CN102035611A - 远端射频单元多天线实时校准系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远端射频单元多天线实时校准系统及其方法，涉及无线通信技术领域中的远端射频单元系统。该方法完全脱离于BBU并且由RRU实现。当进行发射校准时，由多条工作天线通过下行链路发射校准信号，RRU中CPU根据校准链路上行接收的校准信号，计算每条发射链路的幅度和时延信息，并相应获得各条发射链路的补偿系数，用于下行链路数据补偿；当进行接收校准时，由校准通路通过下行链路发射校准信号，RRU中CPU根据多条工作天线上行链路来接收信号，计算每条接收链路的幅度和时延信息，并相应获得各条接收链路的补偿系数，用于上行链路数据补偿。本发明具有完全适用于RRU系统，其架构实现简单、资源少、成本低、适用性强和有利于系统稳定实现的特点。

Description

远端射频单元多天线实时校准系统及其方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域中的远端射频单元系统，尤其涉及一种远端射频单元多天线实时校准系统及其方法。

背景技术

现代智能天线是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。

利用各个移动用户信号空间特性的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用多天线可满足服务质量和网络扩容的需要。智能天线可以充分使用多天线分集效果，大大降低多址干扰，增加接收灵敏度和等效发射功率；可以使用低输出功率放大器来大大降低通信设备的成本，因此智能天线成为当前无线通信研究的热门。

分布式基站包括基带单元（BBU）和远端射频单元（RRU）两部分。在LTE多天线系统中，为了使RRU的多条发射及接收链路能准确地接收和发射信号，必须保证组成智能天线阵的各天线单元、射频馈电电缆和射频收发信机之间基本没有差别，即每条发射及接收链路具有相同的幅度及相位关系。而对每条发射及接收链路进行相位和幅度的补偿过程和方法就是本发明所要涉及的内容。

目前的校准方法都是通过BBU在基带中插入校准信号源来达到校准RRU的目的，在LTE的带宽可变系统中，5M、10M、15M带宽的基带数据都需要内插到30.72Msps的采样率下进行后续处理，以及接收的校准数据也要抽取到相应的基带数据的采样率上，这不仅浪费了校准资源，还使得相应的CPU中信道估计的算法难度加大，导致校准的复杂度和系统不稳定的因素。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种远端射频单元多天线实时校准系统及其方法。

本方法是一种完全脱离于BBU并且由RRU实现的一种校准方法。在LTE的带宽灵活可配系统中，校准信号源都将统一在相同采样率下进行收发校准信号源，这样在校准方案的结构上可以大大提高系统资源的利用率，并在接收校准信号的精度更准确，相应的信道估计的算法则更容易实现和相应的解调效果更好，从而减少误码率，提高RRU系统的校准性能。

具体地说，本发明包括一种远端射频单元多天线实时校准系统（简称系统）及其多天线实时校准方法（简称方法）。

一、系统

    本系统包括BBU基带单元和通过光纤、激光器相连的RRU远端射频单元；

RRU远端射频单元是：

第一FPGA部分、第一射频部分、智能天线阵列、天线耦合、第二射频部分和第二FPGA部分依次连接；

CPU控制部分包括控制校准信号源发射、控制校准信号源接收和CPU处理并返回校准调整值模块；

第一FPGA部分包括依次连接的IR协议解析模块、基带与中频接口模块、校准幅度调整模块、滤波器采样率变换模块、校准时延调整模块和中频处理模块；

第二FPGA部分包括依次连接的基带与中频接口模块、滤波器采样率变换模块和中频处理模块；

控制校准信号源发射和控制校准信号源接收分别与第一FPGA部分和第二FPGA部分连接，CPU处理并返回校准调整值模块分别与第一FPGA部分中新设置的校准幅度调整模块和校准时延调整模块连接。

其工作原理是：在BBU通过IE命令RRU校准，RRU产生校准时序控制信号，当RRU为发射校准时，工作天线处于下行发射状态，此时根据校准时序将ROM中的校准信号源插入到采样率为30.72Msps的基带与中频接口处，经过整个下行链路处理后，通过天线口之间的耦合将数据传到校准通路上，经过校准通道的上行链路，同样在采样率为30.72Msps的基带与中频接口处同样根据校准时序接收校准信号源并保存，通过CPU进行信道估计分析后产生幅度校准权值和相位时延值，并返回给FPGA进行相应的补偿达到各天线口的幅度和相位一致；当RRU接收校准时，校准通路处于发射状态，同样此时根据校准时序将ROM中的校准信号源插入到采样率为30.72Msps的基带与中频接口处，经过校准通道的下行链路处理后，通过天线口之间的耦合将数据传到工作天线上，经过整个工作天线通道的上行链路，并在采样率为30.72Msps的基带与中频接口处，根据校准时序接收校准信号源并保存，通过CPU进行信道估计分析后产生幅度校准权值和时延值，并返回给FPGA进行相应的补偿达到各天线口的幅度和相位一致。

