CN103053072B - 有源天线阵列和用于中继无线电信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开内容教导了一种用于移动通信网络的有源天线阵列。该有源天线阵列包括基带单元、至少由一个天线元端接的多个收发器单元和至少一条链路。该链路将该多个收发器单元中的各个耦合至基带单元。该链路是数字链路且适合于以可选择的有效载荷速率中继有效载荷信号。当该定时信号T被嵌入在可选择的有效载荷速率的有效载荷内时，该数字链路还适合于中继固定定时速率的定时信号。本公开内容还教导了用于中继无线电信号的方法和用于制造有源天线阵列和用于执行该方法的计算机程序。

Description

有源天线阵列和用于中继无线电信号的方法
其他申请的交叉引用
本申请要求于2010年6月3日提交的美国专利申请12/792,936号的优先权和权益。本申请涉及于2009年10月12日提交的美国专利申请12/577,339号，“无线电系统和用于中继无线电信号的方法(A RADIOSYSTEM AND A METHOD FOR RELAYING RADIO SIGNALS)”。本申请还涉及与之同时提交的标题为“有源天线阵列和通过同步数字数据接口中继无线电信号的方法(ACTIVE ANTENNA ARRAY AND METHOD FORRELAYING RADIO SIGNALS WITH SYNCHRONOUS DIGITAL DATAINTERFACE)”的美国专利申请。上述每个专利申请的全部公开内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明的领域涉及用于中继无线电信号的有源天线阵列。本发明的领域还涉及用于在移动通信网络内中继无线电信号的方法。此外，本发明的领域涉及使工厂能够制造有源天线阵列的计算机程序产品和使处理器能够执行用于在移动通信网络内中继无线电信号的方法的计算机程序产品。
背景技术
移动通信网络的使用在过去十年已经增加。移动通信网络运营商已经增加基站数量以满足移动通信网络用户增加的业务需求。基站通常被耦合至(有源)天线阵列。无线电信号通常被中继至移动通信网络的小区内，反之亦然。移动通信网络运营商有意于降低基站的运营成本。将无线电系统实施为天线嵌入式无线电系统不失为一种选择。使用形式为有源天线阵列的天线嵌入式无线电系统，无线电系统的一些硬件部件可以在一个芯片上实现。因此，有源天线阵列降低了基站的成本。将无线电系统实施为天线嵌入式无线电系统减少了容纳基站硬件部件所需的空间。当实施天线嵌入式无线电系统时，无线电系统常规操作过程中的功耗显著降低。
随着用户数量的增加，有意向移动通信网络的各个用户提供可靠的服务质量。已提出了若干技术以处理移动通信网络内增加的用户数量。该若干技术之一包括在不同方向定向由有源天线阵列中继的波束的波束形成能力，进而增加移动通信网络小区内的服务覆盖。波束形成技术依赖于在有源天线阵列的若干天线元之间的规定相位和振幅关系。将发射路径和/或接收路径与至少一个天线元关联。需要校准发射路径和/或接收路径以提供各天线元之间的规定相位、振幅和延时关系。该校准允许估计沿着有源天线阵列的各条发射路径累积的相位、振幅和延时偏移。类似地，该校准包括估计沿着各条接收路径累积的相位、振幅和延时偏移。在第二步中，可以校正沿着发射路径累积的相位、振幅和延时偏移。可以将适当的相位和振幅改变施加于各条发射/接收路径以产生有源天线阵列的各条发射/接收路径之间的规定相位和振幅关系，从而允许波束形成技术。
在现代移动通信网络内，将有效载荷信号作为分组化有效载荷信号提供给有源天线阵列。当将分组化有效载荷信号提供给数字无线电接口时，分组化有效载荷信号的分组具有规定的时序。在有源天线阵列内，可以将一些(数据)处理应用于分组化有效载荷信号。该(数据)处理通常包括分组化有效载荷信号通过由PLL同步的若干缓冲器和时钟域。使用该数据处理，每次重启(重置)系统时，分组流的定时可能发生改变。在现有技术中，使用非分组化信号，在无线电站制造过程中校准无线电站中继时非分组有效载荷信号传播所沿的发射路径是可能且通常的实施方式。
有源天线阵列的相干中继所关注的是直到由有源天线阵列的天线元中继相应的无线电信号，由抵达数字无线电接口的无线电信号所经历的延时。该延时影响各个天线元之间的相位关系以及基于位置的服务。该延时受电缆长度等因素的任何改变的影响。
在现有技术中，只要该有源天线阵列的元件，例如电缆，被替换就必需重新校准有源天线阵列。在现有技术中重新校准昂贵且耗时。
美国专利6,693,588B1(转让给西门子公司)公开了电子相控群天线。该电子相控群天线通过使用由全部参考信号共享的参考点校准。在下行链路中，可以被彼此区分的那些参考信号由该群天线的各个天线元同时发射，并在共享参考点上接收之后被适当地分离。
美国专利‘588的西门子系统公开了天线元的固定空间配置。
图1a示出根据现有技术的无源天线阵列1a。基站5将基站信号7提供给无源天线阵列1a。数字接口在基站5和无源天线阵列1a的中央基带处理单元10之间承载基站信号7。中央基带处理单元10将发射信号Tx转发给功率放大器60以放大该发射信号Tx。可以理解，发射信号Tx通常在移动通信系统的发射带内提供。从中央基带处理单元10的信号输出的是模拟域内的发射信号。进入放大器60的发射信号Tx需要上变频至无源天线阵列1a的发射带。如果该发射信号Tx处于数字域内，则发射信号Tx还需要数模转换。然后该数模转换在由放大器60放大之前由数模转换器(未示出)执行。从放大器60输出的模拟发射信号被转发给各条发射路径。每条发射路径包括将模拟发射信号转发给一个天线元85-1、85-2、……、85-N的双工滤波器25-1、25-2、……、25-N。应注意，一个以上天线元85-1、85-2、……、85-N可以被耦合至一个双工滤波器25-1、25-2、……、25-N。在进入各个双工滤波器25-1、25-2、……、25-N之前，模拟发射信号通过无源馈线网络40a。该无源馈线网络40a在由各个天线元85-1、85-2、……、85-N端接的各条发射路径之间施加固定的相位、振幅和/和延时关系。该无源馈线网络40a在波束形成方面只提供很少的灵活性。无源馈线网络40a内元件的任何改变将要求自放大器60至各个双工滤波器25-1、25-2、……、25-N的路径的重新校准。可以理解，各条发射路径自放大器60穿过无源馈线网络40a和一个双工滤波器25-1、25-2、……、25-N，并端接于一个天线元85-1、85-2、……、85-N上。
