CN101351972A - 用于多输入多输出无线通信系统的天线阵校准 - Google Patents

Abstract

将对应接入终端的不同天线的估计中的每一个用作一单独估计来对通过无线链路向多个设备传送信息的设备的发射链和通过这些无线链路之一接收信息的多个无线设备的接收链进行校准。

Description

用于多输入多输出无线通信系统的天线阵校准

根据35 U.S.C.§119和§120的优先权要求

本申请基于35 U.S.C.§119(e)要求提交于2005年11月2日题为“用于多输入多输出无线通信系统的天线阵校准(ANTENNA ARRAY CALIBRATIONFOR MULTI-INPUT MULTI-OUTPUT WIRELESS COMMUNICATIONSYSTEMS)”的美国临时专利申请S/N.60/733,021的优先权，并且还基于35U.S.C.§120要求提交于2006年4月4日题为“用于无线通信系统的天线阵校准(ANTENNA ARRAY CALIBRATION FOR WIRELESS COMMUNICATIONSYSTEMS)”的申请S/N.11/398,077的优先权，这两个申请皆被转让给这里的受让人并通过引用明确包括于此。

背景

I.领域

以下描述一般涉及无线通信，尤其涉及校准多输入多输出无线通信系统的天线阵。

II.背景

无线联网系统已成为世界各地大部分人借以通信的普遍手段。无线通信系统已变得更小和更强大以满足消费者需求和改善便携性和便利性。诸如蜂窝电话等移动设备处理能力的增大导致对无线网络传输系统的需求增大。这种系统通常不像在其上通信的蜂窝设备那样容易更新。当移动设备能力发展时，很难以便于完全挖掘新的和改善的无线设备能力的方式来维护较老的无线网络系统。

特别地，基于频分的技术通常通过将频谱拆分为多个均匀的带宽块来将频谱分为不同的信道，例如分配给无线蜂窝电话通信的频带部分可被拆分为多个信道，每一个可携带语音通话或者在数字服务的情况下可携带数字数据。每个信道一次可仅被指派给一个用户。一种常用的变体是有效地将整个系统带宽划分为多个正交子带的正交频分技术。这些子带也被称为频调、载波、副载波、频率槽、和/或频率信道。每个子带与可用数据调制的副载波相关联。在基于时分的技术中，频带在时间上被拆分为顺序的时间片或时隙。信道的每个用户以循环方式被提供时间片用于发射和接收信息。例如，在任意给定时刻t，用户被提供对信道接入的一较短的突发。然后，接入切换至另一用户，该用户被提供一较短时间突发以用于发射和接收信息。“轮流”的循环继续，并且最终每个用户被提供多个发射和接收突发。

基于码分的技术通常通过在一范围内的任意时刻可用的多个可用频率来传送数据。一般而言，数据在可用带宽上被数字化和扩展，其中多个用户可在该信道上重叠并且各用户可被指派一唯一序列码。用户可在同一宽带频谱块中传送，其中每个用户的信号通过其相应的唯一扩展码在整个带宽上扩展。该技术可提供共用，其中一个或多个用户可并发地发射和接收。这种共用可通过扩频数字调制来实现，其中用户的比特流被编码并以伪随机的方式跨非常宽的信道扩展。接收机被设计成识别相关联的唯一序列码并消除该随机化以便以相干方式搜集给一特定用户的比特。

一种已知类型的通信系统是多输入多输出(MIMO)通信系统，其中发射机和接收机两者都具有用于通信的多个接收和发射天线。具有多个接收和发射天线的基站的覆盖区内的具有多个接收和发射天线的移动终端可能有兴趣接收来自该基站的一个、一个以上、或所有的数据流。同样地，移动终端可向基站或另一移动设备传送数据。基站与移动终端或移动终端之间的这种通信可能由于信道变化和/或干扰功率变化而退化。例如，上述变化可影响到对一个或多个移动终端的基站调度、功率控制和/或率预测。

当结合时域双工(TDD)信道传输技术采用天线阵和/或基站时，可实现非常大的增益。实现这些增益的关键假设是由于发射和接收的TDD性质，前向链路(FL)和反向链路(RL)观察到对应公共载波频率的相似物理传播信道。然而，实际上可包括模拟前端和数字采样发射机和接收机的整个发射和接收链、以及物理电缆和天线架构对接收机体验到的总信道响应有影响。换言之，接收机将见到发射机数模转换器(DAC)的输入与接收机模数转换器(ADC)的输出之间的总或等效信道，其可包括发射机的模拟链、物理传播信道、物理天线阵结构(包括电缆)、以及模拟接收机链。

鉴于至少以上内容，本领域需要一种在无线通信息设备中采用的天线阵中校准的系统和/或方法。

概要

以下内容呈现了一个或多个实施例的简易概要以提供对这些实施例的基本理解。本概要不是所有可预期实施例的详尽概述也无意标识关键/重要要素或刻画本主题的范围。其唯一目的是以简易形式呈现一些概念作为稍后呈现的更具体的描述的前序。

根据一方面，一种校准无线网络中的天线阵的方法包括确定对应至少两个接入终端的至少两个天线的信道估计并确定基于对应这至少两个天线的信道估计中的每一个的校准比。

为了实现上述和相关目的，这一个或多个实施例包括在以下全面描述并在权利要求中特别指出的各特征。以下描述和附图具体阐述了这一个或多个实施例的某些说明性方面。然而这些方面仅指示可采用所公开的各实施例的原理的各种方法中的很少一些，且所述实施例旨在包括所有这些方面及其等效方案。

