CN100512046C - 一种在多输入多输出系统中发射通道校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在多输入多输出系统中发射通道校正方法，该方法包括：a)将导频信号和业务信号进行基带调制，所得到的基带调制信号通过各发射通道变换为射频信号后，送到天线口处；b)从天线口处的射频信号中获取各发射通道的导频信号，并利用所获取的导频信号得到各发射通道校正系数；c)利用所得到的各发射通道的校正系数，对各发射通道的信号进行校正。本发明公开的发射通道校正方法中，以导频信号作为发射校正信号，由于导频信号是为信道估计而插入的，因此不会对网络形成额外的干扰，系统也不需要专门提供插入发射校正信号的空余时间段，且利用导频信号可使用类似信道估计算法进行通道校正，因此不需要设计复杂的校正算法。

Description

一种在多输入多输出系统中发射通道校正方法

技术领域

本发明涉及多输入多输出(MIMO)关键技术，特别是指一种在MIMO系统中发射通道校正方法。

背景技术

无线通信系统可以采用MIMO技术接收和发送信号。MIMO技术综合利用无线信道的信息，在覆盖范围、频谱利用率及信道容量等方面能够改善无线通信系统的性能。MIMO技术可以同时使用在基站(BS)和用户站(SS)中。对于正交频分复用(OFDM)系统或正交频分复用多址(OFDMA)系统中，如果使用MIMO技术，可以大大提高系统性能。

在实际的MIMO系统中的发射端，从基带到天线口的各个发射通道的幅度、相位和时延不一致，这将严重降低有些MIMO系统的性能。为了保证这类MIMO系统性能，在MIMO系统中，必须对各发射通道从基带到天线口的幅度、相位和时延不一致性进行校正。即，这些MIMO系统中的一个关键技术是：使各个发射通道之间的幅度、相位和时延一致。

发射通道的校正需要利用测试信号测试通道特性，用于发射通道校正的测试信号称为发射校正信号。对于发射通道的幅度、相位和时延的校正，关键是选择合适的发射校正信号。

现有技术中，通常使用时分注入发射校正信号的方法。该方法中，需要利用没有发射业务信号的时间段，将发射校正信号注入到发射通道。所述没有发射业务信号的时间段可以为系统本身的空余时间段，也可以为用于注入发射校正信号而专门留出的一个时间段。

发射通道校正的示意图如图1所示，包括控制单元、基带单元、校正系数计算单元、通道发射机、耦合器、校正接收机。控制单元将业务信号送到基带单元，基带单元对业务信号进行处理成帧后，通道发射机将基带信号变换成射频信号并送到耦合器；同时，控制单元根据所述注入发射校正信号的方法，在一个时间段将发射校正信号送到基带单元，发射校正信号通过基带单元和通道发射机送到耦合器；耦合器将大部分功率的信号送到天线口处，将小部分功率的信号送到校正接收机。校正接收机将接收到的模拟信号处理为数字基带I、Q两路信号后，将所述基带信号和控制单元的同步信号一起送到校正系数计算单元；校正系数计算单元从控制单元获取注入发射校正信号的时间段，然后对校正接收机送来的发射校正信号进行处理，得到各个发射通道的幅度、相位和时延特性后反馈给基带单元；基带单元对业务信号根据校正系数计算单元输出的幅度、相位和时延特性，对各个发射通道进行幅度、相位和时延的校正。

以上所述，现有技术的MIMO系统发射通道校正过程中需要的发射校正信号是时分注入到发射通道，时分注入发射校正信号的方法存在以下几个问题：系统需要提供注入发射校正信号的空余时间段，因此受到所述发射通道校正方法应用的限制；由于发射校正信号和业务信号是时分复用的，而且发射校正信号还可能需要和其它控制信息共享带宽，因此，需要设计复杂的校正时序和校正算法；不是业务信号的发射校正信号通过耦合器送到天线口后，天线将发射校正信号发送到无线空间中，这增加了通信网络中的不必要的干扰。

