xiàn)DRX1和DRX2的位置分別為0和R，高度分別為hRX，1和hRX，2，MS的高度為hMS。DRX1和DRX2共同完成線(xiàn)形小區(qū)區(qū)間［0，R］上MS的定時(shí)捕獲。

其中，ξi（i＝1，2）為平均路徑損耗和對(duì)數(shù)陰影衰落影響的功率增益因子［15］，hi（i＝1，2）為小尺度衰落信道系數(shù)［15］，這里模型化為零均值、單位方差的復(fù)高斯隨機(jī)變量；τ1T和τ2T分別為MS的發(fā)射信號(hào)到DRX1和DRX2的傳播時(shí)延，τi（i＝1，2）是按照周期T進(jìn)行歸一化處理后的時(shí)間延遲，是本文的待估計(jì)參量，不失一般性，取0＜τi≤L－1；n1（t）和n2（t）為零均值的復(fù)高斯白噪聲，噪聲功率為。

3 定時(shí)捕獲方法

3.1 協(xié)同先驗(yàn)信息

根據(jù)系統(tǒng)模型的描述，MS的發(fā)射信號(hào)在協(xié)同區(qū)域內(nèi)能被分布式天線(xiàn)DRX1和DRX2共同感知。在進(jìn)行天線(xiàn)擺放時(shí)，協(xié)同區(qū)域可根據(jù)天線(xiàn)的覆蓋能力確定；在非自由空間場(chǎng)景中，該區(qū)域通常為圖1中的［0，R］上的一部分。為節(jié)省開(kāi)銷(xiāo)，協(xié)同區(qū)域通常不包括DRX1和DRX2所在的位置。從而，在假設(shè)v為

假設(shè)搜索步長(zhǎng)為T(mén)，于是有τ0＝「R／（vT），其中「X表示對(duì)X作向上取整運(yùn)算。

3.2 定時(shí)捕獲檢測(cè)門(mén)限

在傳統(tǒng)的定時(shí)捕獲方法［16］基礎(chǔ)上，DRX1和DRX2處的定時(shí)捕獲首先利用基于門(mén)限檢測(cè)的互相關(guān)方法進(jìn)行處理。接收信號(hào)與已知訓(xùn)練序列的互相關(guān)運(yùn)算為

其中，T0為觀(guān)察間隔。不失一般性，T0＝LT，從而DRX1和DRX2可以觀(guān)測(cè)到整個(gè)的訓(xùn)練序列。

假設(shè)τi（i＝1，2）的估計(jì)量為＾τi，根據(jù)基于門(mén)限檢測(cè)的捕獲方法［16］，有

其中，0＜τi≤L－1，Th，i表示DRXi處的檢測(cè)門(mén)限。若不等式｜Ci（＾τi）｜2≥Th，i成立，則DRXi通過(guò)門(mén)限檢測(cè)，＾τi即為DRXi時(shí)延的估計(jì)量；否則，DRXi漏檢或MS沒(méi)有發(fā)射信號(hào)。

當(dāng)沒(méi)有MS發(fā)射信號(hào)存在時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)［17］知，｜Ci（τi，NS）｜服從瑞利分布，其概率密度函數(shù)為其中，｜Ci（τi，NS）｜表示沒(méi)有MS發(fā)射信號(hào)存在時(shí)，在延遲τi，NS處互相關(guān)運(yùn)算的模。因此，｜Ci（τi，NS）｜2可模型化為自由度為2的χ2分布，其概率密度函數(shù)為［18］

于是，根據(jù)給定的預(yù)定虛警概率PFA，可得到檢測(cè)門(mén)限Th，i為其中，σi可由無(wú)MS發(fā)射信號(hào)存在時(shí)估計(jì)得到。

3.3 天線(xiàn)協(xié)同的定時(shí)捕獲

式（5）所述的定時(shí)捕獲還沒(méi)有考慮DRX1和DRX2間的協(xié)同處理。這里，利用式（3）作為協(xié)同條件，在進(jìn)行定時(shí)捕獲時(shí)，實(shí)現(xiàn)DRX1和DRX2的協(xié)同處理，從而去除在MS發(fā)射信號(hào)存在的情況下定時(shí)捕獲的一部分錯(cuò)誤，提高正確捕獲概率。在進(jìn)行定時(shí)捕獲時(shí)，DRX1和DRX2協(xié)同處理的算法如下。

Step1：DRX1和DRX2分別進(jìn)行定時(shí)捕獲預(yù)估計(jì)，即根據(jù)式（5）獲取估計(jì)量，i＝1，2。

Step2：判斷各天線(xiàn)是否能通過(guò)門(mén)限檢測(cè)，即判斷不等式｜C1（＾τ1）｜2≥Th，1和｜C2）｜2≥Th，2是否成立。若不等式｜C1）｜2≥Th，1和｜C2（）｜2≥，2中存在不等式不成立，則DRX1和DRX2可能有天線(xiàn)漏檢或MS沒(méi)有發(fā)射信號(hào)，若?｜Ci）｜2≥Th，i，則＾（根據(jù)式（5）得到）為DRXi最終時(shí)延估計(jì)量，也即是