二、方法

本方法包括下列步骤：

①射频远端单元（RRU）接收基带单元（BBU）的校准命令后，产生校准触发信号，RRU开始自校准过程；

②当校准触发信号有效，同时根据上层的时隙配比产生校准时序供发射校准和接收校准的收发控制，其中校准过程都是在10ms无线帧中特殊子帧的保护时隙内完成；

③在发射校准过程中，根据校准时序的控制要求，由正常的工作天线通过下行链路发射校准信号源，其中校准信号源存在FPGA内部的ROM中，特别在变带宽的LTE-RRU系统中，统一都在相同采样率下发射校准信号源，由CPU控制并在相应的校准通道中的上行链路接收数据，保存在FPGA中的双口RAM中，然后CPU将采集到的RAM中数据与源信号进行信道估计运算得出幅度调节权值和时延值后返回给FPGA进行相应的调节即可；

④在接收校准过程中，同样根据校准时序的控制要求，由校准通路的通过下行链路发射校准信号源，其中校准信号源存在FPGA内部的ROM中，特别在变带宽的LTE-RRU系统中，统一都在相同采样率下发射校准信号源，由CPU控制并在相应的校准通道中的上行链路接收数据，保存在FPGA中的双口RAM中，然后CPU将采集到的RAM中数据与源信号进行信道估计运算得出幅度调节权值和时延值后返回给FPGA进行相应的调节即可。

根据以上步骤，本方法就能脱离基带单元而完全独立在射频远端单元（RRU）系统内进行多天线实时校准。

本发明具有下列优点和积极效果：

①架构实现简单、资源少、成本低、适用性强；

②有利于系统稳定；

③完全适用于RRU系统。

附图说明

图1是现有系统的结构框图；

图2是本系统的结构框图；

图3是本系统中10ms无线帧的结构示意图；

图4是本方法中发射校准的校准时序图；

图5是本方法中接收校准的校准时序图。

    图中：

100—第一现场可编程门阵列，

     110—IR协议解析模块，   120—基带与中频接口模块，

     130—校准幅度调整模块， 140—滤波器采样率变换模块，

     150—校准时延调整模块， 160—中频处理模块；

200—CPU控制部分，

     210—控制校准信号源发射； 220—控制校准信号源接收；

     230—CPU处理并返回校准调整值；

300—第一射频处理部分；

400—智能天线阵列；

500—天线耦合；

600—基带单元（BBU）

700—第二射频处理部分；

800—第二现场可编程门阵列，

     820—基带与中频接口模块，840—滤波器采样率变换模块，

     860—中频处理模块。

A—光纤；B—激光器。

英译汉：

1、BBU (Base Band Unit)—基带单元。

2、RRU (Remote Radio Unit)—远端射频单元。

3、LTE（Long Term Evolution）—通俗称为3.9G，具有100Mbps的数据下载能力，被视作从3G向4G演进的主流技术。

4、CPU（Central Processing Unit）—中央处理器，是电脑中的运算和控制核心。

5、FPGA（Field Programmable Gate Array）—现场可编程门阵列。

6、ROM（read only memory）—只读存储器。

7、RAM（random-access memory）—随机存储器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一、系统

1、总体

如图1，现有系统包括BBU基带单元600和通过光纤A、激光器B相连的RRU远端射频单元；

所述RRU远端射频单元包括依次连接的第一FPGA部分100、第一射频部分300和智能天线阵列400；第一FPGA部分100包括依次连接的IR协议解析模块110、基带与中频接口模块120、滤波器采样率变换模块140和中频处理模块160；

如图2，本系统是在上述现有系统的基础上新设置有天线耦合500、CPU控制部分200、第二射频部分700和第二FPGA部分800；在第一FPGA部分100中新设置有校准幅度调整模块130和校准时延调整模块150；

具体地说，本RRU远端射频单元是：

第一FPGA部分100、第一射频部分300、智能天线阵列400、天线耦合500、第二射频部分700和第二FPGA部分800依次连接；

CPU控制部分200包括控制校准信号源发射210、控制校准信号源接收220和CPU处理并返回校准调整值模块230；

第一FPGA部分100包括依次连接的IR协议解析模块110、基带与中频接口模块120、校准幅度调整模块130、滤波器采样率变换模块140、校准时延调整模块150和中频处理模块160； 

第二FPGA部分800包括依次连接的基带与中频接口模块820、滤波器采样率变换模块840和中频处理模块860；

控制校准信号源发射210和控制校准信号源接收220分别与第一FPGA部分100和第二FPGA部分800连接，CPU处理并返回校准调整值模块230分别与第一FPGA部分100中新设置的校准幅度调整模块130和校准时延调整模块150连接。