附图简述

图1示出了多址无线通信系统的各方面。

图2示出了根据在此描述的各方面的包括接收机链和发射机链的天线布置。

图3示出了用于校准操作的时基的各方面。

图4示出了有助于校准天线阵以补偿增益失配的逻辑的各方面。

图5示出了有助于校准天线阵以补偿增益失配的系统的各方面。

图6示出了用于校准天线阵的方法的各方面。

图7示出了用于校准天线阵的方法的各方面。

图8示出了无线通信系统中接收机和发射机的各方面。

图9示出了接入点的各方面。

具体描述

现在参照其中类似附图标记用于指代所有类似要素的附图描述所要求保护的主题。在以下描述中，出于解释的目的，阐述各个特定细节以提供对一个或多个实施例的透彻理解。然而，显而易见的是，这些实施例可在没有这些特定细节的情况下实践。在其它实例中，以框图形式示出公知的结构和设备以帮助描述本主题发明。

如本申请中所用的，术语“组件”、“系统”等旨在指计算机相关实体、或者硬件、硬件与软件的组合、软件、或者执行中的软件。例如，组件可以是，但不限于，在处理器上运行的过程、处理器、对象、可执行文件、执行的线程、程序和/或计算机。一个或多个组件可驻留在过程和/或执行的线程内，并且组件可位于一台计算机上和/或分布于两台或多台计算机之间。而且，可从其上存储有各种数据结构的各个计算机可读介质执行这些组件。这些组件可诸如根据具有一个或多个数据分组的信号(例如，借助该信号来自与本地系统、分布式系统中的另一组件交互、和/或跨诸如因特网等网络与其它系统交互的一个组件的数据)通过本地和/或远程过程来通信。

此外，这里结合订户站描述各个实施例。订户站也可称为系统、订户单元、移动站、移动、远程站、接入点、基站、远程终端、接入终端、用户终端、用户代理、用户设备、或用户装置。订户站可以是蜂窝电话、无绳电话、会话发起协议(SIP)电话、无线本地环路(WLL)站、个人数字助理(PDA)、具有无线连接能力的手持式设备、或连接至无线调制解调器的其它处理设备。

此外，这里所述的各个方面可使用标准编程和/或工程技术实现为方法、装置或制品。本文所用的术语“制品”旨在包括可从任何计算机可读设备、载波或介质访问的计算机程序。例如，计算机可读介质可包括但不限于磁存储设备(例如，硬盘、软盘、磁条...)、光盘(例如，压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)...)、智能卡和闪存设备(例如，卡、条、键驱动...)、以及诸如只读存储器、可编程只读存储器、以及电可擦除可编程只读存储器等集成电路。

参照图1，示出了根据一个实施例的多址无线通信系统。多址无线通信系统1包括多个蜂窝小区，例如蜂窝小区2、104和106。在图1中，每个蜂窝小区2、4和6可包括一包括多个扇区的接入点。这多个扇区是由各自负责与该蜂窝小区的一部分中的接入终端通信的多个天线群构成的。在蜂窝小区2中，天线群12、14和16各自对应一不同扇区。在蜂窝小区中，天线群18、20和22各自对应一不同扇区。在蜂窝小区6中，天线群24、26、28各自对应一不同扇区。

每个蜂窝小区包括与每个接入点的一个或多个扇区通信的若干接入终端。例如，接入终端30和32与接入点基42通信，接入终端34和36与接入点44通信，以及接入终端38和40与接入点46通信。

控制器50被耦合至蜂窝小区2、4和6中的每一个。控制器50可包含到诸如因特网、其它分组网络、或电路交换语音网络等多个网络的一个或多个连接，这些网络提供去往和来自与该多址无线通信系统1的各蜂窝小区通信的接入终端的信息。控制器50包括或耦合至调度来自和去往接入终端的传输的调度器。在其它实施例中，该调度器可驻留在每一单个蜂窝小区、蜂窝小区的每个扇区、或其组合中。

为了有助于到各接入终端的传输的校准，校准接入点增益校准环路以处理由于接入点的发射和接收链造成的失配是有帮助的。然而，由于信道中的噪声，任何基于在接入终端处接收到的前向链路的信号、以及发射自接入终端的反向链路的信号的校准估计都可包含噪声以及可使得提供的估计产生问题的其它信道变化。为了克服信道噪声影响，对多址终端利用了前向链路和反向链路两者上的多个校准。在特定方面，考虑了去往和来自每个接入终端的每个天线的多个传输以执行一给定扇区的校准。在特定方面，这多个天线可被用于校准单个接入终端的通信。在其它方面，一组接入终端的一个或不足全部的天线可被用于与该组接入终端的所有天线通信。

在特定方面，接入点的发射链或接入点的接收链中的任意一个都可被校准。这可以通过例如利用校准比将该接入点的接收链校准到其发射链或将其发射链校准到其接收链来实现。

在MIMO系统的情形中，出于确定校准比的目的，每个接入终端的每个天线可作为一单独接入终端来处理。然后在组合校准比时，每个接入终端的每个天线的每个单独校准比或校准信息可被用作单独的分量。

如在此使用的，接入点可以是用于与各终端通信的固定站且也可称为基站、B节点、或一些其它术语、并可包括它们的一些或全部功能。接入终端也可称为用户装备(UE)、无线通信设备、终端、移动站或一些其它术语、并可包括它们的一些或全部功能。

应该注意，尽管图1将物理扇区描绘为对于不同扇区具有不同天线群，但也可利用其它方法。例如，作为物理扇区的替代、或与其相组合，可利用在频率空间中各自覆盖该蜂窝小区的不同区域的多个固定“波束”。这种方法在通过引用包括于此的题为“蜂窝系统中的自适应扇区化”的共审待批的美国专利申请S/N.11/260,895中进行了描述和公开。

参照图2，天线布置100包括根据在此所述的各方面的接收机链102和发射机链104。接收机链102包括一旦接收就将信号下变频至基带的下变频组件106。下变频组件106操作性地耦合至自动增益控制(AGC)功能108，其评估收到信号强度并自动调节施加在该收到信号上的增益以将接收机链102维持在其相关联的线性工作范围内并为通过发射机链104的输出提供恒定信号强度。应该认识到，AGC 108对于在此所述的一些实施例是任选的(例如，无需结合每个实施例执行自动增益)。AGC 108操作性地耦合至模数(A/D)转换器110，它在由可缓解收到信号中的短期振荡的数字低通滤波器(LPF)112对信号进行平滑之前将收到信号转换为数字格式。最终，接收机链102可包括处理该收到信号并可将该信号传达至发射机链104的一个或多个组件的接收机处理器114。