隨后，結(jié)束此次定時(shí)捕獲處理流程，即轉(zhuǎn)入Step7；否則，轉(zhuǎn)入Step3。

隨后，轉(zhuǎn)入Step7；否則，轉(zhuǎn)入Step4。

Step4：式（5）得到的估計(jì)量＾τ1和＾τ2中必有錯(cuò)誤（其中之一錯(cuò)誤或兩個(gè)估計(jì)量均錯(cuò)），需重新估計(jì)。取l1和l2的區(qū)間為

隨后，結(jié)束此次定時(shí)捕獲處理流程，即轉(zhuǎn)入Step7；否則，轉(zhuǎn)入Step6。

Step6：有｜C1（＾τ1，1）｜2＜Th，1且｜C2（＾τ2，1）｜2≥Th，2，取＾τ1（根據(jù)式（5）得到）和＾τ2，1（根據(jù)Step4得到）分別為DRX1和DRX2最終時(shí)延估計(jì)量。此時(shí)，DRX1和DRX2最終時(shí)延估計(jì)量＾τ1和＾τ2，1可等效表示為

Step7：結(jié)束本次定時(shí)捕獲處理流程，等待下一次定時(shí)捕獲處理。

根據(jù)算法步驟Step1至Step7，分布式天線(xiàn)DRX1和DRX2便可完成對(duì)MS信號(hào)的協(xié)同定時(shí)捕獲。

4 數(shù)值仿真

為驗(yàn)證提出方法的有效性，本小節(jié)對(duì)提出方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真中，DRX1和DRX2間的距離R＝500m，訓(xùn)練序列為Zadoff-Chu序列［19］，訓(xùn)練序列長(zhǎng)度L＝1 024，T＝1／1.5μs；假設(shè)DRX1和DRX2的高度hRX，1和hRX，2相同，取為hRX，1＝hRX，2＝6m。MS的高度為hMS＝1m；虛警概率PFA＝10－6，DRX1和DRX2噪聲功率相當(dāng)，即≈檢測(cè)門(mén)限根據(jù)式（9）確定。

仿真中，取大尺度衰落模型為文獻(xiàn)［20］所述路徑損耗與陰影衰落合并模型，即

其中，γ為路徑損耗因子；d0為參考距離；MS到 DRXi的距離為di，有為零均值的高斯隨機(jī)變量，K＝（λ／4πd0）2，其中，λ為載波波長(zhǎng)；Pr，i為DRXi的接收功率，MS的發(fā)射功率為Pt。根據(jù)文獻(xiàn)［20］，考慮2 GHz載波頻率的郊區(qū)場(chǎng)景，可取γ＝3，d0＝1m，φdB的標(biāo)準(zhǔn)差為＝3.7；λ＝0.15m（波長(zhǎng)）。DRX1和DRX2的噪聲功率為－100 dBm。假設(shè)MS的發(fā)射功率Pt保持不變（也即是無(wú)論MS處于線(xiàn)形小區(qū)［0，R］上的什么位置，MS均以相同的功率發(fā)射信號(hào)），圖2和圖3分別給出了Pt＝－30 dBm和Pt＝－20 dBm時(shí)DRX1和DRX2的正確捕獲概率與MS位置的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖2和圖3可以看出，相對(duì)于不進(jìn)行協(xié)同處理，DRX1和DRX2的協(xié)同處理使得DRX1和DRX2的正確捕獲概率均得以改善。

當(dāng)MS的位置為x＝0時(shí)，MS距離DRX1近而距離DRX2遠(yuǎn)，DRX1的接收信噪比通常較高而DRX2的接收信噪比通常較低。從圖2和圖3可以看出，定時(shí)捕獲并沒(méi)有因?yàn)镈RX2的協(xié)同引入而降低DRX1正確捕獲概率（DRX1正確捕獲概率保持在約100%）。類(lèi)似的情形也發(fā)生在x＝R時(shí)。因此，提出算法具有健壯性。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有的改善分布式天線(xiàn)系統(tǒng)定時(shí)捕獲性能的方法的不足，提出了一種基于分布式天線(xiàn)協(xié)同的定時(shí)捕獲方法。該方法針對(duì)線(xiàn)形小區(qū)平坦瑞利信道場(chǎng)景，根據(jù)兩分布式接收天線(xiàn)的時(shí)延差先驗(yàn)信息，建立協(xié)同定時(shí)捕獲的協(xié)同條件，隨后根據(jù)門(mén)限檢測(cè)方法在協(xié)同條件下進(jìn)行定時(shí)捕獲。分析與仿真結(jié)果表明，在定時(shí)捕獲時(shí)，無(wú)論移動(dòng)臺(tái)處于協(xié)同區(qū)域的哪個(gè)位置，提出方法均能有效改善各分布式接收天線(xiàn)的正確捕獲概率。研究結(jié)果對(duì)分布式天線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有理論指導(dǎo)意義。同時(shí)，更為復(fù)雜的多徑瑞利信道場(chǎng)景有待進(jìn)一步研究。

