CN102045123A

CN102045123A - 实现时分双工无线通信系统信道互易的射频校准方法和装置

Info

Publication number: CN102045123A
Application number: CN2010105866163A
Authority: CN
Inventors: 朱新宁; 杨旭; 曾志民; 王海燕; 夏璐; 来志京; 冯春燕; 果敢; 魏然
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications; Research Institute of Telecommunications Transmission Ministry of Industry and Information Technology
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications; Research Institute of Telecommunications Transmission Ministry of Industry and Information Technology
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2030-12-14
Also published as: CN102045123B

Abstract

本发明公开了一种在存在突发干扰的环境中实现时分双工无线通信系统信道互易的射频校准的方法和装置。所述方法进行多次射频子校准，每次子校准过程利用通信节点间发送的导频信号实现。本发明有效地避免了突发干扰带来的射频校准的不准确性，同时避免了射频校准过程中信道信息在通信节点间的传输，使得信道互易性得以在时分双工无线通信系统中应用，减小了信令开销，提高了系统性能。

Description

实现时分双工无线通信系统信道互易的射频校准方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种实现时分双工(TDD)无线通信系统信道互易的校准方法，一种实现该方法的装置。

背景技术

在新一代无线通信系统中，使用多输入多输出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)无线技术可以满足系统对于高数据率和高系统容量方面的需求。MIMO技术的思想在于利用空间信道的弱相关性实现数据的分集或复用，或利用空间信道的强相关性以及波的相干性原理实现数据的方向性传输，从而提高信号传输的可靠性和传输速率。无线通信系统的通信双方，如基站(BS，Base Station)和用户设备(UE，User Equipment)，拥有各自的收发信机。在使用MIMO技术的情况下，每个收发信机均配备了多根天线，如图1所示。

对于使用MIMO技术的无线通信系统，发射机对于前向链路信道响应的获知可以进一步提高系统性能。例如，发射机通过某种方法获得前向链路信道矩阵，将其进行奇异值分解(SVD，Singular Value Decomposition)等处理，获得预编码矩阵，通过预编码技术使发射信号适应每一条空间信道，从而实现系统性能的进一步优化。在MIMO系统中，经过线性预编码的输入输出关系表示为：

y＝HWx+n

其中，x代表发射信号，W代表预编码矩阵，H代表经过预编码的信号经过的信道矩阵，n代表接收端的噪声，y代表接收信号。

发射机对于前向链路信道响应的获取方法可以大致分为两类：利用传统反馈的方法和利用信道互易性。

利用传统反馈的方法，根据反馈信息的具体内容，又分为无压缩的信道信息反馈和压缩的信道信息反馈。以预编码技术为例，信道状态信息(CSI，Channel State Information)的反馈可以理解为无压缩的信道信息反馈，BS发送下行导频信号，UE接收导频信号并进行信道估计，获取下行信道信息，将获取的信息以CSI的形式反馈给BS，其缺点是在反馈信道上造成了巨大的信令开销；预编码矩阵指示符(PMI，Pre-coded Matrix Indication)的反馈可以理解为压缩的信道信息反馈，BS发送下行导频信号，UE接收导频信号并进行信道估计，获取下行信道信息，基于该信道信息在预定的码本中选择误差最小的码本，以PMI的形式反馈给BS，其缺点是信道信息经过压缩，产生了一定的失真。另外，利用传统反馈的方法还存在很多问题，如因反馈信息的传输造成差错，因信道信息需要反馈造成其使用延时等。

利用信道互易性的方法，其理论依据是TDD系统的信道互易性。互易理论认为发射机和接收机的位置可以互换，而它们之间的传递函数保持不变。在TDD系统中，上下行频率相同，天线在电和电磁能量间转换的效率在两个方向上是相等的。在两方向信号传输间隔小于相干时间的情况下，这一特性表现为上下行信道传递函数不变。根据信道互易性，下行信道矩阵即为上行信道矩阵的转置，在完成上行信道估计后，BS即可获得下行信道信息，从而减小了信令开销以及由压缩产生的信息失真，避免了传输反馈信息造成的差错，缩短了信道估计结果的使用延时。

然而，信号的实际传输信道不仅包括空间信道，也包括收发信机的射频(RF，Radio Frequency)前端。由于收发信机的射频前端并不完全相同，信道互易性不能直接应用。射频校准成为信道互易性应用的重要环节。

