CN102342040A - 用于相干网络mimo的天线同步 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对分布在无线传输系统(1b)的不同位置处的多个RF天线站(3a到3i)的RF天线信号(5a到5i)进行同步的方法，该方法包括：在位于无线传输系统(1b)的中央单元(2)的参考振荡器(6)中生成参考信号(7)，经由多个光纤链路(9a”到9i”)将参考信号(7)作为光信号从中央单元(2)传输到RF天线站(3a到3i)，使用所传输的参考信号(7)对不同天线站(3a到3i)的RF天线信号(5a到5i)进行同步。本发明还涉及无线传输系统(1b)。

Description

用于相干网络MIMO的天线同步
技术领域
本发明涉及对分布在无线传输系统中的不同位置处的多个RF天线站的RF天线信号进行同步的方法。本发明还涉及适用于执行该方法的无线传输系统。
背景技术
在诸如蜂窝网络的无线传输系统中，尤其是在每个小区都使用同一频谱的频率重用系统中，相干网络MIMO(多输入/多输出)带来频谱效率的显著提高。在这种情况下，系统性能通常受限于小区间干扰。
为了在下行链路方向，即从RF天线站到移动站，从相干网络MIMO传输获得最大收益，位于远程的天线站的天线(例如位于多个协同工作的基站或同一基站的远端射频头(Remote Radio Heads))应当传输具有相关相位的无线信号(作为“已校准天线”)。
为此，需要用于保持RF天线信号的同步的方法，该方法将RF天线信号(相位抖动)之间的偏差限制为小于约100ms数量级的时间帧上的RF时间段的一部分。该时间段足够长以允许反馈机制来控制相位。无线信号的载波频率通常在用于蜂窝应用的1到5GHz之间，天线之间的间隔可以是例如500米到1千米的数量级，对于宏蜂窝环境甚至更高。
已知的用于同步基站的方法是例如基于使用以太网回程链路或者基于使用GPS时钟参考，接下来简短的描述这两种方式：
使用IEEE 1588或CPRI接口(以太网回程链路)：
在基于以太网(或基于协议)的同步类型中，有一种根据IEEE1588的方法，以及另一种基于CPRI接口的方法。这种类型的方法可以达到精确至零点几微秒的同步，但它们不能够将远程天线保持校准到上述要求。
使用GPS参考信号：
在GPS的例子中，主时钟(主振荡器)位于GPS系统的卫星中，GPS卫星接收机单元提供10MHz参考信号。GPS接收机安装于每个提供控制振荡器的信号的天线站。
然而，这两种方法，即GPS和IEEE 1588，都由于另一个理由而不够精确，即，使用锁相环(PLL)从具有非常低的频率的参考信号来生成RF载波信号。
假定将使用PLL从10MHz参考信号来导出2GHz的RF信号，PLL带内相位噪声将达到20log(2GHz/10MHz)＝46dB。然而，现有的RF-无线信道网格处于从100KHz上至1MHz的范围内，因而PLL带内相位噪声将在例如100KHz的参考频率处增加到86dB。这将在任何远端射频头中的单独RF-(LO)振荡器内导致巨大的非相关相位偏差，以及在空中接口上导致不期望且不相关的无线方向图(类似于SDMA(空分多址)方向图)。
因此，在传输过程中协同工作的所有天线需要使用从主振荡器导出的、其频率为载波频率数量级的信号的精确同步。
存在一种商业上可用的解决方案，其通过使用结合了铷(Rb)时钟的GPS信号来进行这样的同步。在这种情况下，非常精确的(铷)时钟由GPS信号进行外部同步。然而，由于铷时钟的使用，该方案过于昂贵从而对于许多应用来说并不适用。
发明内容
根据一个方面，提供了一种如介绍部分描述的方法，该方法包括如下步骤：在位于无线传输系统的中央单元的参考振荡器中生成参考信号，经由光纤链路将参考信号作为光信号从中央单元传输到RF天线站，以及使用传输的参考信号对不同天线站的RF天线信号进行同步，例如将传输的参考信号用作每个天线站的公共时钟信号。通过这种方式，不同天线站的RF天线信号可以以可靠且经济的方式得到同步。