无源天线阵列1a的各条接收路径自各个天线元85-1、85-2、……、85-N开始经由双工滤波器25-1、25-2、……、25-N和无源馈线网络40a，作为总接收信号Rx抵达接收放大器70。该总接收信号Rx由无源馈线网络40a所组合的在天线元85-1、85-2、……、85-N上接收的各个接收信号形成。该馈线网络40a在各个天线元85-1、85-2、……、85-N上接收的接收信号之间施加的固定相位、振幅和延时关系。因此，各个接收信号的波束形成能力受限于无源馈线网络40a。
接收信号Rx在模拟域内。如在现有技术中已知的，来自天线元的各接收信号可能已经历双工滤波器25-1、25-2、……、25-N的滤波。接收信号Rx由接收放大器70放大并使用诸如西格玛-德尔塔模数转换器等模数转换器(未示出)进行模数转换。自接收放大器70抵达中央基带处理单元10的信号通常处于无源天线阵列1a的基带内。来自接收放大器70的接收信号可以处于无源天线阵列1a的基带和无源天线阵列1a的发射带之间的中间频带内。中央基带处理单元10可以对数字接收信号施加一些数字信号处理，例如对数字接收信号进行滤波，并将基带内的数字接收信号转发给基站5。
图1b示出根据现有技术的有源天线阵列1a的变型。如图1b所示的系统通常等同于将现有技术的远程无线电头端(RRH)与公知的基站天线组合在公用外壳内。基站信号7包括自中央基带处理单元10被转发至基站5的接收信号。在图1b中，用单个双工器25替代图1a中的各条发射路径的双工滤波器25-1、25-2、……、25-N。可以理解，图1b的系统比图1a所示的系统更具成本效益。
沿着数字接口转发基站5和中央基带处理单元10之间的发射信号和接收信号。可以用同相分量I和正交分量Q提供发射信号和/或接收信号。可以根据包括但并不限于由开放基站架构接口(OBASI)设置的标准格式或者以公共协议无线电接口(CPRI)格式来提供同相分量I和正交分量Q。
图2示出根据现有技术的有源天线阵列1a。图2中的有源天线阵列1a并不包括图1所示的无源馈线网络40a。相反地，天线元85-1、85-2、……、85-N是端接收发器单元20-1、20-2、……、20-N。收发器单元20-1、20-2、……、20-N包括用于每个收发器单元20-1、20-2、……、20-N的放大器60-1、60-2、……、60-N。类似地，收发器单元20-1、20-2、……、20-N包括用于每个收发器单元20-1、20-2、……、20-N的各个接收放大器70-1、70-2、……、70-N。中央基带处理单元10将各个发射信号Tx-1、Tx-2、……、Tx-N自中央基带单元10转发给各个放大器60-1、60-2、……、60-N。各个发射信号Tx-1、Tx-2、……、Tx-N通常处于模拟域内且在有源天线阵列1a的发射带内。如上文所释，通常由中央基带处理单元10执行模数转换。在各个天线元85-1、85-2、……、85-N上接收的接收信号在各个接收放大器70-1、70-2、……、70-N上被放大并作为各个接收信号Rx-1、Rx-2、……、Rx-N被转发至中央基带处理单元10。该各个接收信号Rx-1、Rx-2、……、Rx-N由中央基带处理单元10组合。各个接收信号Rx-1、Rx-2、……、Rx-N的组合在基带域内执行。该各个接收信号Rx-1、Rx-2、……、Rx-N处于模拟域内。中央基带处理单元10通常执行模数转换。该中央基带处理单元10将该各个接收信号Rx-1、Rx-2、……、Rx-N组合成全局接收信号，该全局接收信号通常被转发给基站5。
该各个发射信号Tx-1、Tx-2、……、Tx-N处于模拟域和有源天线阵列1a的发射带内。该各个发射信号Tx-1、Tx-2、……、Tx-N由中央基带处理单元10生成。各个发射信号Tx-1、Tx-2、……、Tx-N的划分可以在数字域或模拟域内执行。如图2所示的有源天线阵列1a得知于例如用在RADAR应用或磁共振成像中的相位阵列天线。
相位阵列天线1a也可以在接收情况下形成。各个接收信号Rx-1、Rx-2、……、Rx-N由各个接收放大器70-1、70-2、……、70-N放大并由中央基带处理单元10组合成总接收信号。总接收信号的组合可以在数字域和/或模拟域内执行。然而，为了操作此类相位阵列天线，即如图2所示的有源天线阵列1a，需要小心地校准在各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间的相位、振幅和延时关系，以便实现由有源天线阵列1a延时的预期波束。如果有源天线阵列1a的实施基本上建立在模拟域内，则难于校准有源天线阵列1a，已知的解决方案通常庞大且昂贵。
发明内容
本发明涉及用于移动通信网络的有源天线阵列。该有源天线阵列包括基带单元、多个收发器单元和至少一条链路。该基带单元被耦合至基站5。该多个收发器单元至少由一个天线元端接。因此，一个收发器单元可以由一个以上天线元端接。该至少一条链路将该多个收发器单元中的各个耦合至基带单元。该至少一条链路是数字链路且适合于以可选择的有效载荷速率中继有效载荷信号。该至少一条链路还适合于中继固定定时速率的定时信号。该定时信号T被嵌入在可选择的有效载荷速率的导频信号内。
本发明还涉及在移动通信网络内中继无线电信号的方法。该方法包括生成固定定时速率的全局定时信号。响应于自基站接收的有效载荷信号生成该全局定时速率。该方法包括将全局定时信号嵌入在可选择的有效载荷速率的至少一个有效载荷信号内。该方法还包括在至少一条链路上转发至少一个有效载荷信号。该方法进一步包括自全局定时信号提取至少一个收发器单元的至少一个本地定时信号的步骤。该方法进一步包括根据一个本地定时信号中继该至少一个有效载荷信号。该可选择的有效载荷速率是独立于下一定时速率可选择的。
本公开文本进一步涉及一种计算机程序产品，包括非易失计算机可用介质，具有在其中存储的控制逻辑，其用于使计算机制造本公开内容的用于移动通信网络的有源天线阵列。