发射机链104可包括从接收机链102接收信号的发射机处理器116(例如，发射机接收最初由接收机链102接收到并经历了与其组件相关联的各种处理的信号)。发射机处理器116操作性地耦合至脉冲整形器118，它可有助于操控要发射的信号以使得该信号可被整形为在带宽约束内同时缓解和/或消除码元间干扰。一旦经过整形，信号就可在经历发射机链104中操作性地相关联的用于平滑的低通滤波器(LPF)122之前由数模(D/A)转换器120进行D/A转换。脉冲放大器(PA)组件124可在通过上变频器126被上变频至基带之前放大该脉冲/信号。

对于接入点和接入终端两者的每个天线可存在一天线阵100。同样，在发射机链104与接收机链102的传输特性之间和/或它们的样本之间可观察到显著差异，不能假定等效信道的互易性和/或发射机/接收机变化。在校准天线阵100时，在对沿发射机和接收机链传播的信号的相位和/或振幅的效应及其对互易性假设的准确性的影响方面对变化幅度的理解可被用于帮助校准过程。此外，在天线阵的情形中，一般每个天线100具有与其它天线不同的发射机链104和接收机链102。因此，每个发射机链104分别在相位和/或振幅方面具有与任何其它发射机链104不同的效应。对于每个天线100的接收机链102同样如此。

各效应的失配可能是由于天线100的物理结构、组件差异、或许多其它因素引起的。这种失配可包括例如互耦效应、塔效应、要素位置的不完全知晓、由于天线电缆的振幅和/或相位失配等。另外，失配可以是由于每个天线100的发射机链104和/或接收机链102中的硬件要素。例如，这种失配可能与模拟滤波器、I和Q失衡、链中低噪放大器或脉冲放大器的相位和/或增益失配、各种非线性效应等相关联。

对于接入点，独立地将每个发射链校准到其对应的接收链(即，对应同一天线的接收链)将要求复杂且可能笨拙的过程。此外，用于前向链路传输的任何特定反馈、或用于一给定接入终端的反向链路传输的导频遭受对应该用户的噪声。因此，对于任何给定的基于前向和反向链路估计出的校准比，存在一些由信道变化和噪声引入的误差。因此，在诸多方面，对不同接入终端的多个不同天线估计的一个或多个校准比被组合以获得将被该接入点用于到这些接入终端中的一个或全部的传输的单个校准比。在特定方面，该组合可构成与该接入点通信的每个接入终端的每个天线的所有校准比、或某一预定子集上的平均。在另一方面，该组合可以联合最优化方式实现，其中来自或针对每个接入终端的每个天线的信道测量被加以组合以估计作为每个接入终端的每个天线的增益失配的组合的单个校准比，而无需计算每个接入终端的每个天线的单个校准比。

对于每个接入终端的任意给定天线，接入点使用其对该接入天线的反向链路信道估计以及在接入终端处执行并被反馈至该接入点的前向链路信道估计，来基于该接入终端的该天线估计或计算校准比。

可在接入终端处对从该接入点的第i个发射天线到该接入终端的该天线的传输估计前向链路信道估计

然而，任何信道估计都将伴随由接入点发射链和接入终端接收链所引起的任何增益或失真一道具有与该信道的噪声相关的分量。前向链路信道估计随后可被写为：

${\hat{h}}_{\mathrm{AT}}^{\left(i\right)}={\mathrm{\β}}_{\mathrm{AT}}\·{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AP}}^{\left(i\right)}\·h_i+n_i---\left(1\right)$

在式1中，信道估计是对应该特定天线的接入终端接收机链的增益失配β_AT、接入点的发射链的增益失配α_AP ⁽ⁱ⁾、作为正在测量的两个天线之间的物理信道的h_i、以及作为信道估计的一部分的信道的噪声n_i的函数。

在反向链路传输的情形中，接入点的第i个接收天线处由于来自该接入终端的该天线的传输的信道估计

基本是式1的倒数。这可以从下式2看出：

${\hat{h}}_{\mathrm{AP}}^{\left(i\right)}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{AT}}\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{AP}}^{\left(i\right)}\·h_i+{\mathrm{\υ}}_i---\left(2\right)$

在式2中，该信道估计是对应该天线的接入终端发射链的增益失配α_AT、接入点接收机链的增益失配β_AP ⁽ⁱ⁾、作为正在测量的两个天线之间的物理信道的h_i、以及作为信道估计的一部分的信道的噪声υ_i的函数。

为了校准天线阵，天线100中的接收机链102与发射机链104之间的失配误差在下式3中示出。应该注意，可采用其它方法和数学关系来结合在此所述的方法和数学关系、或作为其替代来实现阵列校准。

$c_i=\frac{{\hat{h}}_{\mathrm{AP}}^{\left(i\right)}}{{\hat{h}}_{\mathrm{AT}}^{\left(i\right)}}=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AT}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{AT}}}\·\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{AP}}^{\left(i\right)}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AP}}^{\left(i\right)}}=\mathrm{\γ}\·\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{AP}}^{\left(i\right)}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AP}}^{\left(i\right)}}=\mathrm{\γ}\·{\mathrm{\η}}_i---\left(3\right)$

在式3中，c_i是反向链路传输与前向链路传输之间的总失配比，γ是对应该特定天线的接入终端的发射与接收链之间的增益失配比，而η_i是接入点处第i个天线的接收和发射链的失配比。应该注意，对于该接入点处的每对天线，γ基本上恒定。同时，在某些方面式3被理想化了，因为其中未包括噪声估计。

