CN101729140A - 通道校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通道校准方法及装置，该方法包括：调度预定帧的时隙；在上述时隙，对设备的射频上下通道进行估测，获得设备的射频上下通道发送部分和接收部分的增益和信号延迟参数，并计算出设备的校准补偿数据；以权值方式应用校准补偿数据进行校准。通过本发明，解决了TDD-BF由于上下行通道的不对称性或非互易性导致TDD-BF性能恶化的问题，提高了校准的可靠性并且保证波束赋形高质量数据传输。

Description

通道校准方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种通道校准方法及装置。

背景技术

近年来，多天线技术发展迅速，在***移动通信(4thGeneration mobile system，简称为4G)和长期演进(Long TermEvolution，简称为LTE)***中得到了大规模的应用。在4G中，时分波束赋形(Time Division Duplex Beam Forming，简称为TDD-BF)，也称为迭代天线或智能天线技术(Adaptive AntennaSystem，简称为AAS)，由于能够显著提高通信***的覆盖范围和增强通讯信号的质量，并且节省了相当的基站数量进而使运营成本降低，因此，被视为4G中最重要的通信技术之一。

但是，目前仍然有很多的问题困绕着时分波束赋形技术的发展，例如，上下行通道的不对称性或非互易性(non-channel reciprocity)导致通信***尤其是目前广泛得以应用的TDD-BF***的性能恶化。因为TDD-BF主要是利用上下行对称的原理，即，假设上下信道是对称或互易的，然后将基带上行估测的通道状态信息(ChannelState Information，简称为CSI)用于下行基带的数据流发送。因此，通过上下行通道校准保证通道对称或互易是TDD-BF的关键措施。

此外，Wimax/LTE***的外部干扰也对波束赋形的性能影响较大。干扰类型分为小区间干扰，包括同频或异频干扰。其中，同频干扰(扇区载频相同)比异频***(扇区载频不同)对***性能影响大，因而，需要考虑抗干扰措施。此外，根据Wimax Forum论坛的验证结果，空间相关性(Spatial Correlation)引起的衰落对上行信道性能的影响远大于下行，甚至可能造成上行***性能无法满足通信要求。这些因素极大限制了波束赋形***的性能。

发明内容

针对相关技术中TDD-BF上下行通道的不对称性或非互易性导致TDD-BF性能恶化的问题而提出本发明，为此，本发明的主要目的在于提供一种通道校准方法及装置，以解决上述问题至少之一。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种通道校准方法。

根据本发明的通道校准方法包括：调度预定帧的时隙；在上述时隙，对设备的射频上下通道进行估测，获得设备的射频上下通道发送部分和接收部分的增益和信号延迟参数，并计算出设备的校准补偿数据；以权值方式应用校准补偿数据进行校准。

优选地，调度预定帧的时隙包括：射频和基带协商选择上述时隙的位置和长度，并通过MAC调度上述时隙。

优选地，在上述时隙传送OFDM格式的信号。

优选地，上述校准补偿数据包括幅度补偿值和相位补偿值。

优选地，以权值方式应用上述校准补偿数据进行校准包括：以权值方式对上述校准补偿数据包括的幅度补偿值和相位补偿值分别与基带待发送的数据进行共轭相乘。

优选地，在计算出设备的校准补偿数据之后，上述方法还包括：采用调度子载波和/或子载波插值法来做干扰消除，用来减弱小区内和小区间同频干扰对校准相位值影响。

优选地，上述子载波插值法包括线性插值法、低通滤波值法和维纳插值法。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种通道校准装置。

根据本发明的通道校准装置包括：调度模块，用于调度预定帧的时隙；估测模块，用于在调度模块调度的时隙，对设备的射频上下通道进行估测，获得设备的射频上下通道发送部分和接收部分的增益和信号延迟参数；计算模块，用于根据估测模块获得的增益和信号延迟参数计算出设备的校准补偿数据；校准模块，用于应用计算模块计算出的权值方式的校准补偿数据进行校准。

优选地，上述调度模块还包括：选择模块，用于射频和基带协商选择时隙的位置和长度。

优选地，上述装置还包括：第一干扰消除模块，用于通过调度子载波来做干扰消除减弱小区内和小区间同频干扰对校准相位值影响；第二干扰消除模块，用于通过子载波插值法来做干扰消除减弱小区内和小区间同频干扰对校准相位值影响。

