CN104980232B - 一种大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量装置，所述大规模天线阵列分解为多个子阵列，每个子阵列包含若干个通道，每个子阵列接入一个子阵列测量模块，与相邻的前级测量模块或后级测量模块之间通过馈线级联而形成一个闭环。所述子阵列测量模块，包括校准通道、多个耦合器、参考通道、通路选择器和测量单元，校准通道是附加通道，通过耦合器发送参考信号到所述子阵列内的各个天线阵列通道，或者通过耦合器接收从该子阵列内的各个天线阵列通道发送的参考信号。

Description

一种大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量装置和 方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量装置和方法。

背景技术

为了应对更加复杂的应用环境，大规模MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)无线通信系统可以采用远距离、分布式的布阵形式，以满足日益增长的传输速度和用户容量需求。在实际运用中，对于多个信道之间的互易性、同步性也提出了较高要求；因此需要对天线阵列通道间的互易性、同步性的一致性进行相应的测量，以完成校准。随着大规模MIMO系统通道规模和信号带宽的不断增长，校准系统的复杂度也迅速增大，传统阵列校准中的互易性和同步性的测量机制存在明显的瓶颈。按照传统阵列校准中互易性和同步性的一致性的测量方式，需要与阵列规模相匹配的额外功分和耦合网络来支持所有通道的测量功能，随着通道数量的扩展，功分和耦合网络的复杂度也需要相应提升，网络内部走线的复杂度更是呈几何级增长，这些不仅会造成设计、制造和装配复杂度的大幅提升，而且会带来成本的迅速增长。研究一种适用于大规模MIMO天线阵列，并利于标准化、模块化生产和组装的通道间互易性和同步性的一致性测量方法和装置，变得尤为重要。

通过对现有技术文献检索发现，申请号为201210390953.4的中国专利：在无线网络基站中校准RRH间的信道互易性的方法及装置，该专利中，提出了一种将射频拉远头(Remote Radio Head，RRH)共同连接至独立的RRH间校准模块，RRH间校准模块与所有RRH内校准模块相连接的方式，来完成各个RRH内部互易性校准权重与RRH间互易性校准权重的计算。该发明中，所有RRH模块均须连接到一独立的RRH间校准模块，完成RRH模块间校准，其缺陷在于：当天线阵列规模较大、RRH模块数较多、通道数较多时，将各个RRH连接到公用的RRH间校准模块将耗费大量的硬件开销，RRH间校准模块与RRH间的位置布局、馈线网络规模也将变得复杂，其可扩展性并不能满足大规模MIMO阵列互易性校准的需求。

发明内容

本发明的目的是提出了一种大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量方法与装置，各个测量模块间的连接只与相邻模块有关，且测量开销随着阵列规模扩大仍旧保持在较低水平。这种互异性和同步性的一致性测量机制，兼具经济性与灵活性，既能够有效控制馈线网络规模，又便于天线阵列系统的模块化和标准化制造。

本发明的技术方案是，一种大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量装置，所述大规模天线阵列分解为多个子阵列，每个子阵列包含若干个通道，每个子阵列接入一个子阵列测量模块，与相邻的前级测量模块或后级测量模块之间通过馈线级联而形成一个闭环。

进一步的，所述子阵列测量模块，包括校准通道、多个耦合器、参考通道、通路选择器和测量单元，其中，

校准通道是附加通道，通过耦合器发送参考信号到所述子阵列内的各个天线阵列通道，或者通过耦合器接收从该子阵列内的各个天线阵列通道发送的参考信号；

耦合器将校准通道与所述子阵列内的各个天线阵列通道进行耦合，每个天线阵列都连接一个耦合器的输出；

参考通道从所述子阵列内的天线阵列通道中选定一个，作为一致性测量的基准通道，并连接至通路选择器；

通路选择器实现校准通道和参考通道的连接，有四个选通通路，分别是连接所述子阵列的校准通道、参考通道、前级测量模块和后级测量模块，实现以下5种连接方式，包括：

第一种方式是，所述测量模块内的校准通道与参考通道经该参考通道的耦合器相连；

第二种方式是，所述测量模块的校准通道与前级测量模块的参考通道经该参考通道的耦合器相连；

第三种方式是，所述测量模块的校准通道与后级测量模块的参考通道经该参考通道的耦合器相连；

第四种方式是，所述测量模块的参考通道与前级测量模块的校准通道经该参考通道的耦合器相连；

第五种方式是，所述测量模块的参考通道与后级测量模块的校准通道经该参考通道的耦合器相连；

测量单元与校准通道和所述子阵列内的各个天线阵列通道相连，通过向校准通道和所述子阵列内的各个天线阵列通道发送和接收参考信号、测量信道响应，计算互易性和同步性的一致性测量结果，并将结果传送到后级的信号处理模块，用于校准。