综上所述，由于时分注入发射校正信号的方法引起一系列的负面影响，因此，使用时分注入的发射校正信号进行MIMO系统发射通道校正的方法受到应用的限制，并需要设计复杂的校正算法，而且对通信网络增加不必要的干扰。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种在MIMO系统中发射通道校正方法，以能够利用导频信号进行发射通道的校正。

为了达到上述目的，本发明提供一种在MIMO系统中发射通道校正方法，该方法包括：

a)将导频信号和业务信号进行基带调制，所得到的基带调制信号通过各发射通道变换为射频信号后，送到天线口处；

b)从天线口处的射频信号中获取各发射通道的导频信号，并利用所获取的导频信号得到各发射通道的校正系数；

c)利用所得到的各发射通道的校正系数，对各发射通道的信号进行校正。

步骤a所述导频信号和业务信号进行基带调制的步骤包括：将导频信号和业务信号基带调制到两个或两个以上子载波，得到由导频子载波信号和业务子载波信号构成的基带调制信号；

步骤b所述利用导频信号得到各发射通道的校正系数为：得到各发射通道的各子载波的校正系数；

所述步骤c包括：利用所得到的各发射通道的各子载波的校正系数，对各发射通道的各子载波信号进行校正。

步骤a所述子载波为正交的子载波。

所述校正系数为幅度和相位校正系数。

步骤b所述利用导频信号得到各发射通道的各子载波的校正系数的步骤包括：

b11)从各发射通道的导频子载波信号中提取幅度和相位特性；

b12)利用所得到的各发射通道的导频子载波信号的幅度和相位特性的差异，得到各发射通道的导频子载波信号的幅度和相位校正系数；

b13)根据所得到的各发射通道的导频子载波信号的幅度和相位校正系数，得到各发射通道的业务子载波信号的幅度和相位校正系数；

所述步骤c包括：利用所得到的各发射通道的导频子载波信号的幅度、和相位校正系数，对各发射通道的导频子载波信号进行幅度和相位的校正；利用所得到的各发射通道的业务子载波信号的幅度和相位校正系数，对各发射通道的业务子载波信号进行幅度和相位的校正。

所述步骤b13包括：对各发射通道的导频子载波信号的幅度和相位校正系数，求插值或平滑，得到各发射通道的业务子载波信号的幅度和相位校正系数。

步骤a所述导频信号和业务信号进行基带调制的步骤包括：将导频信号和业务信号进行单载波基带调制；

所述校正系数为幅度、相位和时延校正系数。

步骤b所述利用导频信号得到各发射通道的校正系数的步骤包括：

b21)从各发射通道的导频信号中提取幅度、相位和时延特性；

b22)利用所得到的各发射通道的导频信号的幅度、相位和时延特性的差异，得到各发射通道的幅度、相位和时延校正系数；

所述步骤c包括：利用所得到的各发射通道的幅度、相位和时延校正系数，对各发射通道的信号进行幅度、相位和时延的校正。

步骤b所述从天线口处的射频信号中获取各发射通道的导频信号的步骤包括：从天线口处的射频信号中获取部分功率的射频信号，将部分功率的射频信号变换成基带信号后，从所述基带信号中获取各发射通道的导频信号。

本发明提供的用于MIMO系统中的发射通道校正方法中，利用导频信号作为发射校正信号进行发射通道的校正。由于导频信号是在通信系统中为信道估计而在发射端插入的，因此，系统不需要为注入发射校正信号而专门提供空余时间段。而且，导频信号是插入在业务信号当中，无须设计复杂的校正时序，对发射通道特性的估计也可以使用类似信道解码中的信道估计算法，因此不需要设计复杂的校正算法。导频信号是系统中为了信道估计而插入的必要的信号，因此不会对网络形成额外的干扰。