发明人提出使用光链路从位于中央站的“主”振荡器向“从”天线站经由光纤链路传输参考/时钟信号。发明人已发现本方法实现的时钟同步的精度由短期抖动决定。该短期相位抖动(由于光路径长度的差异)的最大一部分是由所使用光纤的极化模式色散(PMD)引起的。极化模式色散在0,1/0,5ps/√km的数量级，站间距为20km时，总和为0,45/2,25ps。该数值远低于在100ms测量周期中所需的50ps的色散数值。
因而，本发明提供了一种用于远程天线的相位同步(校准)的方法，因此由于远程天线的相位稳定到使得可以使用移动站和基站之间的反馈环路通过空中接口上的中等传输开销来控制无线信道的程度，所以实现了类似LTE FDD的系统的下行链路中的相干网络MIMO的应用。
在包含作为中央单元的节点B且天线站具有远端射频头的配置的情况下，已经部署了针对数字基带信号的光纤链路。在包含传统节点B和光纤回程的无线接入网的情况下，也可以实现同样的同步方法。特别地，多个协同工作的基站(节点B)可以作为天线站，通信网络的具有参考振荡器的中央站可以为多个基站提供参考信号。本领域技术人员将会理解节点B(天线站)中的一个可以作为中央站/中央单元(主单元)，为其他节点B(从)提供参考信号。上面所述的方法还可应用于多组件天线。在这种情况下，时钟分发，参考信号的分别分发由光背板提供。
在一种变形中，该方法进一步包括：产生具有RF频率的参考信号，特别是在GHz范围内，优选地使用参考信号产生RF天线信号中的至少一个的载波信号。参考信号的频率典型地具有载波信号的频率大小的数量级。特别地，参考信号的频率可以等于载波信号的频率，或者是载波信号频率的一半。
参考信号可用作精确参考(时钟信号)，或者它也可以直接用于产生RF天线信号的载波信号。可以理解，在后面这种情况下参考信号可以在被用作载波前被放大/再生。
在另一种变形中，该方法进一步包括：从中央单元向RF天线站传输数据信号。典型地，数据信号例如通过光纤作为数字信号传输。当然，也可以在光纤(例如同轴电缆)上使用RF天线信号的已知模拟传输。然而，这样的模拟传输将导致失真。本领域技术人员将会理解，相比于通常对于所有RF天线站来说公共的参考信号，典型地向不同的RF天线站传输不同的数据信号。对于MIMO应用，数据信号通常包含相同的用户数据，虽然相位不同。
在该变形的进一步扩展中，数据信号和参考信号在单独的光纤链路上传输。在这种情况下，参考信号的传输与数据信号的传输可以独立进行。
在该变形的另一种扩展中，数据信号和参考信号在同一光纤链路上传输。如上所述，有可能已经部署了用于基带信号传输的光纤链路，该链路也可以用于传输参考信号。对于在同一光纤链路上并发地传输数据信号和参考信号，存在几种可选项：
第一种选项是进行波分复用WDM，在同一光纤链路上的不同波长处传输数据信号和参考信号。在这种情况下，可以使用(码)WDM方案分离数字数据信号和参考信号。
第二种选项是在同一光纤链路上进行电复用来传输数据信号和参考信号。当应用该选项时，模拟RF参考信号可以在数字基带数据信号的顶端调制，分别在中央站的光发射器和RF天线站的光接收器处使用电插入/解插入(复用)。使用这一方法，可以无需部署第二光纤或WDM分路器/合路器装置。由于光纤链路一般相对较短(例如小于20或10km)，所以电复用是可行的，因而很大地节约了光链路预算。
本发明的第二个方面实现于无线传输系统中，包括：多个布置于不同位置的RF天线站，每个RF天线站具有至少一个用于生成RF天线信号的RF天线；中央单元，包括用于生成参考信号的参考振荡器；以及用于从中央单元向多个RF天线站传输参考信号的多个光纤链路，其中RF天线站适用于使用所传输的参考信号来对不同RF天线站的RF天线信号进行同步。
在如上所述的无线传输系统中，参考信号可以以仅包括单一波长的光信号的方式提供。可替代地，参考信号可以包括两个或更多具有不同波长的分量。在这种情况下，RF天线站包括用于生成时钟参考(频率)的混频器，例如作为参考信号的两个分量之间的差。该方法可以减少由于光纤的光路长度变化引起的相位波动，从而减小接收到的参考信号的抖动。