本公开文本进一步涉及一种产品，包括非易失计算机可用介质，具有存储在其中的控制逻辑，其用于使计算机如根据本公开文本所公开的在移动通信网络内中继无线电信号。
附图说明
图1a示出现有技术的有源天线阵列。
图1b示出现有技术的有源天线阵列的变型。
图2示出根据现有技术的有源天线阵列的另一方面。
图3示出该有源天线阵列的第一方面。
图4示出该有源天线阵列的另一方面。
图5示出包括反馈路径的有源天线阵列1。
图6示出包括反馈路径的有源天线阵列的另一方面。
图7示出在离散频率上振幅偏移和相位偏移的测量。
图8示出用于带内发射相位补偿的预加重的概念。
图9示出用于带内接收相位补偿的均衡。
图10图示中继无线电信号的方法。
图11图示补偿偏移的步骤。
具体实施方式
现在将根据附图描述本发明。可以理解，在此描述的实施例和方面仅是示例，并不以任何方式限制权利要求的保护范围。本发明由权利要求书及其等同物来定义。还可理解，一个方面的特征可以与不同方面的特征组合。
图3示出根据本公开的有源天线阵列1。该有源天线阵列1与现有技术的有源天线阵列1a(参见图1和图2)的不同之处在于该收发器单元20-1、20-2、……、20-N包括将在下文解释的各个时钟。在图3中，链路40-1、40-2、……、40-N将中央基带处理单元或基带单元10耦合至各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N。因此，将各个发射信号Tx-1、Tx-2、……、Tx-N转发给收发器单元20-1、20-2、……、20-N，已不再处于模拟域内(如根据图1和图2所知的)。类似地，来自收发器单元20-1、20-2、……、20-N的各个接收信号被转发给中央基带处理单元10时也在数字域内。链路40-1、40-2、……、40-N是数字链路。在中央基带处理单元10和收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间的链路40-1、40-2、……、40-N是异步的。使用可变长度的数据帧或分组长度交换数据。没有与数字有效载荷信号或基站信号7同步的恒定比特流。
每条链路40-1、40-2、……、40-N以可选择的有效载荷速率Pr中继各有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N。使用可变分组长度可以实现可选择的有效载荷速率。基站5转发包括通常在恒定采样率上的基站信号7的数据流。可以选择用于一条链路40-1、40-2、……、40-N的有效载荷速率Pr。如下文将要解释的，对于该条链路40-1、40-2、……、40-N而言，有效载荷速率Pr可以随着时间变化。
第一分组可按第一分组长度在该条链路40-1、40-2、……、40-N上被中继，第二分组可按第二分组长度在相同链路40-1、40-2、……、40-N上被中继。因此，链路40-1、40-2、……、40-N上的最大有效载荷速率的部分也是可以实现的。使用不同的分组长度可以实现最大有效载荷速率的部分。当使用不同分组长度时，链路40-1、40-2、……、40-N允许突发型传输。最大有效载荷速率可为在链路40-1、40-2、……、40-N上的2.4Gb/s，但是并不限于此。当用有源天线阵列1根据一种以上协议中继无线电信号时，可以利用最大有效载荷速率和链路40-1、40-2、……、40-N上的最大有效载荷速率的部分。
基站信号7包括在数据接口上抵达中央基带处理单元10的良好定义时序的数据帧或数据分组。沿着链路40-1、40-2、……、40-N，各个有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N的有效载荷速率是可变的，因此不需要反映在数字接口上的基站信号7的时序。链路40-1、40-2、……、40-N上的突发型传输可能引入或去除在基站信号7内出现的延时，由此妨碍基站信号7的时序。为了有源天线阵列1的相干中继，需关注在各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N上恢复数字数据分组的时序。
可以理解，各个有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N包括在数字域内的各个发射信号Tx-1、Tx-2、……、Tx-N。该各个有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N还包括在数字域内的各个接收信号Rx-1、Rx-2、……、Rx-N。在图1和图2的有源天线阵列1a内，由中央基带处理单元10执行数模转换和任何进一步的信号处理。图3的有源天线阵列1包括处理元件95-1、95-2、……、95-N。处理元件95-1、95-2、……、95-N适合于对数字信号执行信号处理和/或根据模拟信号形成一个或多个数字信号。处理元件95-1、95-2、……、95-N可以是数字滤波元件、模拟滤波元件、双工滤波器、数模转换器、模数转换器、均衡器、混频器，但并不限于此。
各个有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N的可变有效载荷速率Pr并不需要链路40-1、40-2、……、40-N上的时钟。本公开文本教导了分布式、灵活的时钟方案，当改变有效载荷速率Pr时，不需要修改时钟发生器频率、收发器单元20-1、20-2、……、20-N或中央基带处理单元10。因此，有源天线阵列1在为各个有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N改变各个有效载荷速率Pr时提供了高程度的灵活性。改变有效载荷速率Pr并不需要时钟发生器频率、收发器单元20-1、20-2、……、20-N或中央基带处理单元10的任何改变。
通过编码全局定时信号T，以使全局定时信号T的上升沿和/或下降沿基本上出现在规定频率上，代表定时速率Tr，可以实现将全局定时信号T嵌入在可选择的有效载荷速率Pr的有效载荷信号p-P-1、p-P-2、……、p-P-N内。
