專利名稱：適用于大規(guī)模天線陣列的同步信號發(fā)射方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在基站側使用大規(guī)模天線陣列的移動通信系統(tǒng)，尤其涉及在大規(guī)模天線陣列中實現同步信號的發(fā)射。
背景技術：
為適應未來發(fā)展的需要，移動通信系統(tǒng)要求能夠支持高達每秒數百兆甚至上千兆比特的高速分組數據傳輸，在無線頻譜資源日趨緊張的情況下，采用多天線發(fā)送和多天線接收(MMO)的無線傳輸技術，在過去十余年來一直是移動通信領域研究的主流技術之一。受到天線數量的限制(以3GPP的LTE-A為例，其在基站側最多支持8根傳輸天線)，傳統(tǒng)的MIMO技術的頻譜效率仍然較低，因此在基站側使用更多的天線配置以進一步發(fā)掘空間維度 資源，是未來移動通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。當基站被配置大規(guī)模天線(幾十根甚至上百根)時，限于空間尺寸的制約，且為了利用天線間的相關性，一般采用較小的天線間距(不超過I個載波波長)。同步是移動通信系統(tǒng)設計需考慮的首要問題。在一般的移動通信系統(tǒng)中，用戶(移動臺)在上電后需要首先檢測同步信道以完成小區(qū)(或扇區(qū))搜索、小區(qū)選擇以及與基站間建立時頻同步。由于每個用戶位置的不確定性以及大量用戶的位置在小區(qū)內呈均勻分布的特點，因此小區(qū)中的同步信號在發(fā)射時必須以全向形式發(fā)出，即在各個方向上同步信號的發(fā)射功率應當盡可能均勻，以此保證小區(qū)內各方向的用戶能夠獲得均勻可靠的同步信號接收信噪比。除了同步信號，還有一些信號在從基站發(fā)射時也應具有全向特性，如廣播信號，因此，本發(fā)明的覆蓋范圍不僅包括同步信號本身，也包括所有應具有全向特性的信號。單天線較容易獲得全向特性，而多天線由于相互干擾，較難獲得全向特性。目前應用于多天線的同步信號發(fā)射方式主要有時間切換發(fā)射分集(TSTD)、預編碼矢量切換(PVS)和循環(huán)延遲分集(CDD)。TSTD在同一時刻只使用I根發(fā)射天線以形成全向信號，但當天線數量較大時，其對發(fā)射功率的利用率過低，無法保證用戶獲得可靠的接收信噪比。PVS在不同時刻使用在空間上彼此互補的波束以實現對空間區(qū)域的覆蓋，若要獲得可靠的接收信噪比則需對多次接收信號進行合并，當天線數量較大時會造成同步時間過長。CDD在不同天線上發(fā)送彼此循環(huán)移位的同步信號以保證全向特性，但會在接收端帶來偽多徑效應，對應的同步算法較為復雜。因此，現有的同步信號發(fā)射方式無法適用于發(fā)射天線數較多的大規(guī)模天線陣列。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于大規(guī)模天線陣列的同步信號發(fā)射方法，能夠實現同步信號在小區(qū)中的全向覆蓋，為各個方向的用戶提供均勻可靠的同步信號接收信噪比。本發(fā)明采用的技術方案是一種適用于大規(guī)模天線陣列的同步信號發(fā)射方法，包括以下步驟a、基站天線配置
基站側的發(fā)射天線配置既可以是傳統(tǒng)的陣列天線，也可以是多波束天線。無論是哪種天線，其天線陣列既可以是一維線陣，也可以是二維矩形陣。陣列中每個天線可采用單極化或多極化天線。所有天線的方向圖應相同。b、同步信號發(fā)射基站首先生成原始同步信號，此信號可視情況進行選擇，本發(fā)明對其不做出任何約束。生成好的同步信號與加權矢量一起被送入全向信號生成器，在全向信號生成器中，同步信號在乘以加權矢量后，由I路變成多路被輸出，然后送入各個天線或波束端口進行發(fā)射。