现有技术可分为两类。第一类通过改变硬件实现射频校准，该类方法极大地增加了成本和设计复杂度。第二类属于软件校准方案，主要有两种方法。

第一种方法的思想在于使用矩阵代表MIMO收发信机的RF部分，通过信号测量和信息传递，计算能够补偿收发信机RF差异的补偿矩阵，从而实现RF校准。首先，通信双方X和Y互相发射导频信号，通过信道估计得到两方向通信链路的信道矩阵。其次，通信节点Y(或X)得到的信道矩阵传递到通信节点X(或Y)，使通信节点X(或Y)能够同时获得两方向通信链路的信道信息。再次，通信节点X(或Y)根据两方向通信链路信道矩阵的差异，得到补偿矩阵。最后，补偿不对称的RF电路，直到触发下一次校准。

第二种方法的思想在于每次信号发射均触发一次校准。首先，通信双方X和Y互相发射导频信号，通过信道估计得到两方向通信链路的信道矩阵。然后，通信双方X和Y同时将得到的信道矩阵预乘在前向链路前侧，实现两方向通信链路互易；最后，通信节点X(或Y)利用反向链路信道估计得到的复合信道矩阵获得复合前向链路信道矩阵，进而进行预编码等操作。

上述第一种方法的缺点在于仍然不能避免信道信息在通信节点间的传递，仍然具有不可忽视的信令开销；上述第二种方法的缺点在于需要在每次信号发射时均触发一次校准，每次校准都需要进行两次信道估计，并且每次信号发射都经历了复合的通信信道，增大了通信成本和计算复杂度。除此之外，上述方法均为理想情况下的射频校准方案，在通信一方具有突发干扰的情况下，上述方法不能得以应用。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种在可能存在干扰的环境中实现时分双工无线通信系统信道互易的射频校准方法和装置，以提高校准的准确性并有效减小信令开销。

为解决上述问题，本发明提供技术方案如下：

本发明提供了一种在可能存在干扰的环境中实现时分双工无线通信系统信道互易的射频校准方法，包括如下步骤(如图2所示)：

步骤201：触发射频校准；

步骤202：进行K次射频子校准，得到K组校准因子

步骤203：根据K次子校准结果计算最终校准因子g_ji(g_ij)；

步骤204：一次射频校准结束。

上述校准方法，步骤201中，采用某一固定时长或检测到的下降的通信系统性能触发校准。

步骤202中，假设有通信节点X和Y，且X有N根天线，Y有M根天线，第k次子校准采用的方法为如图3所示。

步骤203中，K次校准的结果中，去除存在突发干扰情况下的校准结果，将剩下的K′组校准因子取算术平均，计算得到最终校准因子g_ji(g_ij)，即：

g_{ji} = \frac{1}{K^{'}} Σ_{k = 1}^{K^{'}} g_{ji}^{k}

或

g_{ij} = \frac{1}{K^{'}} Σ_{k = 1}^{K^{'}} g_{ij}^{k}

本发明提供了一种在上述射频校准方法中对应步骤202的射频子校准方法，包括如下步骤(如图3所示)：

步骤301：通信节点X向Y发射导频信号，通信节点Y向X发射导频信号；

步骤302：通信节点Y通过信道估计获得X到Y的传递函数H_XY，通信节点X通过信道估计获得Y到X的传递函数H_YX；

步骤303：通信节点Y(X)预乘H_XY(H_YX)，向X(Y)发射导频信号；

步骤304：通信节点X(Y)通过信道估计获得H_XY·H_YX(H_YX·H_XY)；

步骤305：通信节点X(Y)通过获得的H_XY·H_YX(H_YX·H_XY)和H_YX(H_XY)获得H_XY(H_YX)；

步骤306：通信节点X(Y)通过

和H_XY(H_YX)获得校准因子

其中，H_XY代表从通信节点X到通信节点Y的传递函数，包括空间信道的传递函数H_CH、通信节点X的RF发射传递函数A、通信节点Y的RF接收传递函数B；H_YX代表从通信节点Y到通信节点X的传递函数，包括空间信道的传递函数