2、新设置的功能块的结构及其功能

1）天线耦合500将数据耦合到第二射频部分700和第二FPGA部分800。

2）控制校准信号源发射210由ROM构成，其功能是校准信号源预存固化在ROM中并通过CPU控制其发射与基带与中频接口模块120接口。

3）控制校准信号源接收220由RAM构成，其功能是与基带与中频接口模块120接口，接收通过整条链路后的校准信号源的数据供CPU分析处理。

4）CPU处理并返回校准调整值模块230其功能是通过校准信号源接收220采集到的校准信号源数据，根据本地的校准信号与收到的校准信号进行滑动相关运算后找到相关峰得到调整时延的返回值并进行基于FFT的信道冲激响应估计出各条通路的冲激响应后得到调整各条通路的幅度权值并返回给校准幅度调整模块130和校准时延调整模块150进行调整。

5）校准幅度调整模块130其功能是通过CPU处理并返回校准调整值模块230的返回值调节IQ复数乘法器的权值来调整幅度一致。

6）校准时延调整模块150其功能是通过CPU处理并返回校准调整值模块230的返回值调节时延参数调整达到通道相位一致。

本系统的工作过程是：

如图3，为LTE系统中10ms无线帧的结构示意图，其中子帧1为特殊子帧，GP保护时隙用作RRU的发射校准和接收校准时刻的选择。

当BBU发起让RRU校准命令时，就会触发校准信号并产生校准时序控制：

若当前RRU为发射校准时，工作天线处于下行发射状态，此时根据校准时序将ROM中的校准信号源插入到采样率为30.72Msps的基带与中频接口处，经过整个下行链路处理后，通过天线口之间的耦合将数据传到校准通路上，经过校准通道的上行链路，在采样率为30.72Msps的基带与中频接口处同样根据校准时序接收校准信号源并保存，通过CPU进行信道估计分析后产生幅度校准权值和时延值，并返回给FPGA进行相应的补偿达到各天线口的幅度和相位一致；

若当前为RRU接收校准时，校准通路处于发射状态，同理此时根据校准时序将ROM中的校准信号源插入到采样率为30.72Msps的基带与中频接口处，经过校准通道的下行链路处理后，通过天线口之间的耦合将数据传到工作天线上，经过工作天线通道的上行链路，并在采样率为30.72Msps的基带与中频接口处，根据校准时序接收校准信号源并保存，通过CPU进行信道估计分析后产生幅度校准权值和时延值，并返回给FPGA进行相应的补偿达到各天线口的幅度和相位一致。

二、方法

1、具体特征

1）校准时序控制

所述步骤②中的校准时序控制是：RRU的校准过程都是在保护时隙内完成，发射校准和接收校准分时完成，在10ms无线帧内可以同时完成校准过程。

2）发射校准

所述步骤③中的发射校准是：发射校准中在相同采样率下发射校准信号源。

具体是：在变带宽的LTE-RRU系统中,不管是5M、10M、15M或20M带宽下

都要插到30.72Msps采样率，相比与在基带中插入校准信号源，再经插值滤波器转到30.72Msps采样率下，对于RRU系统来说更适合于统一在相同采样率下发射校准信号源显得更灵活；同理在校准通路中接收校准数据也将选择在相同采样率下接收校准数据并存在双口RAM中；CPU采集数据以及信道估计后返回值，即根据校准时序的控制FPGA通路收发校准数据，通过CPU来完成信道处理并返回幅度调节权值和时延值达到校准功能。

3）接收校准

所述步骤④中的接收校准是：接收校准中在相同采样率下发射校准信号源。

具体是：在变带宽的LTE-RRU系统中，不管是5M、10M、15M或20M带宽下都要插到30.72Msps采样率，相比与在基带中插入校准信号源，再经插值滤波器转到30.72Msps采样率下，对于RRU系统来说更适合于统一在相同采样率下发射校准信号源显得更灵活；同理在工作天线通路中接收校准数据也将选择在相同采样率下接收校准数据并存在双口RAM中；CPU采集数据以及信道估计后返回值：即根据校准时序的控制FPGA通路收发校准数据，通过CPU来完成信道处理并返回幅度调节权值和时延值达到校准功能。

2、校准时序

1）发射校准时序

如图4，发射校准时序是：工作在保护时隙内，此时工作天线处于下行发射状态，校准通路处于接收状态。校准信号源通过循环发送来保证由于滤波器时延和符号间干扰对校准通路接收数据的影响，为了保证采到的校准数据能够是完整的一帧校准数据，便于后续CPU中信道估计算法的计算。