使用在基站信号7内嵌入的全局定时信号T执行在中央处理单元10和各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间的定时的同步。将全局定时信号T嵌入在链路40-1、40-2、……、40-N上的各个有效载荷信号p-P-1、p-P-2、……、p-P-N内。
图4更详细地公开了用于每个收发器单元20-1、20-2、……、20-N的各个定时信号T-1、T-2、……、T-N的同步。通常在固定定时速率Tr上提供定时信号T。由中央时钟单元50自基站信号7提取定时信号T。中央时钟单元50将定时信号T转发给链路40-1、40-2、……、40-N。更准确地，将定时信号T嵌入在各个有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N的可变有效载荷速率Pr的数据包内。
收发器单元20-1、20-2、……、20-N包括本地定时单元55-1、55-2、……、55-N。本地定时单元55-1、55-2、……、55-N适合于从链路40-1、40-2、……、40-N上发送的各个有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N中提取本地定时信号T-1、T-2、……、T-N。
可以理解，本地定时单元55-1、55-2、……、55-N得知全局定时信号T的定时速率Tr。结合缓冲器(未示出)，使用由本地定时单元55-1、55-2、……、55-N提取的本地定时信号T-1、T-2、……、T-N，可以恢复沿链路40-1、40-2、……、40-N中继的数据分组的时序。因此，可以为每个收发器单元20-1、20-2、……、20-N恢复数字基站信号7的时序。
在该公开文本中描述的分布式时钟同步概念使得每个收发器单元20-1、20-2、……、20-N能够与基带处理单元10的中央时钟单元50同步。在完美条件下，该分布式时钟同步在全部收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间同时生成同步。然而，由于不同的电缆长度、数字元件(例如缓冲器)的启动效应、模拟元件容差(例如在群延时中的变化等)，分布式时钟同步可能在各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间受阻。全部这些效应可能导致时间延时、振幅和相位在各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间改变。
如下文将要解释的，用于测量在各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间的相位偏移、振幅偏移和延时偏移的方法以及用于补偿由于收发器单元20-1、20-2、……、20-N的缺陷导致的在各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间的相位偏移、振幅偏移和延时偏移的技术在现有技术中是公知的。已知可使用导频信号和/或通过盲法测量相位偏移、振幅偏移和时间偏移。盲法包括比较来自基站信号7的有效载荷信号与在天线元85-1、85-2、……、85-N上实际中继的有效载荷信号波束。在数字域内，可以实施如在2009年4月1日提交的序列号为12/577,339的相关美国专利申请内描述的相关方法。
图5示出包括自天线元85-1、85-2、……、85-N至测量单元150的反馈路径110-1、110-2、……、110-N的有源天线阵列1的一个方面。该反馈路径110-1、110-2、……、110-N中继反馈信号120-1、120-2、……、120-N。该反馈信号120-1、120-2、……、120-N包括用于收发器单元20-1、20-2、……、20-N的发射信号校准的耦合发射信号120Tx-1、120Tx-2、……、120Tx-N。该耦合发射信号120Tx-1、120Tx-2、……、120Tx-N包括由天线元85-1、85-2、……、85-N发射的信号的一小部分。用于提取耦合发射信号120Tx-1、120Tx-2、……、120Tx-N的装置包括定向耦合器(未示出)，但是并不限于此。反馈信号120-1、120-2、……、120-N还包括对应于在天线元85-1、85-2、……、85-N上接收的接收信号的一小部分的耦合接收信号120Rx-1、120Rx-2、……、120Rx-N。进入中央基带处理单元10的基站信号7内的有效载荷信号和耦合发射信号120Tx-1、120Tx-2、……、120Tx-N之间的比较使得发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N可得以计算。该发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N包括发射相位偏移、发射振幅偏移和发射时间延时。该发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N描述发射时各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间的时间失调量。
耦合接收信号120Rx-1、120Rx-2、……、120Rx-N和从中央基带处理单元10内输出的基站信号7中的接收信号之间的比较提供了各收发器单元20-1、20-2、……、20-N间的接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N。接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N包括接收相位变化、接收振幅变化和接收延时变化。在测量单元150上测量接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N和/或发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N。将发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N和/或接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N转发给中央基带处理单元10。