校准比c_i(i＝1，...，M，其中M是该接入点天线阵中天线的数目)可被分组到对应该接入终端的每个天线的一个向量

中，该向量可被称为“校准向量”。

$\tilde{c}=\left[\begin{array}{c}{\tilde{c}}_1\\ {\tilde{c}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\tilde{c}}_M\end{array}\right]=\mathrm{\γ}\·\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_1\\ {\mathrm{\η}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\η}}_M\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{z}_1\\ z_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ z_M\end{array}\right]=\mathrm{\γ}\·\mathrm{\η}+n---\left(4\right)$

在式4中，向量的各项对应该接入点的每个天线关于单个接入终端的单个天线的估计。应该注意，向量的元素可以是包括该接入点天线阵的每个发射和接收链的振幅和相位失配以及对应针对该特定天线的接入终端发射和接收链的发射和接收失配的公共失配的复数。应该注意，尽管式4描述了具有对应一个接入终端天线的项的向量，但其也可包括对应多个接入终端或一接入终端的多个天线的项。

噪声向量n包括信道测量误差(MSE)的效应以及信道测量解相关的效应，因为增益测量是在不同时刻执行的，从而允许随时间的信道变化以及温度和其它变化影响到测量。

估计出的对应于接入终端u的校准向量

可如下在式5中所示地确定：

${\tilde{c}}_u={\mathrm{\γ}}_u\·\mathrm{\η}---\left(5\right)$

其中γ_u是对应该接入终端天线的发射和接收链的增益失配，而η是对应接入点天线阵发射和接收链的失配向量。向量

是针对接入点天线阵的所有天线关于每个接入终端的每个天线确定的。

在以上内容中，应该注意，有若干种组合不同校准向量估计(对应来自不同接入终端的不同天线的测量)以生成总的或组合的校准向量的方法。一种进行组合的方法是平均所有校准向量估计以获得单个估计。

在该方法中，每个校准向量估计包括对于不同接入终端不同的乘法因子γ_u。在其中一个或多个接入终端具有非常大的增益失配γ_u的情况下，简单的求平均可导致该平均向具有最大增益失配γ_u的天线偏斜的结果。

在另一方面，对应一特定接入终端的每个校准向量估计被根据向量元素来归一化。这可在其中一个或多个接入终端具有高增益失配γ_u的情况下提供最小化。该过程在下式6中进行了描绘。

${\stackrel{\‾}{c}}_u=\frac{{\tilde{c}}_u}{{\tilde{c}}_{u,1}},\tilde{c}=\frac{1}{U}\underset{u=1}{\overset{U}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{c}}_u---\left(6\right)$

应该注意，在某些方面，归一化元素可以是该校准向量的任何元素，只要其对于每个校准向量估计是同一元素即可，例如第一元素。经归一化的元素的和随后被除以向量

的元素总数U。

另一可用于组合不同校准向量估计的方法可以基于将估计出的向量组合在矩阵中。例如，在特定方面，可能每个校准向量估计是同一向量η的旋转和定标后的版本，并且该旋转和定标是由于不同接入终端的不同失配γ_u造成的。一种消除这种定标和旋转的方法是首先将每个校准向量归一化为具有单位范数。然后，从各校准向量形成其列为经归一化的校准向量估计的矩阵Q。通过对该矩阵执行分解——例如对该矩阵Q执行奇异值分解来获得校准向量的单个估计。对应最大奇异值的本征向量可被用作总校准向量估计，例如如以下式7所示。

$Q=\left[\begin{array}{cccc}{\hat{c}}_1& {\hat{c}}_2& \·\·\·& {\hat{c}}_U\end{array}\right],$ ${\hat{c}}_j=\frac{{\tilde{c}}_j}{\left|\right|{\tilde{c}}_j\left|\right|}j=1,...,U---\left(7\right)$

SVD(Q)＝U·S·V

如在以上3种方法中所例示的，一般用两个步骤来估计出校准比。首先，对天线阵、或感兴趣的那些天线计算出对应校准向量的各元素的值。然后根据一种或多种不同的数学过程将这些校准向量相组合。

一种计算多个校准向量的替换方案是利用一种如下使用多个接入点和接入测量的联合最优化过程。在一些情形下，接入终端天线和接入点可生成其对应不同频调且在不同时刻的信道估计。此外，在时刻k在接入点与第u个接入终端之间可能有时基误差τ_k，u。在这种情形下，在接入终端的天线处测得的前向链路信道向量估计g_i，k，u可与在接入点处测得的反向链路信道向量估计h_i，k，u相关。以下式8中描绘了一种利用校准向量η和接入终端天线的失配γ_u的方法。

$g_{i,k,u}={\mathrm{\γ}}_u\·e^{-j{\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{\τ}}_u}\·\mathrm{diag}\left(h_{i,k,u}\right)\·\mathrm{\η}+n_{i,k,u}---\left(8\right)$

$={\mathrm{\γ}}_{i,k,u}\·Z_{i,k,u}\·\mathrm{\η}+n_{i,k,u}$

在式8中，Z_i，k，u是其对角线元素是反向链路信道向量估计h_i，k，u的元素的对角线矩阵且 ${\mathrm{\γ}}_{i,u}={\mathrm{\γ}}_u\·e^{-j{\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{\τ}}_u}.$ 下标i、k、u分别是频调、时间、和用户索引。在上式中，未知量是校准向量η和接入终端所特有的失配γ_i，k，u。式8的特征是接入终端失配包括除由于对应该天线的接入终端发射和接收链引起的增益失配之外的接入点与接入终端的天线之间的时基失配的效应。一种获得η和γ_i，k，u的解的方法是利用如下式9中所示的最小均方误差(MMSE)方法。

η和γ_i，k，u的解可由下式10给出。

的最小本征向量

${\mathrm{\γ}}_{i,k,u}=\frac{g_{i,k,u}^{*}\·Z_{i,k,u}\·\mathrm{\η}}{g_{i,k,u}^{*}{g}_{i,k,u}}---\left(10\right)$