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QING Chao-jin was born in Anyue，Sichuan Province，in 1978.He received the M.S.degree and the Ph.D.degree in 2006 and 2011，respectively.His research concerns detection and synchronization in wirelessmobile communication systems.

Email：qingchj＠uestc.edu.cn

夏凌（1962—），女，四川成都人，1990年和2009年分別獲碩士和博士學(xué)位，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理；

XIA Ling was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1962. She received the M.S.degree and the Ph.D.degree in 1990 and 2009，respectively.Her research concerns signal and information processing.

Email：13618065236＠139.com

何子述（1962—），男，博士，教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ艂刹?、MIMO雷達(dá)理論；

HE Zi-shu was born in 1962.He is now a professor with the Ph.D.degree and also the Ph.D.supervisor.His research concerns communication detection and MIMO radar theory.

Email：zshe＠uestc.edu.cn

唐友喜（1964—），男，1993年和1997年分別獲碩士學(xué)位和博士學(xué)位，現(xiàn)為教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)與移動(dòng)通信中的信號(hào)處理。

An IMproved TiMing Acquisition Method w ith Cooperation of Distributed Antennas in Linear Cell

QING Chao-jin1，2，3，XIA Ling1，ZHANG jin1，HE Zi-shu2，TANG You-xi3
（1.School of Electrical and Information Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China；3.National Key Laboratory of Science and Technology on Communications，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

The inaccuracies of timing acquisition significantly degrade the performance of distributed antenna systems（DAS）.In the existingmethods，there aremany insufficiencies to improve the timing acquisition performance.To accommodate and compensate these insufficiencies，a timing acquisitionmethod with the cooperation of distributed receive antennas is proposed.In the flat Rayleigh channels of linear cell，two distributed receive antennas are adopted to receive the signal transmitted froMthe mobile station（MS）with a single antenna. Then，a precondition of cooperation is exploited by utilizing the prior information of the time-delays difference froMthe two distributed receive antennas.With the exploited cooperation precondition，the timing acquisition based on themethod of threshold detection is performed at each distributed antenna.Analysis and simulations show that the probability of correctacquisition for each distributed antenna can be improved according to the proposed method wherever the MS is located.

distributed antenna；timing acquisition；cooperation processing；detection threshold；linear cell

xiwasborn in 1964.He

theM.S.degree and the Ph.D.degree in 1993 and 1997，respectively.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns wirelessmobile systemswith emphasis on signal processing in communications.

The National Natural Science Foundation of China（No.60901018，60902027，U1035002／L05，61001087）；The NationalHigh-tech R＆DPrograMof China（863Program）（2009AA01Z236）；The National Scienceand Technology Major Projectof theMinistry of Scienceand Technology（2009ZX03003－008－01）；The National Key Technology Research and Development PrograMof the Ministry of Science and Technology（2010ZX03003－002，2011ZX03001－006－01）；The Fundamental Research Funds for the Central Universities（ZYGX2009J010，ZYGX2009J008）；The China Postdoctoral Science Foundation（2012M511920）；The Chunhui Plan of Ministry of Education（Z2011091）；The Research Foundation of Education Bureau of Sichuan Province（12ZA161）；The Key Projects of Xihua University（Z1120941）

TN914

A

1001－893X（2013）06－0777－05

卿朝進(jìn)（1978—），男，四川安岳人，2006年和2011年分別獲碩士和博士學(xué)位，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)與移動(dòng)通信系統(tǒng)中的同步與信號(hào)檢測(cè)技術(shù)；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.021

2013－01－05；

2013－04－12 Received date：2013－01－05；Revised date：2013－04－12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60901018，60902027，U1035002／L05，61001087）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2009AA01Z236）；國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2009ZX03003－008－01）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2010ZX03003－002，2011ZX03001－006－01）；中央高?；鹳Y助項(xiàng)目（ZYGX2009J010，ZYGX2009J008）；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（2012M511920）；教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目（Z2011091）；四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（12ZA161）；西華大學(xué)校重點(diǎn)項(xiàng)目（Z1120941）

??通訊作者：qingchj＠uestc.edu.cn Corresponding author：qingchj＠uestc.edu.cn

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