调整单元90-1、90-2、……、90-N适合于施加基本补偿、振幅补偿和延时补偿，以便生成有源天线阵列1的相干中继。调整单元90-1、90-2、……、90-N适合于将发射补偿200Tx-1、200Tx-2、……、200Tx-N施加给进入链路40-1、40-2、……、40-N之前的有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N。发射补偿200Tx-1、200Tx-2、……、200Tx-N可以包括发射相位补偿、发射振幅补偿和发射延时补偿。应用发射补偿200Tx-1、200Tx-2、……、200Tx-N将基本上校正发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N。因此，有源天线阵列1的发射将基本上是相干的。此外，调整单元90-1、90-2、……、90-N适合于将接收补偿200Rx-1、200Rx-2、……、200Rx-N施加给来自各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N的接收信号。该接收补偿200Rx-1、200Rx-2、……、200Rx-N包括接收相位补偿、接收振幅补偿和接收延时补偿。接收补偿200Rx-1、200Rx-2、……、200Rx-N将基本上补偿由测量单元150测量的接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N，以便生成有源天线阵列1的相干接收。
一种选择是通过插入功率测量计(未示出)测量振幅偏移作为发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N和/或接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N的一部分。该功率测量计可以位于收发器单元20-1、20-2、……、20-N、中央基带处理单元10内或者沿着反馈路径110-1、110-2、……、110-N。在序列号为12/577,339的美国专利申请的相关专利申请中已经公开了诸如变容二极管等功率测量计的使用。
可以理解，需要测量发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N和/或接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N内的相位偏移，以便能够对有源天线阵列1进行相位校准。可以在有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N上或者通过注入专用导频信号来测量相位偏移。专用导频信号具有特定属性，允许测量各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间的相位偏移，例如由各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N中继的各个有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N的特定相关属性。因此，通过特定相关属性可以识别出各个有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N，以便识别各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N。使复数值的有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N与适当的复数因子相乘，可以补偿振幅偏移和相位偏移。如图5所示，复数乘法可在中央基带处理单元10内形成。
可替代地，如图6所示，可以为每个收发器单元20-1、20-2、……、20-N独立地进行相位补偿和振幅补偿。在图6中，将调整单元90-1、90-2、……、90-N自中央基带单元10移至每个收发器单元20-1、20-2、……、20-N。
发射振幅补偿的另一选项是为了发射振幅补偿改变各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N的发射放大器60-1、60-2、……、60-N的模拟增益。在接收振幅补偿的情况下，可以为各个接收放大器70-1、70-2、……、70-N改变接收放大器70-1、70-2、……、70-N的模拟增益，以便实现在接收情况下的接收振幅补偿。
为了补偿发射偏移和/或接收偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N、ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N的相位偏移，可以在模拟发射放大器60-1、60-2、……、60-N或模拟接收放大器70-1、70-2、……、70-N内使用模拟移相电路。
可注意到发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N和/或接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N可以是频率相关的。理想上，在收发器单元20-1、20-2、……、20-N上的信号路径将在它们的信号传输特性上显示出基本“平坦”的频率特征。因此，相位测量和振幅测量将不是频率相关的。在收发器单元20-1、20-2、……、20-N的“平坦”传输特性和各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间的完美时间对准这样一种理想情况下，在单个频率上测量相位偏移和振幅偏移将是足够的。