其中，对于向量x，正交投影算子П_x ^⊥可被定义为：

${\mathrm{\Π}}_x^{\⊥}=I-\frac{{\mathrm{xx}}^{*}}{x^{*}x}---\left(11\right)$

为了对失配进行补偿，校准比可被用来更改接入点的发射机链在相位和振幅两方面的增益以使其匹配接收机链或等效地更改接入点的接收链的增益以使其匹配发射链。

更具体地，接入点可使用最大比组合(MRC)波束成形、等增益组合(EGC)波束成形、或任何其它空闲预处理技术来对任何接入终端进行传输。即，如果其反向链路信道向量为h，则接入点对传输使用以下预处理权重：

对于MRC $w_{\mathrm{MRC}}\left(h\right)=h^{*}/\left|h\right|,\left|h\right|=\sqrt{h^{*}\·h}$

对于EGC

在校准向量估计η情形下，接入点可使用以下预处理权重来补偿其发射和接收链失配：

对于MRC $w_{\mathrm{MRC}}=\mathrm{diag}\left(\mathrm{\η}\right)\·h^{*}/\left|h\right|,\left|h\right|=\sqrt{h^{*}\·h}$

对于EGC

其中diag(η_φ)＝diag(□η)。

尽管图2描绘和描述了接收机链102和发射机链104的一个实施例，但也可利用其它设计和结构。例如，在接收机链102和发射机链104两者中可使用不同数目的组件。另外，还可替换不同的设备和结构。

应该注意，通过将一给定接入终端的每个天线、或天线群作为单独的接入终端来处理可形成组合的或联合校准向量。这样，校准过程可被简化且无需独立地校准每个接入终端。

图3示出了来自单个接入终端的校准的时基循环，其中利用了具有与单个反向链路帧或突发毗邻的单个前向链路帧或突发的TDD系统。如图所示，在接入点处测量在反向链路上传送自天线中的每一个的一个或多个导频。测量的时间段是接入点的解码时间的函数。在该解码期间，一个或多个导频在前向链路上被传送至接入终端。接入终端随后测量这些导频以估计对应每个接收天线的前向链路信道。与在反向链路估计情况下一样，存在一些解码滞后。经解码的前向链路信道估计需要被传送回接入点以生成校准比。因此，可以看到存在某一最小时间量及因此的最大接入终端速度——对应其可在没有较强或显著干扰因素的漂移的情况下维持校准。

如图3所示，如果利用了来自多个接入终端的多个信道估计，则相关联的噪声和漂移可被降低或至少在一时间范围和接收链上被采样。此外，如果利用了每个接入终端的多个天线并对其独立处理则可更佳地估计出漂移和噪声，因为噪声和漂移对于单个接入终端的那些天线可更加统一由此减轻了一给定天线的任何异态。

图4示出了有助于校准天线阵以对增益失配进行补偿的逻辑的各方面。系统300包括校准组件302，其包括分析建模接收机链输出信号和/或接收机链输出信号之间的比较的失配估计组件304，和计算用以生成向量η的比并使用上述组合来自不同接入终端的不同天线的不同测量的方法之一来聚集它们以供使用的比聚集计算器306。

图5示出了有助于校准天线阵以对增益失配进行补偿的系统的各方面。系统400包括操作性地耦合至天线阵404的处理器402。处理器402可利用校准组件406确定接入终端和接入点处各个天线组合的增益失配。处理器402还包括确定校准比并随后生成和利用向量η的校准组件406。

系统400可另外包括存储器408，其操作性地耦合至处理器402并存储与阵列校准、比生成及利用、和生成校准数据等相关的信息以及与校准天线阵404相关的任何其它合适信息。应该认识到，处理器402可以是专用于分析和/或生成处理器402接收到的信息的处理器、控制系统400的一个或多个组件的处理器、和/或既分析和生成处理器402接收到的信息又控制系统400的一个或多个组件的处理器。

存储器408可另外存储与生成信号副本和模型/表示、失配估计等相关联的协议以使得系统400可采用存储的协议和/或算法实现这里所述的天线校准、和/或失配补偿。将认识到到的是，这里所述的数据存储(例如，存储器)可以是易失性或非易失性存储器、或可包括易失性和非易失性存储器两者。作为示例而非限制，非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、或闪存等。易失性存储器可包括用作外部高速缓存的随机存取存储器(RAM)。作为示例而非限制，RAM有多种形式可用，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDR SDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路DRAM(SLDRAM)、以及直接存储器总线RAM(DRRAM)等。本系统和方法的存储器408旨在包括但并不限于这些和任何其它适当类型的存储器。

在特定方面，存储器408可存储对应AGC的每个状态——即放大水平的校准向量

。在这些方面，对于每个传输，处理器402可访问该AGC状态的校准向量

而不执行校准。关于对于一给定传输是否执行一额外的校准或是访问先前的校准向量

的决策可基于自获得该AGC状态的校准向量

起的时间段或传输数目。这可以是系统参数或可根据信道状况——例如信道负载来改变。

参照图6，示出了关于生成补充系统资源指派的方法。例如，这些方法可涉及TDMA环境、OFDM环境、OFDMA环境、CDMA环境、或任何其它合适无线环境中的天线阵校准。尽管出于解释简单的目的，各方法被描述和显示为一系列动作，但应该理解和认识到，这些方法并不受动作次序所限制，因为一些动作可能以不同次序和/或与未在此显示和描述的其它动作并发地发生。例如，本领域的技术人员将理解和认识到方法可替换性地表示为诸如状态图中的一系列交互状态或事件。此外，并不要求用所有示出的动作来实现根据一个或多个实施例的方法。

图6示出了用于针对传输对天线阵进行校准的方法。从接入终端接收到对应该接入终端的每个接收天线的前向链路信道的信道估计(块500)。如上所讨论的，这些信道估计可以是根据接入点所传送的前向链路导频生成的。另外，对于该接入终端的每个发射天线，接入点生成对应反向链路信息——例如反向链路信道导频的信道估计(块502)。

