分布式天線協同感知的定時捕獲

卿朝進，魏金成，夏 凌，何子述，唐友喜

1.西華大學 電氣信息學院，成都 610039

2.電子科技大學 電子工程學院，成都 611731

3.電子科技大學 通信抗干擾技術國家重點實驗室，成都 611731

分布式天線協同感知的定時捕獲

卿朝進1，2，3，魏金成1，夏 凌1，何子述2，唐友喜3

1.西華大學 電氣信息學院，成都 610039

2.電子科技大學 電子工程學院，成都 611731

3.電子科技大學 通信抗干擾技術國家重點實驗室，成都 611731

1 引言

相對于單天線系統(tǒng)，多天線系統(tǒng)在不增加系統(tǒng)的發(fā)射功率和帶寬的情況下可增加系統(tǒng)的數據速率和覆蓋范圍[1]。然而，在集中式天線系統(tǒng)（Centralized Antenna Systems，CAS）中，多天線系統(tǒng)的這些優(yōu)勢受到限制[1-2]。相對于集中式天線系統(tǒng)，分布式天線系統(tǒng)（Distributed Antenna Systems，DAS）擁有諸如增加通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量，節(jié)省通信系統(tǒng)的發(fā)射功率和降低系統(tǒng)的中斷概率等優(yōu)點[2-4]。作為第四代無線通信系統(tǒng)的關鍵技術，分布式天線技術引起了世界范圍內專家和學者的廣泛研究興趣，是近年來的研究熱點[5-6]。

與此同時，定時捕獲錯誤造成通信系統(tǒng)性能的嚴重下降[7-9]，改善定時捕獲性能是分布式天線系統(tǒng)一直以來的主要任務[10-14]。在現有的文獻中，文獻[10-12]的定時捕獲還沒有運用到分布式接收天線間的協同處理。針對存在直視路徑的信道場景，利用各天線位置信息，文獻[13]提出天線位置信息輔助的協同定時捕獲方法。文獻[14]針對平坦瑞利衰落信道，利用各分布式天線的覆蓋能力信息，提出基于覆蓋區(qū)域輔助的協同定時捕獲方法。

雖然文獻[13]和文獻[14]提出的協同捕獲方法在一定程度上改善了分布式天線系統(tǒng)的定時捕獲性能，但仍存在不足。首先，文獻[13]和文獻[14]均假設“移動臺（Mobile Station，MS）發(fā)射信號始終存在”，在定時捕獲時可不利用檢測門限對發(fā)射信號的存在性進行判斷。這種假設過于理想，不適合工程應用。

為此，本文提出基于分布式接收天線協同感知的定時捕獲方法，以彌補文獻[13]和文獻[14]的不足。在線形小區(qū)[15]的平坦瑞利衰落信道中，兩根分布式接收天線接收來自單天線MS的信號。提出方法首先根據中心處理器處的協同感知，確保各分布式接收天線的預定虛警概率；隨后，為門限檢測推導出協同處理門限；最后，各分布式接收天線根據門限檢測進行分布式天線系統(tǒng)的最大似然定時捕獲。分析與仿真結果表明，在定時捕獲時，無論移動臺處于協同區(qū)域的哪個位置，提出方法均能有效改善各分布式接收天線的正確捕獲概率和漏檢概率。

2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，兩分布式天線DRX1和DRX2的位置分別為0和R，MS的位置用x表示。DRX1和DRX2共同完成協同區(qū)域（圖1中的[ ] 0，R）上的MS的定時捕獲。

圖1 系統(tǒng)模型

3 定時捕獲方法

3.1 檢測門限

在傳統(tǒng)的定時捕獲方法[17]基礎上，DRX1和DRX2處的定時捕獲首先利用基于門限檢測的互相關方法進行處理。接收信號與已知訓練序列的互相關運算為：

其中，T0為觀察間隔。不失一般性，取T0=LT。

當DRX1和DRX2不采用協同定時捕獲時，各天線根據文獻[13]和文獻[14]，并結合門限檢測有最大似然估計為：

其中，Th，i表示DRXi處的檢測門限。若不等式|成立，則DRXi通過門限檢測，否則，DRXi漏檢或MS沒有發(fā)射信號。

當沒有MS發(fā)射信號存在時，根據文獻[18]知，|Ci(τi，NS)|服從瑞利分布，其中，|Ci(τi，NS)|表示沒有MS發(fā)射信號存在時，在延遲τi，NS處互相關運算的模。因此，|Ci(τi，NS)|2可模型化為自由度為2的χ2分布，其概率密度函數為[19]：

從而，虛警概率PFA為：

根據給定的預定虛警概率PFA，檢測門限Th，i為：

式（6）為各天線單獨定時捕獲時采用的檢測門限，下面根據中心處理器處的虛警概率保證DRX1和DRX2處的虛警概率不超過預定的虛警概率（本文中為PFA），從而制定DRX1和DRX2處的協同檢測門限

在協同定時捕獲時，假設DRX1和DRX2處的虛警概率分別為PFA，1和PFA，2。不失一般性，取PFA，1=PFA，2。根據文獻[20]所述的數據融合準則，中心處理器處的虛警概率為：從而，可取用PFA，1或PFA，2替代公式（6）中的PFA，可得檢測門限的表達式為：