进一步的，所述子阵列测量模块中的测量单元连接一个信号处理单元。

一种大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量方法，采用上述一致性测量装置，其特征在于，

所述大规模天线阵列共有N个子阵列，每个子阵列中包含M个天线阵列通道和1个测量模块，不失一般性，选取通道1作为参考通道，对第i个子阵列或测量模块，i＝1,2,…,N，表示校准发送通道的信道响应，表示校准接收通道的信道响应，表示第j个阵列通道的发送通道的信道响应，表示第j个阵列通道的接收通道的信道响应，其中j＝1,2,…,M，所述的大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量方法包括以下步骤：

(1)模块内测量，即在各个测量模块内部，完成子阵列内的各个通道相对于参考通道的互易性和同步性的一致性测量，对第i个测量模块，具体步骤为：

步骤A1，设置通路选择器，使得第i个测量模块内的校准通道与参考通道相连；

步骤A2，从第i个测量模块内的各个天线阵列通道的发送通道，发送正交参考信号到校准通道，测量得到各个发送通道到校准接收通道的信道响应：其中H_i,j→c表示第i个测量模块中，第j个发送通道到校准接收通道的信道响应；

步骤A3，从第i个测量模块内的校准通道，发送参考信号到各个天线阵列通道的接收通道，测量得到校准发送通道到各个接收通道的信道响应：其中H_i,c→j表示第i个测量模块中，校准发送通道到第j个接收通道的信道响应；

步骤A4，根据步骤A2的测量结果，可以获得模块内的各个通道相对于参考通道的发送同步性的一致性：其中表示第i个测量模块中，第j个通道相对于作为参考通道的通道1的发送同步性的一致性；

步骤A5，根据步骤A3的测量结果，可以获得模块内的各个通道相对于参考通道的接收同步性的一致性：其中表示第i个测量模块中，第j个通道相对于作为参考通道的通道1的接收同步性的一致性；

步骤A6，根据步骤A2和步骤A3的测量结果，可以获得模块内的各个通道相对于参考通道的互易性的一致性：j＝2,3,…,M，其中W_i,j表示第i个测量模块中，第j个通道相对于作为参考通道的通道1的互易性的一致性；

在步骤A4、步骤A5、步骤A6的计算中，通过多次测量结果之间的比较，通过约分运算消除校准通道的信道响应对测量结果的影响；

(2)模块间测量,即在模块内测量的基础上，完成相邻模块间的互易性和同步性的一致性测量，对第i个测量模块，具体步骤为：

步骤B1，设置通路选择器，使得本模块的校准通道与后级模块的参考通道相连；

步骤B2，从后级模块的参考通道，发送参考信号到本模块的校准通道，测量得到后级模块的参考发送通道到本模块的校准接收通道的信道响应：其中H_i+1,1→i,c表示第i+1个模块的参考发送通道到第i个模块的校准接收通道的信道响应，H_wire表示第i个模块与第i+1个模块之间馈线的信道响应；

步骤B3，从本模块的校准通道，发送参考信号到后级模块的参考通道，测量得到本模块的校准发送通道到后级模块的参考接收通道的信道响应：其中H_i,c→i+1,1表示第i个模块的校准发送通道到第i+1个模块的参考接收通道的信道响应；

步骤B4，根据步骤B2和步骤B3测量结果，可以获得后级模块参考通道相对于本模块参考通道的互易性的一致性：

其中表示第i+1个模块的参考通道相对于第i个模块的参考通道的互易性的一致性；

步骤B5，设置通路选择器，使得本模块的参考通道与后级模块的校准通道相连；

步骤B6，从本模块的参考通道，发送参考信号到后级模块的校准通道，测量得到本模块的参考发送通道到后级模块的校准接收通道的信道响应：其中H_i,1→i+1,c表示测得的第i个模块的参考发送通道到第i+1个模块的校准接收通道的信道响应；

步骤B7，从后级模块的校准通道，发送参考信号到本模块的参考通道，测量得到后级模块的校准发送通道到本模块的参考接收通道的信道响应：其中H_{i+1，c→i，1}表示测得的第i+1个模块的校准发送通道到第i个模块的参考接收通道的信道响应；