通过本发明，采用射频和基带通道校准和干扰消除的方式，解决了相关技术中TDD-BF上下行通道的不对称性或非互易性导致TDD-BF性能恶化的问题，进而达到了增加对射频***的干扰抑制、提高校准的可靠性以及保证波束赋形高质量数据传输和覆盖范围扩大的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的通道校准方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的基站校准数据示意图；

图3是根据本发明实施例的通道校准中相位误差对***增益影响分析原理图；

图4是根据本发明实施例的通道校准中不同相位误差对***增益的影响分析示意图；

图5是根据本发明实施例的射频***通路校准相位补偿值计算示意图；

图6是根据本发明实施例的射频***通路相位补偿值的计算实际仿真值和计算相位差的仿真结果图；

图7是根据本发明实施例的通道校准装置的结构框图；

图8是根据本发明实施例的通道校准装置的优选的结构框图；

图9是根据本发明实施例的射频***通道校准结构框图；

图10是根据本发明实施例的测试***连接图；

图11是根据本发明实施例的实际通道校准仿真效果图。

具体实施方式

功能概述

本发明实施例提供了一种通道校准方案，通过调度预定帧的时隙，在不影响业务的条件下作为信号源测量各射频通道相位差，并反馈给基带进行共轭相乘，从而减少由于射频设备上下行非互易带来的相位误差，并采用子载波调度或者子载波插值的抗干扰措施，减少了小区内和邻小区等干扰及频率同步引起基带信号相位畸变，增加了对射频***的干扰抑制和提高了校准的可靠性，提高TDD-BF***的性能。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

方法实施例

根据本发明的实施例，提供了一种通道校准方法。

图1是根据本发明实施例的通道校准方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下的步骤S102至步骤S106：

步骤S102，调度预定帧的时隙。

其中，射频和基带协商选择上述时隙的位置和长度并通过MAC调度时隙。

具体地，不选择控制或广播信息所在时隙，如Wimax中的上下行移动应用部分(Mobile Application Part，简称为MAP)，否则将会丢失该帧的控制或广播信息，因而只能选择业务数据所在时隙，如需要赋形的数据子载波所在时隙；其次考虑到作为信号源的信息量的大小和不影响业务，选择信号源完整的一个或两个时隙。

具体地，射频***更新校准数据发送给基带用于赋形数据开始正常业务。校准单个通道所需符号为1～2个时隙业务资源作为射频校准的信号源。

步骤S104，在上述时隙，对设备的射频上下通道进行估测，获得设备的射频上下通道发送部分和接收部分的增益和信号延迟参数，并计算出设备的校准补偿数据。

步骤S106，以权值方式应用校准补偿数据进行校准。

具体地，以权值方式对校准补偿数据包括的幅度补偿值和相位补偿值分别与基带待发送的数据进行共轭相乘，如图2所示，图2是根据本发明实施例的基站校准数据示意图。

具体地，从射频通道得到的每根天线每个正交频分复用信号(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)子载波的上下行通道总的通道补偿值(包括幅度和相位)w_c，k为

w_c，k(m)＝a_m，kexp(jθ_m，k)，m＝0，1，2，...，M-1；

k为子载波索引，包含幅度a_m，k和相位补偿jθ_m，k；m为发送天线数目；

TDD-BF下行基带发送数据为Y，将权值和射频反馈通道补偿值一起处理，相当于对发送数据乘以一组新的权值为：

$W_{\mathrm{final},k}=\left[\begin{array}{c}w\left(0\right)*a_{0,k}\exp \left({\mathrm{j\θ}}_{0,k}\right)\\ w\left(1\right)*a_{1,k}\exp \left({\mathrm{j\θ}}_{1,k}\right)\\ .\\ .\\ .\\ w(M-1)*a_{M-1,k}\exp \left({\mathrm{j\θ}}_{M-1,k}\right)\end{array}\right]$

经过加权和通道补偿后数据Z为：Z_m，k＝Y_m，k*W_final，k(m)

在步骤S104之后，还包括采用调度子载波和子载波插值法来减弱小区内和小区间同频干扰对校准补偿值的影响，从而减少波束赋形信号性能恶化，其中，子载波插值法包括线性插值法、低通滤波值法和维纳插值法。