根據式（6）和式（8）所述的檢測門限，下面進行協同最大似然定時捕獲處理。

3.2 協同最大似然定時捕獲

特別地，若根據式（9）進行定時捕獲時，當DRX1和DRX2中存在未通過門限檢測（也即是和不能同時滿足）的天線，通過門限檢測的天線需進一步校驗以保證預定的虛警概率PFA不被超出。假設此時通過門限檢測的天線為DRXj，DRXj的估計量為：

其中，Th，j根據式（6）得到。

4 數值仿真

為驗證提出方法的有效性，該章對提出方法進行仿真驗證。仿真中，取R=500 m，訓練序列為Zadoff-Chu序列[21]，訓練序列長度L=1 024，T=1/1.5 μs；虛警概率PFA= 10-6，DRX1和DRX2噪聲功率相當，即，檢測門限Th，i和分別根據式（6）和式（8）確定。

仿真中，取大尺度衰落模型為文獻[16]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，可以表示為：φdB為零均值高斯隨機變量；K=(λ/4πd0)2（λ為載波波長）；Pr，i為DRXi的接收功率，MS的發(fā)射功率為Pt。根據文獻[16]，考慮2 GHz載波頻率的郊區(qū)場景，可取γ=3，d0=1 m，φdB的標準差為σφdB=3.7；λ=0.15 m（波長）。DRX1和DRX2的噪聲功率為-100 dBm，Pt=-20 dBm。假設MS的發(fā)射功率Pt保持不變，也即是無論MS處于協同區(qū)域什么位置，MS均以相同的功率發(fā)射信號。

圖2給出了DRX1和DRX2的正確捕獲概率與MS位置的關系。從圖2可以看出，在協同的情況下，DRX1和DRX2的正確捕獲概率均得以改善。例如，在x=250 m處，沒有協同的情況下，各天線的正確捕獲概率只有約72%；而引入協同后，DRX1和DRX2的正確捕獲概率均提升到了約85%。

圖2 DRX1和DRX2正確捕獲概率與MS位置的關系

與此同時，當一個正確捕獲概率很小的天線加入協同時，系統(tǒng)性能改善仍然不會受到影響。如在MS的位置為x=0 m處，DRX1和DRX2的正確捕獲概率分別約為100%和11%；DRX2加入協同后，其正確捕獲概率提高至約32%，而DRX1的正確捕獲概率仍保持在約100%。從而，提出方法具有其健壯性。

圖3 DRX1和DRX2的漏檢概率與MS位置的關系

圖3給出了DRX1和DRX2的漏檢概率與MS位置的關系曲線。從圖3可以看出，在DRX1和DRX2的協同下，DRX1和DRX2的漏檢概率均得以降低。例如，在x=200 m時，DRX1的漏檢概率從約15%降低至約7%；DRX2的漏檢概率從約41%降低至約23%。

從圖2和圖3可以看出，無論MS處于協同區(qū)域什么位置，DRX1和DRX2的正確捕獲概率均得以提高，漏檢概率均得以降低。算法的適用性與MS的位置無關。

5 結束語

本文提出一種基于分布式天線協同感知的定時捕獲方法，以改善分布式天線系統(tǒng)定時捕獲的正確捕獲概率與漏檢概率。該方法根據中心處理器處的協同感知，確保各分布式接收天線的預定虛警概率；隨后，為門限檢測推導協同處理門限；最后，各天線根據門限檢測進行分布式天線系統(tǒng)的最大似然定時捕獲。仿真結果表明，無論移動臺處于線形小區(qū)的哪個位置，提出方法在不增加預定虛警概率的情況下，均能改善各分布式天線的正確捕獲概率和漏檢概率。

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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

為提高定時捕獲的正確捕獲概率并降低漏檢概率，提出一種基于分布式天線協同感知的定時捕獲方法。該方法針對線形小區(qū)的平坦瑞利衰落信道場景，利用兩根分布式接收天線接收來自單天線移動臺的發(fā)射信號；根據中心處理器處的協同感知，確保各分布式接收天線的預定虛警概率，并為門限檢測推導協同處理門限；各天線根據門限檢測進行分布式天線系統(tǒng)的最大似然定時捕獲。仿真結果表明，無論移動臺處于線形小區(qū)的哪個位置，提出方法在不增加預定虛警概率的情況下，均能改善各分布式天線的正確捕獲概率和漏檢概率。

協同感知；分布式天線系統(tǒng)；檢測門限；定時捕獲；最大似然

A

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.

國家自然科學基金（No.60901018，No.60902027，No.U1035002/L05，No.61001087）；國家高技術研究發(fā)展計劃（863）（No.2009AA01Z236）；國家重大科技專項（No.2009ZX03003-008-01）；國家科技支撐計劃（No.2010ZX03003-002，No.2011ZX03001-006-01）；中央高校基金（No.ZYGX2009J010，No.ZYGX2009J008）；西華大學校重點項目（No.Z1120941）；四川省教育廳重點項目（No.12ZA161）；教育部春暉計劃（No.Z2011091）；博士后科學基金面上資助項目（No.2012M511920）。

卿朝進（1978—），男，博士，副教授，研究領域為無線與移動通信中的信號處理；魏金成（1966—），男，副教授，研究領域為信號與信息處理；夏凌（1962—），女，博士，副教授，研究領域為信號與信息處理；何子述（1962—），男，博士，教授，研究領域為信號與信息處理；唐友喜（1964—），男，博士，教授，研究領域為無線與移動通信。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