在实际系统内，在频率上通常并不符合“平坦”传输特性这一条件。在发射方向和/或接收方向上的信号传输特性可能大幅偏离该“平坦特征”。因此，需关注图7所示的在不同频率点上的相位偏移和振幅偏移的测量。空心圆表示在频率上在各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间的相位偏移。如直实线所示，发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N和接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N内的相位偏移并不平坦。该直实线实际上表示实际测量相位偏移时频率之间的插值(空心圆，左y轴)。类似地，可以在用于振幅偏移的测量值之间，在图7中空心正方形(对应于右y轴)所示的若干频率上测量在发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N或接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N内的振幅偏移。
可能面临的一种情况是，其中有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N的带宽很小。如果各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间的振幅偏移和/或相位偏移的频率相关性与有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N的带宽相比来说很宽，则相对于有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N的中心频率为相位偏移和振幅偏移执行相位校正和/或振幅校正可能是足够的。更准确地，通过仅取决于有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N的中心频率的校正项，可以推导出振幅和相位补偿。使用该校正项和中心频率，可以实现不同频率(如图7所示)相位和振幅测量的校正。
如果收发器单元20-1、20-2、……、20-N的振幅和相位传输特性显示有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N的带宽内的明显变化，可以使用用于相位和/或振幅补偿的不同方案。在发射方向上，使用预加重单元135可以实现带内补偿方案。预失真单元135使用如针对图7讨论的频率相关相位和振幅偏移结果使各个有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N在发射之前预失真，以便获得在天线元85-1、85-2、……、85-N上在频率上基本“平坦”的振幅特性和基本线性的相位变化。预失真单元135可以为每个收发器单元在中央基带处理单元10或替代地在收发器单元20-1、20-2、……、20-N中实现。
在图8中，在频率上具有相位基本上“平坦”变化的信号P0自左侧进入预加重单元135。该预加重单元135将在频率上相位的线性增加添加给信号P0，从而形成预加重信号P1。该预加重信号P1进入收发器单元20-1、20-2、……、20-N的发射路径。该预加重信号P1包括在频率上在相位内的这样一种变化，即它“反转”在发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N内的相位偏移；从而对于频率上相位的变化生成基本上“平坦”的发射信号Tx。
在接收方向上，可基于均衡器实现逆补偿方案。图9示出包括均衡器130的带内接收相位补偿。具有在频率上基本“平坦”相位偏移的接收信号自右侧进入收发器单元20-1、20-2、……、20-N。该收发器单元20-1、20-2、……、20-N将频率相关的相位变化施加给接收信号Rx。包括在频率上相位基本上线性降低的失真接收信号Rxd将出现在收发器单元20-1、20-2、……、20-N的接收输出上。均衡器130可以校正在接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N内的相位偏移，以便提供包括在频率上基本上“平坦”的相位传输特性的未失真接收信号。
均衡器130可以存在于收发器单元20-1、20-2、……、20-N或中央基带处理单元10内。
本公开内容还涉及用于在移动通信网络内中继无线电信号的方法1000。
图10示出方法1000的流程图。步骤1100包括生成全局定时信号T。该全局定时信号T在固定定时速率Tr上。响应于来自基站5的基站信号7生成全局定时信号T。如上文讨论的，通过检测在基站信号7内的信号分量的上升沿和/或下降沿，生成全局定时信号T。
在步骤1200中，将全局定时信号T嵌入在至少一个有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N内。在步骤1300，在链路40-1、40-2、……、40-N上转发有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N。
在步骤1400中，在收发器单元20-1、20-2、……、20-N上从有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N提取本地定时信号T-1、T-2、……、T-N。该全局定时信号T用于本地定时信号T-1、T-2、……、T-N的提取1400。
步骤1500包括在各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间偏移的补偿。步骤1600包括根据一个本地定时信号T-1、T-2、……、T-N中继有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N。该可选择的有效载荷速率Pr是独立于固定定时速率Tr可选择的。
可以理解，当在链路40-1、40-2、……、40-N上中继有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N时，并不保持抵达中央基带处理单元10的数据分组的时序。链路40-1、40-2、……、40-N上的中继可以包括各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N上的突发型中继。使用本地定时信号T-1、T-2、……、T-N恢复数据分组的时序(参见图3和图4)。