下面将结合实例对本发明实施例的实现过程进行详细描述。

实施例1

在本实施例中，基站中射频***对基带每个波束赋形信号通道的子载波幅度/功率和相位进行调整，传送幅度相位校准数据的实部和虚部信号，并对各天线按OFDM带宽或子载波数传送数据进行校准，每个OFDM子载波校准补偿值与该子载波上波束赋形的数据相乘。其中波束赋形通道校准的数据和OFDM子载波唯一对应作约定并通过调度信令传送校准数据。

射频***通知基带调度所需预定帧的时隙，产生校准数据并传送给基带，根据时+分+秒+相对帧号+下行几个符号在此时隙同步消息和消息结构进行校准，包括信令+消息计数+同步时间。

信号源采用OFDM子载波发连续多个包括循环前缀***(Cyclic Prefix)符号的信号进行相位算法仿真，通过反馈均方联合(Recursive Mean Square，简称为RMS)和离散付立叶转换(DiscreteFrequency Transfer，简称为DFT)计算接收数据来获取通道子载波相位特性，再得到其它通道子载波相对本通道子载波相位，来获取通路绝对时延来计算各通道的相位差，作为通道校准相位补偿。

其中，通道校准参数包括校准端口至各天线辐射端口幅度和相位最大偏差。校准时由发送端产生信号源通过天线耦合通路接收数据，使用赋形校准数据做上下行通道状态检测。

校准过程为校准数据接收中断，切换为波束赋形校准信号源，读取和保存校准数据后停止校准采样，具体包括校准条件判断，校准定时控制和启动，校准数据处理和传送，提供中断和各通道校准控制函数。校准装置包括基带+射频***+天线模块，校准点设置在射频***内部检测各主通道、反馈通道状态。

图3是根据本发明实施例的通道校准中相位误差对***增益影响分析原理图，根据图3原理图仿真通道校准中相位补偿值对***增益的影响如图4所示，图4是根据本发明实施例的通道校准中不同相位误差对***增益的影响分析示意图。

上下行通道相对于基准通道综合差异可用补偿数据进行校准。图5是根据本发明实施例的射频***通路校准相位补偿值计算示意图，如图5所示，分别采用无扰动相位和有扰动相位时，射频***I/Q通道的实际相位和校准相位的计算，首先计算相位无扰动，无加性高斯白噪声(Additive White Gaussion Noise，简称为AWGN)通道时校准用信号源的实部和虚部相位值I0/Q0，随后计算相位有扰动，加AWGN通道时校准用信号源的实部和虚部相位值I1/Q1。将I0/Q0和I1/Q1的相位值进行相减即得出实际的校准用信号源相位校准值，其中，具体使用了快速傅里叶变换的反变换IFFT生成OFDM信号。

具体地，无相位扰动(相位扰动都为0度)、无AWGN时，得到的I(n)、Q(n)为“AAS校准用信号源”。其中，对于二进制移相键控(Binary Phase-Shift Keying，简称为BPSK)调制，初始相位为x、x度；加相位扰动和加AWGN时，得到的I(n)、Q(n)为“AAS校准用接收数据”，其中的相位扰动为实际相位值(Real Phase)，通过计算，得到“AAS校准接收数据”的相位，其中，此处相位为计算相位值(Cal Phase)，通过进一步计算，得到Real Phase和Cal Phase的相位差。

完成校准补偿值计算，通过信号源计算出接收信号相位。发射信号做接收信号相位加权及各通道校准值补偿，在单通道发送然后多通道组合发送。

图6是根据本发明实施例的射频***通路相位补偿值的计算实际仿真值和计算相位差的仿真结果图，如图6所示，给出了实际相位，校准相位以及真实校准相位关系。显示每一个子载波实际和计算相位，实际相位、计算相位差在第100个至800个子载波范围内的比较。

射频***互易节点，即射频收发点RX/TX汇集处，其收发信道为非互易信道，包括4路上下行通道，分别为RX1/TX1，RX2/TX2，RX3/TX3，RX4/TX4。根据上行信号做下行赋形+非互易信道校准作补偿。各节点信号相位分别为P1，P2，P3，P4，射频到基带RX信号相位分别为PRX1，PRX2，PRX3，PRX4，则基带RX相位信号分别为：P1+PRX1，P2+PRX2，P3+PRX3，P4+PRX4。