附图说明

图1所示为MIMO系统中发射通道校正示意图；

图2所示为现有技术中OFDM调制系统中的导频子载波示意图；

图3所示为本发明的实施例中在OFDM调制信号MIMO系统中利用导频信号进行发射通道校正的流程图；

图4所示为本发明的实施例中在单载波调制信号MIMO系统中利用导频信号进行发射通道校正的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面举具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

无线通信系统中，发射端通常在业务信号中插入已知的导频信号，用于接收端的信道估计。本发明是利用导频信号作为发射校正信号进行发射通道的校正，其主要思想是：导频信号和业务信号基带调制后，通过各发射通道变换为射频信号，送到天线口处；从天线口处的射频信号中获取各发射通道的导频信号，并利用所获取的导频信号得到各发射通道校正系数；利用所得到的各发射通道的校正系数，对各发射通道的信号进行校正。

在OFDM调制系统中，已知的导频信号插入到已知序号的子载波中。图2所示为OFDM调制系统中的导频信号所在的子载波和业务信号所在的子载波的示意图。其中，子载波p1、p2......pi是已知导频信号，其余的子载波是业务信号。

下面以OFDM调制信号MIMO发射通道校正为具体实施例，并结合图1所示的发射通道校正示意图，详细介绍利用导频信号进行发射通道校正的方法，该方法如流程图3所示，包括以下步骤：

步骤301：控制单元分配已知序列的导频信号，将不同的导频信号分配到不同子载波中，根据协议将不同导频子载波分配到对应的发射通道。

具体如何分配导频信号的方法根据不同的通信协议标准而不同。在OFDM调制信号MIMO通信系统中，存在例如均匀分配导频信号的方法和轮流分配导频信号的方法。假设该系统中有4个发射通道且设置有8个导频信号时，均匀分配导频信号的方法为：同一时刻可以将导频信号均匀分配到各发射通道发射，即每个发射通道分别分配2个导频信号，保证每个发射通道的导频信号各不相同，避免了各发射通道之间各导频信号之间的干扰；轮流分配导频信号的方法为：同一时刻将所有导频信号分配到一个发射通道发射，在下一时刻分配到另一个发射通道发射，这样将导频信号依次轮流分配到各发射通道发射，即在第一时刻将8个导频信号分配到第一发射通道发射，在第二时刻将8个导频信号分配到第二发射通道发射，类似的将导频信号依次轮流分配到各发射通道发射，由于在同一时刻只有一个发射通道中分配有导频信号，避免在同一时刻各发射通道之间的干扰。

步骤302：导频信号与业务信号在基带单元中基带调制到多个正交的子载波，即，根据协议将各个导频子载波调制到对应的已知信号序列上，同时将业务信号也调制到相应的子载波上，所得到的基带调制信号通过各发射通道的发射机变换为射频信号后，送到耦合器。

步骤303：耦合器将大部分功率的信号送到各天线口处，还将小部分功率的信号送到校正接收机，用于幅度、相位、时延的校正。

耦合器向校正接收机反馈部分功率的信号就是为了发射通道校正，发射通道校正中需要提取经过各发射通道的信号的幅频及时延特性，因此，发射通道校正所需的发射校正信号的功率不必很大，通常所述发射校正信号的功率占耦合器在步骤302中所收到的信号功率的很小比例，例如，占整个信号功率的0.3％，即千分之三左右。

步骤304：校正接收机处理耦合器反馈的信号，即将模拟信号变换成数字基带I、Q两路信号，然后在控制单元的同步控制作用下，将所述基带信号进行快速傅立叶变换(FFT)，并将FFT变换之后的信号送至校正系数计算单元。