通信节点Y的RF发射传递函数C、通信节点X的RF接收传递函数D(如图4所示)。

代表从矩阵

第j行，第i列得到H_XY第j行，第i列需乘的校准因子；

代表从矩阵

第i行，第j列得到H_YX第i行，第j列需乘的校准因子。

本发明提供了一种时分双工无线通信系统信道互易的射频校准装置，包括：

501：射频校准触发模块，用于射频校准的触发；

502：射频子校准模块，用于进行K次射频子校准过程，并记录每个校准因子

503：校准因子计算模块，用于通过K个校准因子计算最终校准因子；

504：信道校准模块，用于通过最终校准因子对信道进行校准。

本发明提供的时分双工无线通信系统信道互易的射频校准方法和装置引入了多次校准以避免突发干扰造成的校准不准确性，并且在每一次子校准过程中避免了信道信息在通信节点间的传递，完成校准后的系统使用信道互易性代替传统反馈方式可以有效地提高无线通信系统性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是MIMO系统的通信模型。

图2是在存在突发干扰情况下，实现时分双工无线通信系统信道互易的射频校准的基本流程。

图3是时分双工无线通信系统实现每次射频子校准的基本流程。

图4是信道互易性射频校准算法分析模型。

图5是时分双工无线通信系统射频校准装置。

图6是本发明实施例的射频子校准的具体流程。

图7是本发明射频校准过程实施例1的具体流程。

图8是本发明射频校准过程实施例2的具体流程。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下参照附图对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

建立模型

假设一个MIMO系统由一个基站(BS)和一个用户设备(UE)组成，BS的收发信机具有N根天线，UE的收发信机具有M根天线。参照图4，空间信道的传递函数表示为H_CH或

BS发射机和接收机的RF前端分别表示为A和D，UE发射机和接收机的RF前端分别表示为C和B。

其中，

H_{CH} = (\begin{matrix} h_{11} & h_{12} & \cdot \cdot \cdot & h_{1 i} & \cdot \cdot \cdot & h_{1 N} \\ h_{21} & h_{22} & \cdot \cdot \cdot & h_{2 i} & \cdot \cdot \cdot & h_{2 N} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ h_{j 1} & h_{j 2} & \cdot \cdot \cdot & h_{ji} & \cdot \cdot \cdot & h_{jN} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ h_{M 1} & h_{M 2} & \cdot \cdot \cdot & h_{Mi} & \cdot \cdot \cdot & h_{MN} \end{matrix})

H_{CH}^{T} = (\begin{matrix} h_{11} & h_{12} & \cdot \cdot \cdot & h_{j 1} & \cdot \cdot \cdot & h_{M 1} \\ h_{12} & h_{22} & \cdot \cdot \cdot & h_{j 2} & \cdot \cdot \cdot & h_{M 2} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ h_{1 i} & h_{2 i} & \cdot \cdot \cdot & h_{ji} & \cdot \cdot \cdot & h_{Mi} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ h_{1 N} & h_{2 N} & \cdot \cdot \cdot & h_{jN} & \cdot \cdot \cdot & h_{MN} \end{matrix})

H_{BS &RightArrow; UE} = B \cdot H_{CH} \cdot A = (\begin{matrix} b_{1} h_{11} a_{1} & b_{1} h_{12} a_{2} & \cdot \cdot \cdot & h_{1} h_{1 i} a_{i} & \cdot \cdot \cdot & b_{1} h_{1 N} a_{N} \\ b_{2} h_{21} a_{1} & b_{2} h_{22} a_{2} & \cdot \cdot \cdot & b_{2} h_{2 i} a_{i} & \cdot \cdot \cdot & b_{2} h_{2 N} a_{N} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ b_{j} h_{j 1} a_{1} & b_{j} h_{j 2} a_{2} & \cdot \cdot \cdot & b_{j} h_{ji} a_{i} & \cdot \cdot \cdot & b_{j} h_{jN} a_{N} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ b_{M} h_{M 1} a_{1} & b_{M} h_{M 2} a_{2} & \cdot \cdot \cdot & b_{M} h_{Mi} a_{i} & \cdot \cdot \cdot & b_{M} h_{MN} a_{N} \end{matrix})