基带发送信号相位对应校准补偿可选择以下两者方案之一：

1)0，PRX1+PTX1-PRX2-PTX2，PRX1+PTX1-PRX3-PTX3，PRX1+PTX1-PTX4-PTX4

2)-PRX 1-PTX 1，-PRX2-PTX2，-PRX3-PTX3和-PRX4-PTX4

第一项是以第一根天线相位PRX1+PTX1为基准进行校准，第二项则为各天线射频***中上行和下行的相位偏移为基准进行校准。

射频***发送给基带信号的相位校准补偿值分别为：

P1+PRX1+PTX1，P2+PRX1+PTX1，P3+PRX1+PTX1，P4+PRX1+PTX1。

实施例2

干扰抑制方法

在本实施例中，干扰消除(Interference cancellation，IC)算法使用了子载波频分多址、BF空间多址、帧时分多址技术来增强信号干扰噪声比(Signal interference and noise ratio，SINR)和抗干扰能力。当多扇区出现临小区同频干扰时，数据子载波、空间多址的正交性不佳，基带上行将采用IC算法消除小区同频干扰。上行用户同频干扰强度超过门限时，通过基带将用户下行帧调度到其它子载波，因调整子载波在下一帧临小区同频干扰的继续存在的可能性大大降低。

在TDD-BF采用了帧时隙作为信号源测量多通道间的误差，但由于小区间和邻小区的干扰以及OFDM同步信号的误差会引起通道相位测量数据畸变，从而使基带幅度相位误差校准引起BF***性能恶化，图4是根据本发明实施例的校准中不同相位误差对***增益的影响分析示意图，如图4所示，给出了不同通道相位误差对TDD-BF***增益恶化影响分析。

下行通道校准相位补偿值如受到较强干扰，不能保证各OFDM子载波发射相位一致，则对应子载波采用调度方法转入到该帧信号的其它下行通道上。

载波受干扰的数目未超出一定界限，可采用相邻OFDM子载波插值(Interpolation)的补偿方案，被替换的子载波的插值方案如下：

$\hat{H}\left(k\right)={\hat{H}}_p(\mathrm{mGI}+l)$

$=(1-\frac{1}{\mathrm{GI}}){\hat{H}}_p\left(m\right)+\frac{1}{\mathrm{GI}}{\hat{H}}_p(m+1)$

其中m＝0，1，2，...，M-1表示子信道中OFDM子载波的序号，k为需要替换的受干扰子载波位置，l为子载波的长度，GI是载波间的物理间隔，H_p()是相邻的子载波。如第一个子载波的插值估计如下：

$\hat{H}\left(1\right)=(1-\frac{1}{4}){\hat{H}}_p\left(0\right)+\frac{1}{4}{\hat{H}}_p\left(1\right)$

$=0.75H_p\left(0\right)+0.25H_p\left(1\right)$

其中，线性差值法算法比较简单，易于实现，也可选用低通滤波值法和维纳差值法等。

在以上实施例中，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

装置实施例

根据本发明的实施例，提供了一种通道校准装置。

图7是根据本发明实施例的通道校准装置的结构框图，如图7所示，该装置包括调度模块72、估测模块74、计算模块76和校准模块78，下面对上述结构进行详细描述：

调度模块72，用于调度特定的帧的时隙；

估测模块74，连接至调度模块72，用于在调度模块72调度的时隙，对设备的射频上下通道进行估测，获得设备的射频上下通道发送部分和接收部分的增益和信号延迟参数；

计算模块76，连接至估测模块74，用于根据估测模块74获得的增益和信号延迟参数计算出设备的校准补偿数据；

校准模块78，连接至计算模块76，用于应用计算模块76计算出的权值方式的校准补偿数据进行校准。

图8是根据本发明实施例的通道校准装置的优选的结构框图，如图8所示，该装置包括第一干扰消除模块82、第二干扰消除模块84，下面对上述结构进行详细描述：

第一干扰消除模块82，用于通过调度子载波来做干扰消除减弱小区内和小区间同频干扰对校准相位值影响；

第二干扰消除模块84，用于通过子载波插值法来做干扰消除减弱小区内和小区间同频干扰对校准相位值影响。

图9是根据本发明实施例的射频***通道校准结构框图，如图9所示，图9中的校准模块对应于上述的校准模块78。非互易部分通过调度时隙，计算出补偿值发送给校准模块进行校准。

图10是根据本发明实施例的测试***连接图，如图10所示，通过基带处理单元BBU(Building Base band Unite，简称为BBU)和射频拉远模块(Remote Radio Unit，简称为RRU)增加校准和干扰抑制功能或者无校准干扰抑制功能情况下，从终端数据卡中观察到的波束赋形流量输出情况。图11是根据本发明实施例的实际通道校准仿真效果图，展示了在实际的测试***中本发明中校准方案的效果。表1为对图11中各项的总结，主要观察校准结果中每个射频通道多个符号之间校准数据的差异，数据来自RRU内部数据采集。