在一个实施方式中，参考振荡器适用于生成具有RF频率的参考信号，特别是在GHz范围。参考信号的频率应当处于RF天线信号的载波信号的幅度的数量级，以进行足够精确的同步。典型地，参考振荡器适用于生成模拟电信号，将该模拟电信号进行电/光转换以通过光纤传输。
在进一步的实施方式中，至少一个RF天线站适用于使用参考信号生成RF天线站的RF天线信号的载波信号。使用参考信号作为载波信号的最简单的方式是提供具有载波信号频率的参考信号，从而参考信号可以直接用作载波信号(可能是在RF天线站中重新放大/再生之后)。
无线传输系统的另一个实施方式适用于从中央单元向RF天线站传输数据信号。
在该实施方式的一个扩展中，无线传输系统包括至少一个额外的用于从中央单元向RF天线站传输数据信号的光纤链路。
在另一扩展中，无线传输系统进一步包括波分复用WDM装置(复用器/解复用器)，用于在同一光纤链路上使用不同波长传输参考信号和数据信号。光复用可以使用合适的分路器/合路器装置来进行。
在一个实施方式中，无线传输系统进一步包括用于在同一光纤链路上组合传输参考信号和数据信号的电复用装置。当进行电复用时，在光纤链路上传输的信号可以例如包括数据信号作为大信号分量，模拟参考信号作为小信号分量。
可以理解，例如当具有不同类型的装置的RF天线站连接到同一中央站时，例如如上所述(通过单独的光纤，使用光或电复用)的传输光信号的不同的可能方式可以在同一传输系统中实现。
在一个实施方式中，每个光纤链路的长度小于20km，优选地小于10km。如上所述，如果可能，光纤链路的长度不应超过这些数值，以保证可以高精度地进行时钟同步。
进一步的特征和优点在接下来的展现了重要细节的示例性实施方式的说明中结合附图进行表述，并且由权利要求进行定义。单独的特征可以分别单独实现，或者它们中的几个可以以任何希望的组合的方式实施。
附图说明
示例性的实施方式在附图中展示并在后续的说明书中进行解释。附图示出了：
图1示出了使用单独的光纤来传输数据信号和参考信号的无线传输系统的第一实施方式的示意图，
图2示出了使用单个光纤来利用WDM传输数据信号和参考信号的无线传输系统的第二实施方式的示意图，以及
图3示出了使用单个光纤来利用电复用传输数据信号和参考信号的无线传输系统的第三实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示出了无线传输系统1，其具有基站(在本例中是节点B)形式的中央单元2，和设置在远离中央单元2(例如距离中央单元2大约1km)的不同位置的远端射频头RRH形式的多个RF天线站3a，......，3i。每个RF天线站3a，......，3i包括至少一个用于生成/传输对应的RF天线信号5a，......，5i的RF天线4a，......，4i。
为了在下行链路方向上从相干网络MIMO传输获取最大收益，位于远程RF天线站3a，......，3i的RF天线4a，......，4i应当使用相关相位来传输RF天线信号5a，......，5i，即要求使用公共时钟/参考信号来对RF天线信号5a，......，5i进行同步。
为了向RF天线4a，......，4i提供这样的公共时钟信号，中央单元具有用于生成模拟(电)参考信号7的参考振荡器6。在通过电/光发射器8(例如激光二极管)传送参考信号7之后，参考信号7在光纤链路9a上传输到RF天线站中的第一个RF天线站3a。在本例中，参考信号7被提供给RF天线站3a的具有用于光/电转换的PIN光学二极管的RF调制器10a。
此外，数字数据信号11也经由单独的光纤12a从中央单元2传输到第一RF天线站3a。数据信号11生成于中央单元2的数字基带单元13中，并在使用半导体(激光)二极管的数字电/光发射器14中准备用于光传输，数据信号11的光功率由数据信号7进行调制。RF天线站3a具有用于使用例如PIN光学二极管将数字光数据信号11转换为模拟电数据信号的数字/模拟和光/电转换器15a。
在将数据信号11和参考信号9传输到RF天线站3a之后，这两者都被用于生成RF天线信号5a，RF天线信号5a与其他RF天线站5b，......，5i的RF天线信号5b，......，5i进行同步。