步骤305：校正系数计算单元利用各发射通道的导频子载波上的导频信号，计算各发射通道的每个子载波的幅度和相位校正系数，包括以下几个步骤：

步骤305-1：从控制单元获取导频的信息，得到导频所在的发射通道号与子载波号。

步骤305-2：根据步骤305-1所得到的导频信息，从FFT变换之后的信号中提取各发射通道的导频子载波上的导频信号的幅度和相位特性。

根据步骤301所述，对于所述均匀分配方法，同一时刻能够提取各发射通道的导频子载波的导频信号的特性；对于轮流分配方法，同一时刻只能提取一个发射通道的导频子载波的导频信号，通过几个时刻能够提取到所有发射通道的导频子载波的导频信号的特性。

步骤305-3：根据所得到的各发射通道的导频子载波上的导频信号的幅度和相位特性的差异，计算各发射通道的各导频子载波上的导频信号的幅度和相位补偿量，即计算幅度、相位校正系数。

其中，通过所计算出的校正系数对发射通道校正后，要保证各发射通道的幅度、相位和时延特性一致。以计算幅度校正系数为例，如果2个发射通道的幅度分别为11和9，则计算出各发射通道的幅度校正系数分别为0.9和1.1。这样，通过例如11×0.9的方式对第一发射通道的幅度进行校正，通过9×1.1的方式对第二发射通道的幅度进行校正后，两个发射通道的幅度分别校正为9.9，保证了两个发射通道的幅度特性相同。

步骤305-4：对所得到的各发射通道的各导频子载波的导频信号的幅度和相位校正系数，求插值或平滑，得到各发射通道的业务子载波的业务信号的幅度和相位校正系数。

其中，求插值和平滑方法类似与信道估计中使用的方法。在OFDM调制信号中，导频子载波按照一定的导频图案分布在整个子载波中，因此，利用插值和平滑方法，就能得到业务子载波的校正系数。

步骤305-5：将所得到的各发射通道的所有子载波的幅度和相位校正系数传给基带单元，以使得基带单元在基带调制时能够根据校正系数校正各发射通道之间的幅度、相位和时延不一致性。

在OFDM调制信号MIMO系统中，需要对各发射通道的每个子载波进行幅度和相位的校正。因为幅度和相位特性是随着频率的不同而不同，因此在一个发射通道的不同子载波的幅度和相位特性不一致。

在OFDM调制信号MIMO系统中，从各发射通道的导频子载波中提取幅度和相位特性并计算各发射通道的每个子载波上的幅度和相位校正系数后，只需要对各发射通道的每个子载波的幅度和相位进行校正，无需对每个子载波的时延进行校正。因为在OFDM调制信号中，各发射通道的每个子载波的时延特性体现在对应发射通道输出的全体子载波的相位特性中，因此，根据所得到的相位校正系数进行相位校正，就相当于同时进行了时延校正。

类似的，在例如OFDM调制信号的多载波调制信号中，需要计算各发射通道的每个子载波的幅度、相位校正系数，并需要对各发射通道的每个子载波的幅度和相位进行校正，无需对各发射通道的每个子载波的时延进行校正。

但是在单载波调制信号中，需要分别计算各发射通道的幅度、相位和时延校正系数，并分别校正各发射通道的幅度、相位和时延的不一致性。

从图1中可以看到，基带单元、通道发射机组、耦合器、校正接收机、校正系数计算单元构成一环路，称为校正环路。在校正环路中的多个发射通道之间会存在一定的误差，这误差在校正系数计算单元中能够得到有效的实时校正。同时，不包括在校正环路内的耦合器的多通道分合路、耦合器到天线之间的多通道部分也会产生一定的误差，由于这两部分误差属于无源误差，误差的值基本不变，因此可通过离线测量的方法，将测量到的误差补偿到校正系数中。

步骤306：利用所得到的各发射通道的每个子载波的幅度和相位校正系数，对各发射通道的每个子载波信号的幅度和相位进行校正。通过校正，使得各发射通道的幅度和相位特性一致。

