分布式天线协同感知的定时捕获

2013-07-20卿朝进魏金成何子述唐友喜

计算机工程与应用 2013年18期

关键词：虚警门限分布式

卿朝进，魏金成，夏凌，何子述，唐友喜

1.西华大学电气信息学院，成都 610039

2.电子科技大学电子工程学院，成都 611731

3.电子科技大学通信抗干扰技术国家重点实验室，成都 611731

分布式天线协同感知的定时捕获

卿朝进1，2，3，魏金成1，夏凌1，何子述2，唐友喜3

1.西华大学电气信息学院，成都 610039

2.电子科技大学电子工程学院，成都 611731

3.电子科技大学通信抗干扰技术国家重点实验室，成都 611731

1 引言

相对于单天线系统，多天线系统在不增加系统的发射功率和带宽的情况下可增加系统的数据速率和覆盖范围[1]。然而，在集中式天线系统（Centralized Antenna Systems，CAS）中，多天线系统的这些优势受到限制[1-2]。相对于集中式天线系统，分布式天线系统（Distributed Antenna Systems，DAS）拥有诸如增加通信系统的系统容量，节省通信系统的发射功率和降低系统的中断概率等优点[2-4]。作为第四代无线通信系统的关键技术，分布式天线技术引起了世界范围内专家和学者的广泛研究兴趣，是近年来的研究热点[5-6]。

与此同时，定时捕获错误造成通信系统性能的严重下降[7-9]，改善定时捕获性能是分布式天线系统一直以来的主要任务[10-14]。在现有的文献中，文献[10-12]的定时捕获还没有运用到分布式接收天线间的协同处理。针对存在直视路径的信道场景，利用各天线位置信息，文献[13]提出天线位置信息辅助的协同定时捕获方法。文献[14]针对平坦瑞利衰落信道，利用各分布式天线的覆盖能力信息，提出基于覆盖区域辅助的协同定时捕获方法。

虽然文献[13]和文献[14]提出的协同捕获方法在一定程度上改善了分布式天线系统的定时捕获性能，但仍存在不足。首先，文献[13]和文献[14]均假设“移动台（Mobile Station，MS）发射信号始终存在”，在定时捕获时可不利用检测门限对发射信号的存在性进行判断。这种假设过于理想，不适合工程应用。

为此，本文提出基于分布式接收天线协同感知的定时捕获方法，以弥补文献[13]和文献[14]的不足。在线形小区[15]的平坦瑞利衰落信道中，两根分布式接收天线接收来自单天线MS的信号。提出方法首先根据中心处理器处的协同感知，确保各分布式接收天线的预定虚警概率；随后，为门限检测推导出协同处理门限；最后，各分布式接收天线根据门限检测进行分布式天线系统的最大似然定时捕获。分析与仿真结果表明，在定时捕获时，无论移动台处于协同区域的哪个位置，提出方法均能有效改善各分布式接收天线的正确捕获概率和漏检概率。

2 系统模型

系统模型如图1所示，两分布式天线DRX1和DRX2的位置分别为0和R，MS的位置用x表示。DRX1和DRX2共同完成协同区域（图1中的[ ] 0，R）上的MS的定时捕获。

图1 系统模型

3 定时捕获方法

3.1 检测门限

在传统的定时捕获方法[17]基础上，DRX1和DRX2处的定时捕获首先利用基于门限检测的互相关方法进行处理。接收信号与已知训练序列的互相关运算为：

其中，T0为观察间隔。不失一般性，取T0=LT。

当DRX1和DRX2不采用协同定时捕获时，各天线根据文献[13]和文献[14]，并结合门限检测有最大似然估计为：

其中，Th，i表示DRXi处的检测门限。若不等式|成立，则DRXi通过门限检测，否则，DRXi漏检或MS没有发射信号。

从而，虚警概率PFA为：

根据给定的预定虚警概率PFA，检测门限Th，i为：

式（6）为各天线单独定时捕获时采用的检测门限，下面根据中心处理器处的虚警概率保证DRX1和DRX2处的虚警概率不超过预定的虚警概率（本文中为PFA），从而制定DRX1和DRX2处的协同检测门限

在协同定时捕获时，假设DRX1和DRX2处的虚警概率分别为PFA，1和PFA，2。不失一般性，取PFA，1=PFA，2。根据文献[20]所述的数据融合准则，中心处理器处的虚警概率为：从而，可取用PFA，1或PFA，2替代公式（6）中的PFA，可得检测门限的表达式为：

根据式（6）和式（8）所述的检测门限，下面进行协同最大似然定时捕获处理。

3.2 协同最大似然定时捕获

特别地，若根据式（9）进行定时捕获时，当DRX1和DRX2中存在未通过门限检测（也即是和不能同时满足）的天线，通过门限检测的天线需进一步校验以保证预定的虚警概率PFA不被超出。假设此时通过门限检测的天线为DRXj，DRXj的估计量为：

其中，Th，j根据式（6）得到。

4 数值仿真

为验证提出方法的有效性，该章对提出方法进行仿真验证。仿真中，取R=500 m，训练序列为Zadoff-Chu序列[21]，训练序列长度L=1 024，T=1/1.5 μs；虚警概率PFA= 10-6，DRX1和DRX2噪声功率相当，即，检测门限Th，i和分别根据式（6）和式（8）确定。