加權矢量可以使用循環(huán)正交序列，Zadoff-Chu (ZC)序列就是循環(huán)正交序列的一種。作為加權矢量序列應具有理想或近似理想的周期自相關或非周期自相關特性，以使得從天線發(fā)出的同步信號具有全向特性，此外此序列應具有恒?；蚪坪隳Ｌ匦裕允沟冒l(fā)射機功率能夠被充分利用。ZC序列就是一種具有理想周期自相關特性的恒模序列，其 可以被用來作為加權矢量。C、發(fā)射分集為避免低速移動的用戶與基站間的等效信道長時間處于深衰落，可以在前后若干次發(fā)射同步信號時，使用彼此低相關的加權矢量，以實現發(fā)射分集。本發(fā)明提出在基站側，使用循環(huán)正交序列作為加權矢量，將原始的I路同步信號向各個天線或波束端口映射成多路的方法，實現了同步信號的發(fā)射功率在空間各方向上的均勻分配，其實現復雜度低，加權矢量在各種小區(qū)配置場景間具有通用性，且避免了傳統(tǒng)同步信號發(fā)射方法應用于大規(guī)模天線陣列時存在的功率利用率低、同步時間長等問題。有益效果本發(fā)明提供的適用于大規(guī)模天線陣列的同步信號發(fā)射方法，具有如下優(yōu)點I、本方法所形成的同步信號具有全向特性；2、本方法所提供的加權矢量的計算方法，不受天線數量以及天線方向圖的限制，只要天線數量確定，就可以按照給定規(guī)則非常簡單地生成一系列對應的加權矢量；3、本方法能夠最大程度利用發(fā)射功率(使用ZC序列時)，可以在較短時間內實現全
向覆蓋。


圖I為本發(fā)明實施例提供的適用于大規(guī)模天線陣列的同步信號發(fā)射方法圖示；圖2為本發(fā)明多天線陣列圖示。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明使用大規(guī)模天線陣列的同步信號發(fā)射方法如圖I所示。同步信號發(fā)射流程如下基站首先生成原始同步信號。此信號所使用的序列及其基帶調制方式(如單載波或多載波調制)可視情況進行選擇，本發(fā)明對其不做出任何約束。生成好的同步信號與加權矢量一起被送入全向信號生成器101。全向信號生成器101的主要作用是使得最后從多天線陣列104發(fā)出的同步信號具有全向特性。全向信號生成器101主要包含M個乘法器101-1至101-M。在乘法器101-1至101-M上，同步信號分別與加權矢量中對應的元素相乘，因此原始的I路同步信號被擴展成M路同步信號并輸出。加權矢量的具體生成方法將在后文給出。從全向信號生成器101中輸出的信號被送入發(fā)送模塊102。發(fā)送模塊102的主要作用是將離散基帶信號變成模擬射頻信號，以送入天線發(fā)射。發(fā)送模塊102主要包含M個發(fā)送通道102-1至102-M。各發(fā)送通道中主要包含D/A轉換模塊、載波調制模塊、功率放大模塊以及其它必要的控制模塊。多波束形成網絡103為可選模塊。 當系統(tǒng)使用陣列天線時，多波束形成網絡103不存在，多天線陣列104直接與發(fā)送模塊102相連，此時M與N相等，即從發(fā)送模塊102輸出的M路信號被送入多天線陣列104的N=M個輸入(天線)端口進行發(fā)射。而當系統(tǒng)使用多波束天線時，多波束形成網絡103實際存在，其包含M個輸入(波束)端口，對應于多波束天線能夠形成的M個波束，包含N個輸出端口，對應于多天線陣列104中的N個天線，M與N可以相等也可以不相等。從發(fā)送模塊102輸出的M路信號被送入多波束形成網絡103的M個輸入(波束)端口，然后從多波束形成網絡103的N個輸出端口輸出，然后送入多天線陣列104的N個輸入(天線)端口進行發(fā)射。多天線陣列104被配置為二維矩形陣，如圖2所示，其行數為N1 (N1 = I時退化為一維線陣)，列數為N2，滿足N = N1XN215行距彼此相等為A1，列距彼此相等為A2,八工與A2—般不超過I個載波波長。每根天線都為±45度交叉極化天線。