基带单元中，根据校正系数计算单元中所得到的幅度和相位校正系数对每个发射通道的发射信号的每个子载波进行幅度和相位的校正。具体是在对每个通道的OFDM发射信号进行IFFT调制时，根据每个子载波的幅度和相位校正系数对每个子载波进行幅度和相位的补偿。通过幅度和相位的补偿，不仅完成了发射通道的幅度、相位的校正，同时还完成了时延的校正。

上述实施例中，OFDM调制是多载波调制中的一种特殊的调制方式，即，OFDM调制中的多个子载波是互相正交的子载波。在多载波调制系统中，多个子载波之间不一定互相正交，而在发射端同样的插入导频信号用于接收端的信道估计，因此在多载波调制信号MIMO系统中，也可以将所述导频信号作为发射校正信号，进行发射通道的校正，校正的方法同OFDM调制信号MIMO系统中所述的发射通道校正方法。

同样，在单载波调制系统中，在发射端也插入用于接收端信道估计的导频信号，因此，在单载波调制信号MIMO系统中，也可以利用导频信号作为发射校正信号进行发射通道的校正，该方法如图4所示流程图，包括以下几个步骤：

步骤401：控制单元分配已知序列的导频信号，根据协议将不同导频时隙或者不同导频扩频序列分配到对应的发射通道。例如，在全球移动通信系统(GSM)等时分多址系统中，将导频信号分配到适当的时隙中，在宽带码分多址(WCDMA)等码分多址系统中，将导频信号利用适当的扩频码进行扩频。

步骤402：导频信号与业务信号在基带单元中基带调制成帧，即，根据协议将各个导频信号调制到对应的已知信号序列上，同时将业务信号也进行调制，然后将所得到的基带调制信号通过各发射通道的发射机变换为射频信号后，送到耦合器。

步骤403：耦合器将大部分功率的信号送到各天线口处，还将小部分功率的信号送到校正接收机，用于幅度、相位、时延的校正。

步骤404：校正接收机处理耦合器反馈的信号，即将模拟信号变换成数字基带I、Q两路信号后，将所述数字基带I、Q两路信号和控制单元的同步信号一起送至校正系数计算单元。

步骤405：校正系数计算单元利用各发射通道的导频信号，计算各发射通道的幅度、相位和时延校正系数，包括以下几个步骤：

步骤405-1：从控制单元获取导频的信息，得到导频信号所在的时隙或导频信号所用的扩频码；

步骤405-2：根据步骤405-1所得到的导频信息，从基带信号中提取各发射通道的导频信号的幅度、相位和时延特性；

步骤405-3：根据所得到的各发射通道的导频信号的幅度、相位和时延特性的差异，计算各发射通道的幅度、相位和时延补偿量，即计算幅度、相位和时延校正系数；

步骤405-4：将所得到的各发射通道的幅度、相位和时延校正系数传给基带单元。

步骤406：利用所得到的各发射通道的幅度、相位和时延校正系数，对各发射通道的信号进行幅度、相位和时延的校正。

以上所述发射通道的校正方法，如果是下行发射通道的校正，导频信号则是基站(BS)发射的导频信号，校正则是BS发射通道的校正；如果是上行发射通道的校正，导频信号则是用户站(SS)发射的导频信号，校正则是SS发射通道的校正。

以上是以每个发射通道有一个射频载波的MIMO系统为例，说明了发射通道校正方法。MIMO系统中的通道发射机也可以使用多个射频载波，即每个发射通道将通过多个射频载波发射信号，针对这种多射频载波发射通道的校正的方法是：分别校正各发射通道中各射频载波上的信号幅度、相位和时延的不一致性，而每个射频载波上的校正方法同本发明提供的方法，利用每个射频载波上的导频子载波进行校正。