表1测试结果总结

次数	结果(RRU上电)	说明
			第1次	终端高阶流量正常	校准结果正常时
第2次	终端流量掉为0	射频RX0、1、2、3数据受干扰变差，(无抗干扰，无校准)
			第3次	终端流量恢复	相比于第2次校准，RX0、1、2、3数据改善，差值基本上都在小数点后第4位后，少量在第3位。差值不如第0次小。(有抗干扰，校准)
第4次	终端流量下降	相比于第3次校准，RX1急剧变坏，流量下降非常明显((无抗干扰，无校准)
			第5次	终端流量降为0	和第4次校准一样，RX1依然很差，流量丢失(无抗干扰，无校准)
第6次	终端流量恢复	相比第5次，流量恢复，(有抗干扰，校准)
			第7次	终端流量掉为0	相比第6次，RX0、1、2、3全部变差(无抗干扰，无校准)
第8次	终端流量恢复	校准数据表现和第3次相同，(有抗干扰，校准)
			第9次	流量峰值能达要求，但波动剧烈	流量并未掉为0，而是剧烈波动(无抗干扰，无校准)
第10次	终端流量峰值继下降，波动剧烈	相比于第9次，Rx1进一步变差，流量峰值进一步下降(无抗干扰，无校准)
			第11次	终端流量掉为0	RX0变差、RX1、2也不好(无抗干扰，无校准)
第12次	终端流量恢复正常	(有抗干扰，校准)

结论：校准数据的变化，对业务流量造成很敏感的影响完全符合TDD-BF技术结构。由此可见校准和干扰抑制措施对TDD-BF极为重要。

本发明给出了在Wimax和LTE中非常重要的TDD-BF波束赋形技术中提高性能的两种方案，一是采用基带帧信号中的特定时隙，在不影响业务的条件下作为信号源测量各射频通道相位差，并反馈给基带进行共轭相乘，从而减少由于射频设备上下行非互易带来的相位误差，提高波束赋形的性能；其次，为了减少由于小区内和邻小区等干扰及频率同步引起基带信号相位畸变，采用了子载波调度和子载波插值的抗干扰措施，从而提高***性能。本发明还给出了通道相位差对TDD-BF***的实际影响及数据分析。最后***明这两个方案起到了明显提高***性能的作用。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通道校准方法，其特征在于，包括：

调度预定帧的时隙；

在所述时隙，对设备的射频上下通道进行估测，获得所述

设备的射频上下通道发送部分和接收部分的增益和信号延迟

参数，并计算出设备的校准补偿数据；

以权值方式应用所述校准补偿数据进行校准。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调度预定帧的时隙包括：射频和基带协商选择所述时隙的位置和长度，并通过MAC调度所述时隙。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述时隙传送OFDM格式的信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校准补偿数据包括幅度补偿值和相位补偿值。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，以权值方式应用所述校准补偿数据进行校准包括：

以权值方式对所述校准补偿数据包括的幅度补偿值和相位补偿值分别与基带待发送的数据进行共轭相乘。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算出设备的校准补偿数据之后，所述方法还包括：

采用调度子载波和/或子载波插值法来做干扰消除，用来减弱小区内和小区间同频干扰对校准相位值影响。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述子载波插值法包括线性插值法、低通滤波值法和维纳插值法。

8.一种通道校准装置，其特征在于，包括：

调度模块，用于调度预定帧的时隙；

估测模块，用于在调度模块调度的所述时隙，对设备的射频上下通道进行估测，获得所述设备的射频上下通道发送部分和接收部分的增益和信号延迟参数；

计算模块，用于根据估测模块获得的所述增益和所述信号延迟参数计算出所述设备的校准补偿数据；

校准模块，用于应用计算模块计算出的权值方式的所述校准补偿数据进行校准。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述调度模块还包括：

选择模块，用于射频和基带协商选择所述时隙的位置和长度。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第一干扰消除模块，用于通过调度子载波来做干扰消除减弱小区内和小区间同频干扰对校准相位值影响；

第二干扰消除模块，用于通过子载波插值法来做干扰消除减弱小区内和小区间同频干扰对校准相位值影响。

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