为了这一目的，参考信号9先被再生和/或放大(例如在RF调制器10a中)，然后用作RF天线信号5a的载波信号，数据信号11被转化为模拟格式并用于对载波信号进行调制。可以理解，为了将参考信号7用作载波信号，在最简单的情况下，参考信号7的频率对应于载波的频率(在GHz范围内)。
然而，也有可能参考信号7的频率只是处在载波信号大小的数量级，例如是载波频率的一半。在这种情况下，例如使用PLL的上变频可以应用到参考信号7，只要参考信号7的频率没有显著偏离于载波信号频率，即典型地参考信号的频率至少是载波频率的1/10，就可以使用上变频。
可替代地，可以理解的是，参考信号7可以仅用作用于在RF天线站3a中生成RF天线信号5a的精确时钟参考。还可以使用具有多于一个，例如两个光波长的参考信号，通过例如减去RF天线站3a中的所传输的参考信号7的两个波长分量，来从参考信号7重建参考频率。在任何情况下，当使用参考信号7作为时钟参考时，不同天线站3a到3i的RF天线信号5a到5i能够被同步。
可以理解，在图1所示的实施方式中，数据信号11的传输可替代地能够在标准RF电缆上进行，即数据信号11可以作为电信号从中央站2传输到RF天线站3a到3i。
图2示出了无线传输系统1a的替代实施方式，该系统仅有一个光纤9a’将中央站2连接到RF天线站3a。在这种情况下，数据信号11和参考信号7两者使用不同的波长都在光纤9a’上传输，(C)WDM复用器16和(C)WDM解复用器17被设置在中央站2和RF天线站3a，用于分别组合/分离数据信号11和参考信号7的波长。
在图3中示出了另一传输系统1b，其也具有单个光纤9a”用于将参考信号7和数据信号11传输到第一RF天线站3a。然而，相比于图2所示的传输系统1a，传输系统1b包括位于中央站2的电/光发射器18和位于第一RF天线站3a的电-光接收器19a。电调制器18、19a用于通过在数字基带信号11上调制模拟参考信号7来进行电插入和解插入。
在如上所述的所有无线传输系统1、1a、1b中，RF天线站3a到3i将使用从中央振荡器6而不是本地参考振荡器传输来的参考信号7作为参考。可以理解，尽管在图1到3中，RF天线站3a到3i的结构相同，图1到3所示的参考信号7和数据信号11的传输类型可以是混合的。例如，RF天线站3a到3i中的一些可以通过单个光纤9a连接到中央站2，而其他的可以不是。
在这种情况下可以理解，中央站2处的装置必须适用于该目的。在这方面，本领域技术人员将会理解，尽管示出的是单个波分复用器16和单个电复用器18，还可以在中央站2部署更多的这些设备，以通过单独的光纤链路(为了简洁而仅示出了它们中的一个(9i、9i’、9i”))为剩余的RF天线站3b到3i服务。
在任何情况下，为了对不同天线站3a到3i的RF天线信号5a到5i进行同步，用于传输参考信号的光纤链路9a、9a’、9a”的长度不应超过大约20km，优选的不应超过10km，因为通过使用这样的光纤长度，有助于实现RF天线信号5a到5i的同步，由具有不同路径长度的光纤中的极化模式色散导致的相位抖动小到足以允许通过RF天线站3a到3i和接收RF天线信号5a到5i的移动站(未示出)之间的反馈机制来进行补偿，从而以想要的方式控制它们的相位。
本领域技术人员将会理解，尽管如上所述的传输系统1、1a、1b使用基站(节点B)作为中央站，远端射频头(RRH)作为RF天线站3a到3i，也可以将多个协同工作的基站(节点B)用作天线站，包括参考振荡器的通信网络的中央站服务于这多个基站。并且，如上所述的方法和系统可应用于具有包括参考振荡器的中央单元的多组件天线，或者应用于其他适用的装置。
简而言之，如上所述的方法实现了类似LTE FDD的系统的下行链路中的相干网络MIMO的应用，这是因为远程RF天线的相位稳定到可以使用移动站和基站(例如节点B)之间的反馈环路通过空中接口上的中等传输开销来控制无线信道的程度。