无线通信系统中的信号帧周期一般为1毫秒到100毫秒的数量级，而发射通道的特性一般在小于100秒的时间上可以认为基本不变，发射通道的特性相对所述帧周期是缓变的，这是能够有效进行发射通道校正的物理基础。对当前送往发射通道的信号使用的校正系数，是利用若干时间前已通过发射通道发送出去的信号计算出来的。所述若干时间前已通过发射通道发送信号后，到所述当前通过发射通道发送信号的这段时间内，如果各个发射通道的相对特性已发生变化，则所得到的校正系数将不能正确校正各发射通道的幅度、相位和时延的不一致性。因此，校正系数更新间隔是影响校正效果的因素之一。

校正系数的计算可以定期进行，例如每个发射信号帧都更新一次校正系数，或者几个发射信号帧更新一次校正系数，或者也可以不定期地更新校正系数，或者还可以根据系统资源的使用情况来确定更新校正系数的周期。以上都应该遵循一个原则，即：校正系数的更新间隔必须足够小，以能够适应发射通道特性的变化。

综上所述，本发明是利用导频信号进行发射通道的幅度、相位和时延的校正。在MIMO系统中，导频信号在时域或频域或码域上可以区分，因此，可以将导频信号作为发射校正信号计算发射通道的校正系数。而且，由于导频信号就是用于接收端提取信道特性的，所以，利用导频信号就能很好的提取发射通道的特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)

1、一种在多输入多输出系统中发射通道校正方法，其特征在于，

a)将导频信号和业务信号进行基带调制，所得到的基带调制信号通过各发射通道变换为射频信号后，送到天线口处；

b)从天线口处的射频信号中获取各发射通道的导频信号，并利用所获取的导频信号得到各发射通道的校正系数；

c)利用所得到的各发射通道的校正系数，对各发射通道的信号进行校正。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤a所述导频信号和业务信号进行基带调制的步骤包括：将导频信号和业务信号基带调制到两个或两个以上子载波，得到由导频子载波信号和业务子载波信号构成的基带调制信号；

步骤b所述利用导频信号得到各发射通道的校正系数为：得到各发射通道的各子载波的校正系数；

所述步骤c包括：利用所得到的各发射通道的各子载波的校正系数，对各发射通道的各子载波信号进行校正。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤a所述子载波为正交的子载波。

4、根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述校正系数为幅度和相位校正系数。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

步骤b所述利用导频信号得到各发射通道的各子载波的校正系数的步骤包括：

b11)从各发射通道的导频子载波信号中提取幅度和相位特性；

b12)利用所得到的各发射通道的导频子载波信号的幅度和相位特性的差异，得到各发射通道的导频子载波信号的幅度和相位校正系数；

b13)根据所得到的各发射通道的导频子载波信号的幅度和相位校正系数，得到各发射通道的业务子载波信号的幅度和相位校正系数；

所述步骤c包括：利用所得到的各发射通道的导频子载波信号的幅度和相位校正系数，对各发射通道的导频子载波信号进行幅度和相位的校正；利用所得到的各发射通道的业务子载波信号的幅度和相位校正系数，对各发射通道的业务子载波信号进行幅度和相位的校正。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤b13包括：对各发射通道的导频子载波信号的幅度和相位校正系数，求插值或平滑，得到各发射通道的业务子载波信号的幅度和相位校正系数。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤a所述导频信号和业务信号进行基带调制的步骤包括：将导频信号和业务信号进行单载波基带调制；

所述校正系数为幅度、相位和时延校正系数。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

步骤b所述利用导频信号得到各发射通道的校正系数的步骤包括：

b21)从各发射通道的导频信号中提取幅度、相位和时延特性；

b22)利用所得到的各发射通道的导频信号的幅度、相位和时延特性的差异，得到各发射通道的幅度、相位和时延校正系数；

所述步骤c包括：利用所得到的各发射通道的幅度、相位和时延校正系数，对各发射通道的信号进行幅度、相位和时延的校正。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b所述从天线口处的射频信号中获取各发射通道的导频信号的步骤包括：从天线口处的射频信号中获取部分功率的射频信号，将部分功率的射频信号变换成基带信号后，从所述基带信号中获取各发射通道的导频信号。

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