在收集了前向链路和反向链路信道估计两者后，可确定每个接入终端天线和接入点天线的校准比(块504)。在特定方面，在时间上彼此最近的前向链路和反向链路信道估计被用于形成校准比。在这种情形下，可基于前向链路和反向链路估计的连续信道估计对来执行一给定接入终端的多个估计。

如上关于图3所讨论的，在不同计算和传输之间可能有一定的时滞。此外，块500和502的功能可对于相同或不同的接入终端基本同时或在不同时刻发生，尽管它们可能对于单个接入终端的不同天线是相同的。因此，可基于在时间上可能连续或不连续的前向链路和反向链路传输的信道估计来对一给定接入终端的给定天线确定校准比。

然后将校准比组合以形成关于多个接入终端的信道估计(块506)。该组合的校准比可包括一给定扇区或蜂窝小区中不同接入终端的一些或所有天线的校准比，并且对于为其获得了一个或多个校准比的每个接入终端天线具有不等或相等数目的校准比。

组合的校准比可通过简单地平均各校准比或利用关于图2所讨论的其它方法——例如关于式5或7讨论的方法来获得。

来自接入点的每个发射链的每个传输随后用基于该发射链的组合的校准比的权重进行加权。并且，可对该接入点的一个或多个发射链使用组合的或联合校准权重集。或者，将该组合的校准比或基于该组合的校准比的校准指令传送给一个或多个接入终端天线也是可能的。接入终端随后将应用基于该组合的校准比的权重来解码在接入终端的该天线处接收到的传输。

同时，在一些方面，校准权重被用于一特定AGC状态而不用于其它AGC状态。这样，块508随后将仅适用于块500期间的AGC状态。

图7示出了用于针对传输对天线阵进行校准的另一方法。从接入终端接收到对应该接入终端的每个接收天线的前向链路的信道估计。如上所讨论的，这些信道估计可以是根据接入点传送的前向链路导频生成的。另外，对于该接入终端的每个发射天线，接入点生成对应反向链路信息——例如反向链路信道导频的信道估计(块602)。

在收集了前向链路和反向链路信道估计两者后，利用多个接入终端的多个天线的多个信道估计的校准比(块604)。在特定方面，利用了在时间上彼此最近的前向链路和反向链路信道估计。在这种情形下，可基于前向链路和反向链路估计的连续信道估计对来执行一给定接入终端的多个估计。

如上关于图3所讨论的，在不同计算和传输之间可能有一定的时滞。此外，块600和602的功能可对于相同或不同的接入终端基本同时或在不同时刻发生，尽管它们可能对于单个接入终端的不同天线是相同的。因此，可基于在时间上可能连续或不连续的前向链路和反向链路传输的信道估计来对一给定接入终端的给定天线确定信道估计。

通过利用如关于图2——例如关于式8所讨论的联合最优化过程可获得联合校准比。

来自接入点的每个发射链的每个传输随后用基于该发射链的联合校准比的权重进行加权。并且，可对该接入点的一个或多个发射链使用组合的或联合校准权重集。或者，将该联合校准比或基于该联合校准比的校准指令传送给一个或多个接入终端的一个或多个天线也是可能的。接入终端随后将应用基于该联合校准比的权重来解码在接入终端的该天线处接收到的传输。

同时，在一些方面，校准权重被用于一特定AGC状态而不用于其它AGC状态。这样，块608随后将仅适用于块600期间的AGC状态。

图8示出了一示例性无线通信系统1300。为了简明起见，无线通信系统1300描绘了一个基站和一个终端。然而，应该认识到，该系统可包括一个以上的基站和/或一个以上的终端，其中附加基站和/或终端可与以下描述的示例性基站和终端基本类似或不同。另外，应该认识到，该基站和/或终端可利用在此描述的系统(图1-5)和/或方法(图6-7)来便于它们之间的无线通信。

参照图8，示出了多址无线通信系统中的发射机和接收机。在发射机系统1310处，多个数据流的话务数据从数据源1312被提供给发射(TX)数据处理器1344。在一实施例中，每个数据流是在相应的发射天线上发射的。TX数据处理器1344基于为每一数据流选定的一特定编码方案来格式化、编码、和交织该数据流的话务数据以提供经编码的数据。在一些实施例中，TX数据处理器1344基于正向其传送码元的用户和正从其传送码元的天线来向数据流的码元应用波束成形权重。在一些实施例中，波束成形权重可基于指示接入点与接入终端之间的传输路径的状况的信道响应信息来生成。信道响应信息可利用用户提供的CQI信息或信道估计来生成。此外，在调度传输的情形中，TX数据处理器1344可基于传送自用户的秩信息来选择分组格式。

可使用OFDM技术来将每个数据流的经编码数据与导频数据进行复用。该导频数据通常是以已知方式处理并可在接收机系统处用于估计信道响应的已知数据模式。经复用的导频和每个数据流的经编码数据随后基于为该数据流选择的特定调制方案(例如，BPSK、QSPK、M-PSK或M-QAM)被调制(例如，码元映射)以提供调制码元。每个数据流的数据率、编码和调制可由一经提供即由处理器1330执行提供的指令来确定。在某些实施例中，并行空间流的数目可根据传送自用户的秩信息而改变。

所有数据流的调制码元被提供给TX MIMO处理器1346，该处理器可进一步处理这些调制码元(例如，为OFDM)。TX MIMO处理器1346向N_T个发射机(TMTR)1322a到1322t提供N_T个码元流。在特定实施例中，TX MIMO处理器1320基于码元是送往哪个用户以及码元是从哪个天线发射来根据该用户的信道响应信息将波束成形权重施加到各个数据流的码元。

每个发射机1322接收并处理相应的码元流以提供一个或多个模拟信号，并进一步对这些模拟信号进行调理(例如，放大、滤波、和上变频)以提供适于在MIMO信道上传送的已调制信号。来自发射机1322a到1322t的N_T个已调制信号分别从N_T个天线1324a到1324t发射。