仿真中，取大尺度衰落模型为文献[16]所述路径损耗与阴影衰落合并模型，即

其中，γ为路径损耗因子；d0为参考距离；MS到DRXi的距离为di，可以表示为：φdB为零均值高斯随机变量；K=(λ/4πd0)2（λ为载波波长）；Pr，i为DRXi的接收功率，MS的发射功率为Pt。根据文献[16]，考虑2 GHz载波频率的郊区场景，可取γ=3，d0=1 m，φdB的标准差为σφdB=3.7；λ=0.15 m（波长）。DRX1和DRX2的噪声功率为-100 dBm，Pt=-20 dBm。假设MS的发射功率Pt保持不变，也即是无论MS处于协同区域什么位置，MS均以相同的功率发射信号。

图2给出了DRX1和DRX2的正确捕获概率与MS位置的关系。从图2可以看出，在协同的情况下，DRX1和DRX2的正确捕获概率均得以改善。例如，在x=250 m处，没有协同的情况下，各天线的正确捕获概率只有约72%；而引入协同后，DRX1和DRX2的正确捕获概率均提升到了约85%。

图2 DRX1和DRX2正确捕获概率与MS位置的关系

与此同时，当一个正确捕获概率很小的天线加入协同时，系统性能改善仍然不会受到影响。如在MS的位置为x=0 m处，DRX1和DRX2的正确捕获概率分别约为100%和11%；DRX2加入协同后，其正确捕获概率提高至约32%，而DRX1的正确捕获概率仍保持在约100%。从而，提出方法具有其健壮性。

图3 DRX1和DRX2的漏检概率与MS位置的关系

图3给出了DRX1和DRX2的漏检概率与MS位置的关系曲线。从图3可以看出，在DRX1和DRX2的协同下，DRX1和DRX2的漏检概率均得以降低。例如，在x=200 m时，DRX1的漏检概率从约15%降低至约7%；DRX2的漏检概率从约41%降低至约23%。

从图2和图3可以看出，无论MS处于协同区域什么位置，DRX1和DRX2的正确捕获概率均得以提高，漏检概率均得以降低。算法的适用性与MS的位置无关。

5 结束语

本文提出一种基于分布式天线协同感知的定时捕获方法，以改善分布式天线系统定时捕获的正确捕获概率与漏检概率。该方法根据中心处理器处的协同感知，确保各分布式接收天线的预定虚警概率；随后，为门限检测推导协同处理门限；最后，各天线根据门限检测进行分布式天线系统的最大似然定时捕获。仿真结果表明，无论移动台处于线形小区的哪个位置，提出方法在不增加预定虚警概率的情况下，均能改善各分布式天线的正确捕获概率和漏检概率。

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QING Chaojin1，2，3,WEI Jincheng1,XIA Ling1,HE Zishu2,TANG Youxi3

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 Lab of Science and Technology on Communications,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731,China

To increase the probability of correct acquisition and decrease the missed detection probability,a timing acquisition method with the cooperative sensing of distributed receive antennas is proposed.In the flat Rayleigh channels of linear cell,two distributed receive antennas are employed to receive the signal transmitted from the Mobile Station（MS）with a single antenna. This paper exploits the false alarm probability at the central processor to guarantee the false alarm probability at each distributed antenna.Based on the exploited probability of false alarm at the central processor,a cooperative detection threshold of each antenna is derived for threshold detection.According to the threshold detection,a Maximum-Likelihood（ML）-based timing acquisition method is proposed for Distributed Antenna Systems（DAS）.Without increasing the pre-defined probability of false alarm,the analysis and simulation results show that the correct acquisition probability and the missed detection probability for each distributed antenna can be improved with the proposed method wherever the MS is located.

cooperative sensing;DistributedAntenna Systems（DAS）;detection threshold;timing acquisition;maximum-likelihood

为提高定时捕获的正确捕获概率并降低漏检概率，提出一种基于分布式天线协同感知的定时捕获方法。该方法针对线形小区的平坦瑞利衰落信道场景，利用两根分布式接收天线接收来自单天线移动台的发射信号；根据中心处理器处的协同感知，确保各分布式接收天线的预定虚警概率，并为门限检测推导协同处理门限；各天线根据门限检测进行分布式天线系统的最大似然定时捕获。仿真结果表明，无论移动台处于线形小区的哪个位置，提出方法在不增加预定虚警概率的情况下，均能改善各分布式天线的正确捕获概率和漏检概率。

协同感知；分布式天线系统；检测门限；定时捕获；最大似然

TN914

10.3778/j.issn.1002-8331.1302-0102

QING Chaojin,WEI Jincheng,XIA Ling,et al.Timing acquisition with cooperative sensing of distributed antennas. Computer Engineering and Applications,2013,49（18）：11-14.

国家自然科学基金（No.60901018，No.60902027，No.U1035002/L05，No.61001087）；国家高技术研究发展计划（863）（No.2009AA01Z236）；国家重大科技专项（No.2009ZX03003-008-01）；国家科技支撑计划（No.2010ZX03003-002，No.2011ZX03001-006-01）；中央高校基金（No.ZYGX2009J010，No.ZYGX2009J008）；西华大学校重点项目（No.Z1120941）；四川省教育厅重点项目（No.12ZA161）；教育部春晖计划（No.Z2011091）；博士后科学基金面上资助项目（No.2012M511920）。

卿朝进（1978—），男，博士，副教授，研究领域为无线与移动通信中的信号处理；魏金成（1966—），男，副教授，研究领域为信号与信息处理；夏凌（1962—），女，博士，副教授，研究领域为信号与信息处理；何子述（1962—），男，博士，教授，研究领域为信号与信息处理；唐友喜（1964—），男，博士，教授，研究领域为无线与移动通信。E-mail：qingchj@uestc.edu.cn

2013-02-20

2013-05-23

1002-8331（2013）18-0011-04

CNKI出版日期：2013-06-18 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130618.1559.001.html