2）接收校准时序

如图5，接收校准时序是：工作在保护时隙内，此时校准通道处于下行发射状态，工作天线处于接收状态。校准信号源通过循环发送来保证由于符号间干扰和滤波器时延对工作天线的上行链路接收数据的影响，为了保证采到的校准数据能够是完整的一帧数据，便于后续CPU中信道估计算法的计算。

Claims (5)

1.一种远端射频单元多天线实时校准系统，其特征在于：

包括基带单元（600）和通过光纤（A）、激光器（B）相连的远端射频单元；

远端射频单元是：

第一FPGA部分（100）、第一射频部分（300）、智能天线阵列（400）、天线耦合（500）、第二射频部分（700）和第二FPGA部分（800）依次连接；

CPU控制部分（200）包括控制校准信号源发射（210）、控制校准信号源接收（220）和CPU处理并返回校准调整值模块（230）；

第一FPGA部分（100）包括依次连接的IR协议解析模块（110）、基带与中频接口模块（120）、校准幅度调整模块（130）、滤波器采样率变换模块（140）、校准时延调整模块（150）和中频处理模块（160）；

第二FPGA部分（800）包括依次连接的基带与中频接口模块（820）、滤波器采样率变换模块（840）和中频处理模块（860）；

控制校准信号源发射（210）和控制校准信号源接收（220）分别与第一FPGA部分（100）和第二FPGA部分（800）连接，CPU处理并返回校准调整值模块（230）分别与第一FPGA部分（100）中新设置的校准幅度调整模块（130）和校准时延调整模块（150）连接。

2.基于权利要求1所述系统的多天线实时校准方法，其特征在于：

①射频远端单元接收基带单元的校准命令后，产生校准触发信号，RRU开始自校准过程；

②当校准触发信号有效，同时根据上层的时隙配比产生校准时序供发射校准和接收校准的收发控制，其中校准过程都是在10ms无线帧中特殊子帧的保护时隙内完成；

③在发射校准过程中，根据校准时序的控制要求，由正常的工作天线通过下行链路发射校准信号源，其中校准信号源存在FPGA内部的ROM中，特别在变带宽的LTE-RRU系统中，统一都在相同采样率下发射校准信号源，由CPU控制并在相应的校准通道中的上行链路接收数据，保存在FPGA中的双口RAM中，然后CPU将采集到的RAM中数据与源信号进行信道估计运算得出幅度调节权值和时延值后返回给FPGA进行相应的调节即可；

④在接收校准过程中，同样根据校准时序的控制要求，由校准通路的通过下行链路发射校准信号源，其中校准信号源存在FPGA内部的ROM中，特别在变带宽的LTE-RRU系统中，统一都在相同采样率下发射校准信号源，由CPU控制并在相应的校准通道中的上行链路接收数据，保存在FPGA中的双口RAM中，然后CPU将采集到的RAM中数据与源信号进行信道估计运算得出幅度调节权值和时延值后返回给FPGA进行相应的调节即可。

3.按权利要求2所述的多天线实时校准方法，其特征在于：

所述步骤②中的校准时序控制是：RRU的校准过程都是在保护时隙内完成，发射校准和接收校准分时完成，在10ms无线帧内可以同时完成校准过程。

4.按权利要求2所述的多天线实时校准方法，其特征在于：

所述步骤③中的发射校准是：发射校准中在相同采样率下发射校准信号源；

具体是：在变带宽的LTE-RRU系统中,不管是5M、10M、15M或20M带宽下

都要插到30.72Msps采样率，相比与在基带中插入校准信号源，再经插值滤波器转到30.72Msps采样率下，对于RRU系统来说更适合于统一在相同采样率下发射校准信号源显得更灵活；同理在校准通路中接收校准数据也将选择在相同采样率下接收校准数据并存在双口RAM中；CPU采集数据以及信道估计后返回值，即根据校准时序的控制FPGA通路收发校准数据，通过CPU来完成信道处理并返回幅度调节权值和时延值达到校准功能。

5.按权利要求2所述的多天线实时校准方法，其特征在于：

所述步骤④中的接收校准是：接收校准中在相同采样率下发射校准信号源；

具体是：在变带宽的LTE-RRU系统中，不管是5M、10M、15M或20M带宽下都要插到30.72Msps采样率，相比与在基带中插入校准信号源，再经插值滤波器转到30.72Msps采样率下，对于RRU系统来说更适合于统一在相同采样率下发射校准信号源显得更灵活；同理在工作天线通路中接收校准数据也将选择在相同采样率下接收校准数据并存在双口RAM中；CPU采集数据以及信道估计后返回值：即根据校准时序的控制FPGA通路收发校准数据，通过CPU来完成信道处理并返回幅度调节权值和时延值达到校准功能。

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