H_{UE &RightArrow; BS} = D \cdot H_{CH}^{T} \cdot C = (\begin{matrix} d_{1} h_{11} c_{1} & d_{1} h_{21} c_{2} & \cdot \cdot \cdot & d_{1} h_{j 1} c_{j} & \cdot \cdot \cdot & d_{1} h_{M 1} c_{M} \\ d_{2} h_{12} c_{1} & d_{2} h_{22} c_{2} & \cdot \cdot \cdot & d_{2} h_{j 2} c_{j} & \cdot \cdot \cdot & d_{2} h_{M 2} c_{M} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ d_{i} h_{1 i} c_{1} & d_{i} h_{2 i} c_{2} & \cdot \cdot \cdot & d_{i} h_{ji} c_{j} & \cdot \cdot \cdot & d_{i} h_{Mi} c_{M} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ d_{N} h_{1 N} c_{1} & d_{N} h_{2 N} c_{2} & \cdot \cdot \cdot & d_{N} h_{jN} c_{j} & \cdot \cdot \cdot & d_{N} h_{MN} c_{M} \end{matrix})

校准因子g_ji(i＝1…N，j＝1…M)即为从矩阵第j行，第i列得到H_BS→UE第j行，第i列需乘的校准因子。

射频子校准过程

本实施例假定通信的双方为BS和UE。参照图6，BS侧的第k次射频子校准过程为：

步骤601：BS向UE发射导频信号，UE向BS发射导频信号；

步骤602：UE通过信道估计获得BS到UE的传递函数H_BS→UE，BS通过信道估计获得UE到BS的传递函数H_UE→BS；

步骤603：UE预乘H_BS→UE，向BS发射导频信号；

步骤604：BS通过信道估计获得H_BS→UE·H_UE→BS；

步骤605：BS通过获得的H_BS→UE·H_UE→BS和H_UE→BS获得H_BS→UE；

步骤606：BS通过

和H_BS→UE获得校准因子

上述步骤即为通信双方为BS和UE情况下射频子校准过程的具体过程，应当说明的是，通信双方可为任意的通信节点，基站、用户设备以及中继等，且该方法不仅适用于MIMO通信系统，也适用于单输入多输出(SIMO，Single Input Multiple Output)、多输入单输出(MISO，Multiple Input Single Output)以及单输入单输出(SISO，Single Input Single Output)系统。

射频校准过程

实施例1：

步骤701：触发射频校准；

步骤702：进行K次射频子校准，得到K组子校准因子

步骤703：去除存在突发干扰情况下的校准因子，即与其他子校准因子偏差较大的子校准因子，最终得到K′组子校准因子；

步骤704：计算校准因子，具体为：

g_{ji} = \frac{1}{K^{'}} Σ_{k = 1}^{K^{'}} g_{ji}^{k}

步骤705：一次射频校准结束。

实施例2：

本实施例假设突发干扰出现的概率较低，即认为两次射频子校准过程至少有一次不存在突发干扰，设定K＝3，k的取值上限为K，以进行最少次射频子校准过程为原则，具体实施流程如图8所示。

步骤801：触发射频校准；

步骤802：进行第1次射频子校准，得到

步骤803：进行第2次射频子校准，得到

步骤804：判断上述两次子校准过程是否存在突发干扰，判断方法可以表示为：

小于某值则认为不存在突发干扰，进入步骤805，否则，进入步骤806；

步骤805：得到射频校准因子g_ji，具体为：

g_{ji} = \frac{1}{2} (g_{ji}^{1} + g_{ji}^{2})

进入步骤809；

步骤806：进行第3次射频子校准，得到

步骤807：寻找上述三次射频子校准过程不存在突发干扰两次子校准，判断方法可以表示为：

小于某值则认为第1次与第3次子校准不存在突发干扰，否则认为第2次与第3次子校准不存在突发干扰；

步骤808：得到射频校准因子g_ji，具体为：

g_{ji} = \frac{1}{2} (g_{ji}^{1} + g_{ji}^{3})

或

g_{ji} = \frac{1}{2} (g_{ji}^{2} + g_{ji}^{3})

步骤809：得到校准因子g_ji，射频校准结束。

应当说明的是，以上只是本发明的两个具体实施例，使用K组子校准因子得到最终校准因子g_ij的方法均属于本发明保护范围。

综上所述，本发明实施例对时分双工无线通信系统的射频不对称现象进行了校准，提供的校准方法有效地避免了信道信息在通信节点间的传输，并且考虑了存在突发干扰情况下的校准，使得信道互易性得以在时分双工无线通信系统中应用，减小了信令开销，提高了系统性能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。