上述优选实施方式的说明是以示例的方式给出的。从给出的说明，本领域技术人员不仅理解本发明及其附加优点，还将能够找到对所公开的结构和方法的显而易见的各种变化和修改。因此，申请人寻求覆盖所有这些由附加的权利要求定义的变化和修改及其等同形式。

Claims (12)

1.一种对分布在无线传输系统(1、1a、1b)的不同位置处的多个RF天线站(3a到3i)的RF天线信号(5a到5i)进行同步的方法，该方法包括：
在位于所述无线传输系统(1、1a、1b)的中央单元(2)的参考振荡器(6)中生成参考信号(7)，
经由光纤链路(9a、9a’、9a”、......)将参考信号(7)作为光信号从所述中央单元(2)传输到所述RF天线站(3a到3i)，并且使用所传输的参考信号(7)对不同天线站(3a到3i)的RF天线信号(5a到5i)进行同步，
其特征在于
生成具有RF频率的参考信号(7)，特别是在GHz范围内，并且使用所述参考信号(7)生成RF天线信号(5a到5i)中的至少一个RF天线信号的载波信号。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：从所述中央单元(2)向所述RF天线站(3a到3i)传输数据信号(11)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述数据信号(11)和所述参考信号(7)在单独的光纤链路(9a、12a)上传输。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述数据信号(11)和所述参考信号(7)在同一光纤链路(9a’、9a”、......)上传输。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：执行波分复用WDM以在同一光纤链路(9a’)的不同波长上传输所述数据信号(11)和所述参考信号(7)。
6.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：执行电复用以在同一光纤链路(9a”)上传输所述数据信号(11)和所述参考信号(7)。
7.一种无线传输系统(1、1a、1b)，包括：
位于不同位置处的多个RF天线站(3a到3i)，每个天线站(3a到3i)具有至少一个用于产生RF天线信号(5a到5i)的RF天线(4a到4i)，
中央单元(2)，其包括参考振荡器(6)用于产生参考信号(7)，以及
多个光纤链路(9a、9a’、9a”、......)，其用于从所述中央单元(2)向所述多个RF天线站(3a到3i)传输所述参考信号(7)，
其中所述RF天线站(3a到3i)适用于使用所传输的参考信号(7)对不同RF天线站(3a到3i)的RF天线信号(5a到5i)进行同步，其中
所述参考振荡器(6)适用于生成具有RF频率的参考信号(7)，特别是在GHz范围内，并且至少一个RF天线站(3a到3i)适用于使用所述参考信号(7)生成所述RF天线站(3a到3i)的RF天线信号(5a到5i)的载波信号。
8.根据权利要求7所述的无线传输系统，适用于从所述中央单元(2)向所述RF天线站(3a到3i)传输数据信号(11)。
9.根据权利要求8所述的无线传输系统，进一步包括至少一个附加光纤链路(12a)，其用于从所述中央单元(2)向所述RF天线站(3a到3i)传输所述数据信号(11)。
10.根据权利要求8所述的无线传输系统，进一步包括波分复用WDM装置(16、17a到17i)，其用于在同一光纤链路(9a’)上使用不同波长传输所述参考信号(7)和所述数据信号(11)。
11.根据权利要求8所述的无线传输系统，进一步包括电复用装置(18、19a到19i)，其用于在同一光纤链路(9a”)上组合传输所述参考信号(7)和所述数据信号(11)。
12.根据权利要求7所述的无线传输系统，其中所述光纤链路(9a、9a’、9a”、......)的长度小于20km，优选地小于10km。
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