图11示出在各个收发器单元之间偏移补偿1500的细节。步骤1500包括在左手侧上发射偏移补偿相关的方法步骤。将补偿1500的相应步骤在右手侧上接收偏移补偿内示出。我们首先考虑发射情况。在步骤1510Tx中，例如靠近有源天线元85-1、85-2、……、85-N，提取耦合发射信号120Tx-1、120Tx-2、……、120Tx-N。可以将定向耦合器用于耦合发射信号120Tx-1、120Tx-2、……、120Tx-N的提取1510Tx。在步骤1520Tx中，测量发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N。可以使用测量单元150执行该测量。
在接收情况中，该方法从提取耦合接收信号120Rx-1、120Rx-2、……、120Rx-N的步骤1510Rx开始。可以理解，可为每个收发器单元20-1、20-2、……、20-N或者仅为收发器单元20-1、20-2、……、20-N的选定组提取耦合发射信号120Tx-1、120Tx-2、……、120Tx-N和/或耦合接收信号120Rx-1、120Rx-2、……、120Rx-N。
步骤1520Rx包括测量各个耦合接收信号120Rx-1、120Rx-2、……、120Rx-N和至少一个有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N之间的接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N。典型地，在同一收发器单元20-1、20-2、……、20-N的耦合接收信号120Rx-1、120Rx-2、……、120Rx-N和有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N之间测量接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N。
步骤1530包括补偿的计算。在发射情况下，步骤1530包括发射补偿200Tx-1、200Tx-2、……、200Tx-N的计算1530Tx。发射补偿200Tx-1、200Tx-2、……、200Tx-N包括发射相位补偿、发射振幅补偿、发射延时补偿。如参考图7讨论的，计算1530Tx可以为预加重单元135生成频率相关的校正项。
在接收情况下，步骤1530包括接收补偿200Rx-1、200Rx-2、……、200Rx-N的计算1530Rx。接收补偿的计算1530Rx可以包括如参考图9讨论的通过提供用于均衡器130的校正项实现频率相关的补偿。该接收补偿200Rx-1、200Rx-2、……、200Rx-N包括相位接收补偿、振幅接收补偿、延时接收补偿。如参考图7讨论的，计算1530Rx基于可能包括频率相关测量和插值的接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N的测量1520Rx。
步骤1540Tx包括将发射补偿200Tx-1、200Tx-2、……、200Tx-N施加在有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N上，以便补偿任一个发射偏移ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N，如图8所示。
步骤1540Rx包括将接收补偿200Rx-1、200Rx-2、……、200Rx-N施加在接收信号上，以便补偿任一个接收偏移ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N，例如使用均衡器130，如图9所示。
步骤1540Rx包括将接收补偿200Rx-1、200Rx-2、……、200Rx-N施加在各个天线元85-1、85-2、……、85-N上接收的接收信号上。
可以一次为一个收发器单元20-1、20-2、……、20-N或者同时为一个以上收发器单元20-1、20-2、……、20-N执行步骤1500。可以理解，仅为收发器单元20-1、20-2、……、20-N之一图示步骤1500，可能需要步骤1500的多次迭代，以便完全补偿在各个收发器单元20-1、20-2、……、20-N之间的偏移。
方法1000提供有源天线阵列1的基本相干的中继，该有源天线阵列包括适合于以可调整的有效载荷速率Pr中继有效载荷信号P-1、P-2、……、P-N的数字链路40-1、40-2、……、40-N。
本公开内容进一步教导一种计算机程序产品，其包括具有在其中存储的控制逻辑的非易失计算机可用介质，用于使计算机制造用于本公开内容的移动通信网络的有源天线阵列1。
本公开内容进一步涉及一种计算机程序产品，其包括具有在其中存储的控制逻辑的非易失计算机可用介质，用于使计算机在移动通信网络内中继无线电信号，如针对本公开内容的用于在移动通信网络内中继无线电信号的方法1000所讨论的。
虽然上文已经描述了本发明的各种实施例，应当理解通过例子非限制性地予以介绍。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的保护范围的情况下，显然可以在形式和细节方面进行各种改变。除了使用硬件(例如在中央处理单元(“CPU”)、微处理器、微控制器、数字信号处理器、处理器内核、片上系统(“SOC”)或任何其他设备的内部或与之耦合)之外，也可用软件实现，例如被配置为存储软件的非易失计算机可用(例如可读)介质内的软件(例如计算机可读代码、程序代码和/或以任意形式设置的指令，例如源、目标或机器语言)。这种软件可以支持例如在此描述设备和方法的功能、制造、建模、仿真、描述和/或测试。例如，这可以通过使用通用编程语言(例如C、C++)、包括Verilog HDL、VHDL等的硬件描述语言(HDL)或其它可用程序来实现。这种软件可以设置在任意已知的非易失计算机可用介质内，例如半导体、磁盘或光盘(例如CD-ROM、DVD-ROM等)。也可以将软件设置为在计算机可用(如可读)传输介质(例如载波或包括数字、光学或基于模拟的介质的任何其它介质)内实现的计算机数据信号。本发明的实施例可以包括通过提供描述设备的软件和在包括互联网和内联网的通信网络上作为计算机数据信号随后传送软件来提供在此描述的设备的方法。