在接收机系统1320处，所传送的已调制信号由N_R个天线1352a到1352r接收，并且来自每个天线1352的接收到的信号被提供给相应的一个接收机(RCVR)1354a到1354r。每个接收机1354对相应的一个接收到的信号进行调理(例如，滤波、放大、和下变频)、数字化经调理的信号以提供样本，并且进一步处理这些样本以提供相对应的“收到”码元流。

RX数据处理器1360随后从N_R个接收机1354a到1354r接收这N_R个接收到的码元流并基于特定接收机处理技术进行处理以提供“检测出”的码元流的秩数。在以下更详细地描述由RX数据处理器1360进行的处理。每个检测出的码元流包括由对为相对应数据流传送的调制码元的估计构成的码元。RX数据处理器1360随后解调、解交织并解码每个检测出的码元流以恢复该数据流的话务数据。RX数据处理器1360进行的处理与发射机系统1310处TX MIMO处理器1346和TX MIMO处理器1344执行的处理互补。

由RX处理器1360生成的信道响应估计可被用于执行接收机处的空间、空/时处理、调节功率电平、改变调制率或方案、或者其它动作。RX处理器1360还可估计这些检测出的码元流的信噪干扰比(SNR)以及还可能有其它信道特性，并向处理器1370提供这些量值。RX数据处理器1360或处理器1370还可导出对系统的“有效”SNR的估计。处理器1370随后提供估计的信道信息(CSI)，该信息可包括与通信链路和/或接收到的数据流有关的各种类型的信息。例如，CSI可仅包括工作SNR。在一些实施例中，该CSI随后由还从数据源1376接收多个数据流的话务数据的TX数据处理器1378来处理，由调制器1380调制，由发射机1354a到1354r调理，并传回给发射机系统1310。

在发射机系统1310处，来自接收机系统1350的已调信号由天线1324接收，由接收机1322调理，由解调器1390解调，并由RX数据处理器1392处理以恢复出接收机系统报告的CSI并将数据提供给用于存储的数据汇1394或作进一步处理。所报告的CSI随后被提供给处理器1330并用于(1)确定要对各个数据流使用的数据率及编码和调制方案，以及(2)生成对TX数据处理器1314和TX MIMO处理器1346的各种控制。

处理器1390还可被配置成执行分别关于图2、6、和7讨论的校准比和组合的校准比、或联合校准比的生成。此外，出于组合或联合校准估计的目的，每个天线1352a到1352r可作为单个终端来处理。

参照图9，接入点可包括主单元(MU)1450和无线电单元(RU)1475。MU 1450包括接入点的数字基带组件。例如，MU 1450可包括基带组件1405和数字中频(IF)处理单元1410。数字IF处理单元1410通过执行诸如滤波、信道化、调制等功能在中频数字地处理无线电信道数据。RU 1475包括接入点的模拟无线电部分。如在此所使用的，无线电单元是接入点或其它类型的收发机站当中具有至移动交换中心或相应设备的直接或间接连接的模拟无线电部分。无线电单元通常服务通信系统中一特定扇区。例如，RU 1475可包括连接至用于接收来自移动订户单元的无线电通信的一个或多个天线1435a-t的一个或多个接收机1430。在一方面，一个或多个功率放大器1482a-t被耦合至一个或多个天线1435a-t。模数(A/D)转换器1425被连接至接收机1430。A/D转换器1425将接收机1430接收到的模拟无线电通信转换成数字输入以经由数字IF处理单元1410传送到基带组件1405。RU 1475还可包括连接至或相同或不同的天线1435以向接入终端传送无线电通信的一个或多个发射机120。数模(D/A)转换器1415被连接至发射机1420。D/A转换器1415将经由数字IF处理单元1410接收自基带组件1405的数字通信转换成模拟输出以向移动订户单元传送。在一些方面，有一用于多路复用多个信道信号和多路复用包括语音信号和数据信号的各种信号的多路复用器1484。中央处理器1480被耦合到主单元1450和无线电单元以控制包括语音或数据信号的处理在内的各种处理。

对于多址系统(例如，频分多址(FDMA)系统、正交频分多址(OFDMA)系统、码分多址(CDMA)系统、时分多址(TDMA)系统等)，多个终端可在反向链路上并发地传送。对于这样的系统，可在不同终端间共享导频副载波。信道估计技术可用在每个终端的导频副载波跨越整个工作频带(可能频带边缘除外)的情形中。若要对每个终端获得频率分集则这种导频副载波结构将是可取的。本文所描述的这些技术可通过各种手段来实现。例如，这些技术可在硬件、软件、或其组合中实现。对于硬件实现，用于信道估计的这些处理单元可在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计成执行本文中所描述的功能的其它电子单元、或其组合内实现。若采用软件，则可通过执行本文中所描述的功能的模块(例如，过程、函数等)来实现。软件代码可被存储在存储器单元中并由处理器1390和1350来执行。

以上所描述的包括一个或多个实施例的示例。当然出于描述前述实施例的目的而要描述组件或方法的所有可构想到的组合是不可能的，但是本领域普通技术人员可认识到，各个实施例的许多进一步的组合和置换是可能的。因此，所描述的实施例旨在涵盖落在所附权利要求的精神和范围内的所有此类变更、修改和变形。此外，就术语“包括”在本具体描述或权利要求书中所使用的范畴而言，此术语旨在以类似于术语“包含”的方式作包含在内之解，正如“包含”在权利要求中被用作过渡词时所解释的那样。

Claims (28)

1.一种校准无线网络中的天线阵的方法，包括：

接收各自对应去往至少两个接入终端的至少两个天线的传输的第一信道估计信息；

确定各自对应来自所述至少两个接入终端的所述至少两个天线的传输的第二信道估计信息；以及

基于所述第一信道估计信息的每一个和所述第二信道估计信息的每一个确定校准比。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定校准比包括独立地对每个天线确定校准比。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定包括组合所述校准比中的每一个。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述组合包括对所述校准比中的每一个求平均。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述校准比中的每一个包括多个元素并且其中所述组合包括：