所有天線的方向圖都相同。當使用多波束天線時，多波束天線在空間中所形成的波束共有M個，與矩形陣的形狀類似，其可分為垂直角度方向的M1個波束與水平角度方向的M2個波束，滿足M =M1XM20當使用陣列天線時，滿足#厘，且N1 = M1^N2 = M20從上面的說明可以看出，全向信號生成器101中的加權矢量總是M維的，當使用多波束天線時，其表示同步信號向M個波束端口的加權矢量，而當使用陣列天線時，其表示同步信號向N=M個天線端口的加權矢量。其第i個元素即乘法器101-i上使用的加權系數Wi的一種生成方式為M-' = [vec(wMwf/2)]_(I)其中wM1與wM2分別為長度為M1與M2的列矢量，( )H表不取共軛轉置，vec ( )表示對矩陣進行矢量化操作，即Wff2這個M1XM2維矩陣的所有列被順序堆放成I列成為M1M2Xl即MX I維的列矢量，[*1表示取列矢量的第i行元素。在這里-^或-^被設計為長度為M1或M2的(一維)ZC序列。長度為K的ZC序列的生成表達式為
eXp(i5￡lit\ K 為偶數 KJi= 1 1(2)
[exp(i^) K為奇數其中Y可選擇為小于K且與K互質的任意正整數。應當注意到，通過式⑵所定義的ZC序列并沒有包含所有的ZC序列，在式(2)的基礎上衍生出的所有序列，若其本身為恒模序列，且其離散傅立葉變換(DFT)的結果仍為恒模序列的，都應被視為ZC序列的一種。相似的，不難發(fā)現通過式⑴得到的乂^仏為二維ZC序列，其本身是恒模的，且其二維DFT的結果也是恒模序列，通過式(I)衍生出的所有二維序列也都應被視為二維ZC序列的一種。為避免低速移動的用戶與基站間的等效信道長時間處于深衰落，可以在前后若干次發(fā)射同步信號時，采用彼此低相關的加權矢量，以實現發(fā)射分集。在這里兩組加權矢量
間的相關系數的定義為
權利要求
1.一種適用于大規(guī)模天線陣列的同步信號發(fā)射方法，其特征在于，包括以下步驟 a、基站的天線陣列為一維線陣或二維矩形陣； b、基站首先生成原始同步信號，使用加權矢量將原始同步信號映射到各個天線或波束端口，映射后的同步信號經各天線發(fā)出； C、在不同時刻可以使用彼此低相關的加權矢量以實現發(fā)射分集。
2.根據權利要求I所述的適用于大規(guī)模天線陣列的同步信號發(fā)射方法，其特征在于所述步驟a中，所述天線采用單極化或多極化天線，并且所有天線的方向圖相同。
3.根據權利要求I所述的適用于大規(guī)模天線陣列的同步信號發(fā)射方法，其特征在于所述步驟b中，所述加權矢量使用循環(huán)正交序列。
4.根據權利要求3所述的適用于大規(guī)模天線陣列的同步信號發(fā)射方法，其特征在于所述步驟b中，所述加權矢量使用ZC序列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于大規(guī)模天線陣列的同步信號發(fā)射方法，包括以下步驟a、基站的天線陣列為一維線陣或二維矩形陣；b、基站首先生成原始同步信號，使用加權矢量將原始同步信號映射到各個天線或波束端口，映射后的同步信號經各天線發(fā)出；c、在不同時刻可以使用彼此低相關的加權矢量以實現發(fā)射分集。本發(fā)明當基站的天線陣列為一維線陣或二維矩形陣時，通過使用循環(huán)正交序列作為加權矢量將原始同步信號映射到各天線或波束端口，能夠實現同步信號在當前小區(qū)(或扇區(qū))內的全向覆蓋，其實現復雜度低，在不同的場景間具有通用性，能夠最大程度利用發(fā)射功率，可以在較短時間內實現全向覆蓋。
文檔編號H04B7/06GK102710309SQ20121017792
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權日2012年5月31日
發(fā)明者仲文, 孟鑫, 江彬, 高西奇 申請人:東南大學