可以理解，在此描述的设备和方法可以被包括在半导体知识产权内核内，例如微处理器内核(例如用HDL实现)并在集成电路的生产中转换成硬件。此外，在此描述的设备和方法可以被实施为硬件和软件的组合。因而，本发明不应限于任意上述示例的实施例，而应当仅根据以下权利要求书及其等同物来限制。
参考标记
1a                              有源天线阵列
5                               基站
7                               基站信号
10                              中央基带处理单元
20-1、20-2、……、20-N          收发器单元
25                              双工器
25-1、25-2、……、25-N          双工滤波器
40-1、40-2、……、40-N          链路
50                              中央时钟单元
60-1、60-2、……、60-N          发射放大器
70-1、70-2、……、70-N          接收放大器
85-1、85-2、……、85-N          有源天线元
90-1、90-2、……、90-N          调整单元
95-1、95-2、……、95-N          处理元件
110-1、110-2、……、110-N       到测量单元的反馈路径
120-1、120-2、……、120-N       反馈信号
120Tx-1、120Tx-2、……、120Tx-N 耦合发射信号
120Rx-1、120Rx-2、……、120Rx-N 耦合接收信号
150                             测量单元
200Tx-1、200Tx-2、……、200Tx-N 发射补偿
200Rx-1、200Rx-2、……、200Rx-N 接收补偿
ΔTx-1、ΔTx-2、……、ΔTx-N    发射偏移
ΔRx-1、ΔRx-2、……、ΔRx-N    接收偏移
P-1、P-2、……、P-N             有效载荷信号
T-1、T-2、……、T-N             本地定时信号

Claims (13)

1.一种用于移动通信网络的有源天线阵列，该有源天线阵列包括：
-基带单元，其耦合至基站；该基带单元包括中央时钟单元，其响应于自基站接收的基站信号提供定时信号；
-多个收发器单元，其中多个收发器单元中的各个收发器单元由至少一个天线元端接；
-多条链路，其将该多个收发器单元中的各个耦合至基带单元；
其中该多条链路中的各条链路是数字链路且以各个可选择的有效载荷速率中继各个有效载荷信号，且还中继固定定时速率的定时信号，该定时信号被嵌入在处于各个可选择的有效载荷速率的有效载荷信号内，其中各个有效载荷信号的有效载荷速率沿该多条链路可变且是独立于固定定时速率可选择的；
多个本地定时单元，其位于多个收发器单元中的各个收发器单元内，其中本地定时单元响应于定时信号来提取本地定时信号，以使多个收发器单元同步于中央时钟单元，其中定时信号来自于被嵌入的有效载荷信号。
2.根据权利要求1所述的有源天线阵列，其中各条链路适合于使用可变分组长度中继有效载荷信号。
3.根据上述权利要求1所述的有源天线阵列，包括：
用于放大由各个收发器单元发射的发射信号的多个发射放大器。
4.根据上述权利要求1所述的有源天线阵列，包括：
用于放大由各个收发器单元接收的接收信号的多个接收放大器。
5.根据上述权利要求1所述的有源天线阵列，包括：
至少一个调整单元，其适合于将可变延时、可变相位加权和可变振幅加权施加给通过一条链路的信号。
6.根据上述权利要求1所述的有源天线阵列，包括：
用于在一个收发器单元内进行信号处理的至少一个处理元件，该至少一个处理元件选自包括下述的组：数字滤波单元、模拟滤波单元、双工滤波器、数模转换器、模数转换器、均衡器和混频器。
7.根据上述权利要求1所述的有源天线阵列，包括：
从一个天线元到测量单元的至少一条反馈路径；该反馈路径中继反馈信号，该反馈信号包括以下信号的至少一个：从由该天线元发射的信号耦合的一个或多个耦合发射信号，或者从由该天线元接收的信号耦合的一个或多个耦合接收信号。
8.根据权利要求7所述的有源天线阵列，该测量单元适合于：
测量使用一个收发器单元发射时累积的发射偏移；
其中该发射偏移包括振幅偏移、相位偏移和延时偏移中的至少一个。
9.根据权利要求7或8所述的有源天线阵列，该测量单元适合于：
-测量使用一个收发器单元接收时累积的接收偏移；
其中该接收偏移包括振幅偏移、相位偏移和延时偏移中的至少一个。
10.一种用于在移动通信网络内中继无线电信号的方法，该方法包括：
-响应于自基站接收的基站信号生成固定定时速率的全局定时信号；
-将该全局定时信号嵌入在处于可选择的有效载荷速率的至少一个有效载荷信号内；
-在多条链路的至少一条链路上以可选择的有效载荷速率转发该至少一个有效载荷信号，其中该至少一条链路是数字链路，可选择的有效载荷速率沿该多条链路可变；
-通过多个本地定时单元从该全局定时信号提取用于至少一个收发器单元的至少一个本地定时信号，该全局定时信号嵌入在处于可选择的有效载荷速率的至少一个有效载荷信号内；和
-根据该至少一个本地定时信号中继该至少一个有效载荷信号；
其中该可选择的有效载荷速率是独立于固定定时速率可选择的。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
补偿各收发器单元之间的偏移。
12.根据权利要求11所述的方法，该补偿包括：
-提取耦合发射信号；
-测量各个耦合发射信号和该至少一个有效载荷信号之间的发射偏移；
-计算发射补偿；和
-施加发射补偿。
13.根据权利要求11所述的方法，该补偿包括：
-提取耦合接收信号；
-测量各个耦合接收信号和该至少一个有效载荷信号之间的接收偏移；
-计算接收补偿；和
-施加接收补偿。
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