归一化每个校准比；以及

基于包括所述经归一化的校准比的矩阵来确定所述校准比。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述矩阵来确定校准比包括利用奇异值分解来分解所述矩阵。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定校准比包括基于第一校准信息和所述第二校准信息来确定联合校准比。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定校准比包括求解以下方程：

$g_{i,k,u}={\mathrm{\γ}}_u\·e^{-j{\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{\τ}}_u}\·\mathrm{diag}\left(h_{i,k,u}\right)\·\mathrm{\η}+n_{i,k,u}$

$={\mathrm{\γ}}_{i,k,u}\·Z_{i,k,u}\·\mathrm{\η}+n_{i,k,u}$

其中Z_i，k，u是其对角线元素是信道估计信息h_i，k，u的元素的对角矩阵， ${\mathrm{\γ}}_{i,u}={\mathrm{\γ}}_u\·e^{-j{\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{\τ}}_u},$ 以及下标i、k、u分别是频调、时间、和用户索引。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述求解包括使用MMSE技术求解所述方程。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定校准比包括利用所述第一和第二信道估计信息来采用联合最优化方案。

11.一种无线通信装置，包括：

至少两个天线；以及

与所述至少两个天线耦合的处理器，所述处理器被配置成基于各自对应去往至少两个接入终端的至少两个天线的传输的第一信道估计信息和各自对应来自所述至少两个接入终端的所述至少两个天线的传输的第二信道估计信息确定校准比。

12.如权利要求11所述的无线通信装置，其特征在于，所述处理器被配置成对多个接入终端中每一个确定校准比并基于组合所述天线中每一个的每个校准比来确定所述校准比。

13.如权利要求12所述的无线通信装置，其特征在于，所述处理器被配置成通过对所述校准比中的每一个求平均来组合所述比。

14.如权利要求12所述的无线通信装置，其特征在于，所述处理器被配置成通过归一化每个校准比来组合所述比并基于包括所述校准比的每一个的矩阵来确定所述校准比。

15.如权利要求14所述的无线通信装置，其特征在于，所述处理器被配置成利用奇异值分解来分解所述矩阵以获得所述校准比。

16.如权利要求11所述的无线通信装置，其特征在于，所述处理器被配置成利用联合校准比来确定所述校准比。

17.如权利要求11所述的无线通信装置，其特征在于，所述处理器被配置成通过求解以下方程来确定所述校准比：

$g_{i,k,u}={\mathrm{\γ}}_u\·e^{-j{\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{\τ}}_u}\·\mathrm{diag}\left(h_{i,k,u}\right)\·\mathrm{\η}+n_{i,k,u}$

$={\mathrm{\γ}}_{i,k,u}\·Z_{i,k,u}\·\mathrm{\η}+n_{i,k,u}$

其中Z_i，k，u是其对角线元素是反向链路信道向量估计h_i，k，u的元素的对角矩阵， ${\mathrm{\γ}}_{i,u}={\mathrm{\γ}}_u\·e^{-j{\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{\τ}}_u},$ 以及下标i、k、u分别是频调、时间、和用户索引。

18.如权利要求17所述的无线通信装置，其特征在于，所述处理器被配置成通过使用MMSE技术来求解所述方程。

19.如权利要求17所述的无线通信装置，其特征在于，所述处理器被配置成确定所述校准比包括利用所述多个第一和第二信道估计信息采用联合最优化方案。

20.一种装置，包括：

用于处理各自对应去往至少两个接入终端的至少两个天线的传输且接收自所述至少两个接入终端的第一信道估计信息的装置；

用于确定各自对应来自所述至少两个接入终端的所述至少两个天线的传输的第二信道估计信息的装置；以及

用于基于所述第一信道估计信息的每一个和所述第二信道估计信息的每一个确定校准比的装置。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述用于确定校准比的装置包括用于独立地对每个天线确定校准比的装置。

22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述用于独立地对每个天线确定校准比的装置包括用于组合所述校准比中的每一个的装置。

23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述用于组合的装置包括用于对所述校准比中的每一个求平均的装置。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述校准比中的每一个包括多个元素并且其中所述用于组合的装置包括：

用于归一化每个校准比的装置；以及

用于基于包括所述经归一化的校准比的矩阵来确定所述校准比的装置。

25.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述用于确定的装置包括用于基于第一校准信息和所述第二校准信息来确定联合校准比的装置。

26.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述用于确定校准比的装置包括用于求解以下方程的装置：

$g_{i,k,u}={\mathrm{\γ}}_u\·e^{-j{\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{\τ}}_u}\·\mathrm{diag}\left(h_{i,k,u}\right)\·\mathrm{\η}+n_{i,k,u}$

$={\mathrm{\γ}}_{i,k,u}\·Z_{i,k,u}\·\mathrm{\η}+n_{i,k,u}$

其中Z_i，k，u是其对角线元素是信道估计信息h_i，k，u的元素的对角矩阵， ${\mathrm{\γ}}_{i,u}={\mathrm{\γ}}_u\·e^{-j{\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{\τ}}_u},$ 以及下标i、k、u分别是频调、时间、和用户索引。

27.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述用于确定校准比的装置包括用于利用所述第一和第二信道估计信息来采用联合最优化方案的装置。

28.一种其上存储有供处理器使用的指令的处理器可读介质，所述指令用于以下动作的指令：

处理各自对应去往至少两个接入终端的至少两个天线的传输且接收自所述至少两个接入终端的第一信道估计信息；

确定各自对应来自所述至少两个接入终端的所述至少两个天线的传输的第二信道估计信息；以及

基于所述第一信道估计信息的每一个和所述第二信道估计信息的每一个确定校准比。

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