步骤B8，根据步骤B2和步骤B6的测量结果，可以获得后级模块参考通道相对于本模块参考通道的发送同步性的一致性：

其中表示第i+1个模块的参考通道相对于第i个模块的参考通道的发送同步性的一致性；

步骤B9，根据步骤B3和步骤B7的测量结果，可以获得后级模块参考通道相对于本模块参考通道的接收同步性的一致性：

其中表示第i+1个模块的参考通道相对于第i个模块的参考通道的接收同步性的一致性；

在步骤B4、步骤B8、步骤B9的计算中，通过多次测量结果之间的比较，通过约分运算消除校准通道的信道响应和模块间馈线的信道响应H_wire对测量结果的影响；

最后,结合步骤(1)模块内测量和步骤(2)模块间测量的结果，即可得到所有M×N个通道相对于第i个模块的参考通道的互易性、同步性的一致性。

本发明的有益效果包括：

1.测量时间开销小。本发明中的一致性测量方法，在模块内、模块间测量时，各个测量模块可同时完成各个测量步骤，所需的时间开销不随阵列规模扩大而增长。

2.便于阵列扩展。本发明中的一致性测量装置，测量模块间的连接只与相邻测量模块有关，在对天线阵列规模扩展时，只需在相邻的测量模块间接入所需的测量模块，对整体结构变动较小，易于阵列的扩展。

3.便于标准化制造。本发明中以一个测量模块为一个基本单元，多个测量模块间通过馈线级联的方式连接在一起，组成大规模天线阵列的一致性测量装置。各个测量模块间工作模式、测量机制均相同，这样的测量机制适用于标准化、模块化的生产制造，降低了生产成本开销。

附图说明

图1为本发明大规模天线阵列的一致性测量装置的组成示意图。

图2为本发明大规模天线阵列的一致性测量装置中测量模块的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的方案作详细说明。下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在本实施例中，给出了一种大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量方法与装置，其具体结构为：

(1)如图1所示，在整体架构上，根据大规模天线阵列通常分解为多个子阵列(每个子阵列包含若干个通道)的布阵特点，在各个子阵列中加入测量模块，相邻的测量模块之间通过馈线级联，形成一个闭环。

(2)如图2所示，每个测量模块包括耦合器、校准通道、参考通道、通路选择器和测量单元，其中：

耦合器将校准通道与各个阵列通道的收/发通道进行耦合；

校准通道能够发送参考信号到各个阵列通道，或者接收从各个阵列通道发送的参考信号；

参考通道从阵列通道中选定一个，作为一致性测量的基准通道，并连接至通路选择器；

通路选择器有三种连接方式：本模块内的校准通道与参考通道相连；本模块的校准通道与前级模块的参考通道相连、本模块的参考通道与后级模块的校准通道相连；本模块的校准通道与后级模块的参考通道相连、本模块的参考通道与前级模块的校准通道相连；

测量单元通过向各个通道发送和接收参考信号、测量信道响应，计算互易性和同步性的一致性测量结果，并将结果传送到后级的信号处理模块，用于校准。

在本实施例中,不失一般性，假设大规模天线阵列共有N个子阵列；每个子阵列中包含M个阵列通道和1个测量模块，选取通道1作为参考通道。对第i个子阵列或测量模块(i＝1,2,…,N)，表示校准发送通道的信道响应，表示校准接收通道的信道响应，表示第j个阵列通道的发送通道的信道响应，表示第j个阵列通道的接收通道的信道响应，其中j＝1,2,…,M。所述的大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量方法与装置采用了如下的分步骤测量方法：

(1)模块内测量：在各个测量模块内部，完成子阵列内的各个通道相对于参考通道的互易性和同步性的一致性测量，对第i个测量模块，具体步骤为：

步骤一，设置通路选择器，使得模块内的校准通道与参考通道相连。

步骤二，从模块内的各个阵列通道的发送通道，发送正交参考信号到校准通道，测量得到各个发送通道到校准接收通道的信道响应：其中H_i，j→c表示第i个测量模块中，第j个发送通道到校准接收通道的信道响应。

步骤三，从模块内的校准通道，发送参考信号到各个阵列通道的接收通道，测量得到校准发送通道到各个接收通道的信道响应：其中H_i，c→j表示第i个测量模块中，校准发送通道到第j个接收通道的信道响应。

步骤四，根据步骤二的测量结果，可以获得模块内的各个通道相对于参考通道的发送同步性的一致性：其中表示第i个测量模块中，第j个通道相对于参考通道(通道1)的发送同步性的一致性。

步骤五，根据步骤三的测量结果，可以获得模块内的各个通道相对于参考通道的接收同步性的一致性：其中表示第i个测量模块中，第j个通道相对于参考通道(通道1)的接收同步性的一致性。

步骤六，根据步骤二和步骤三的测量结果，可以获得模块内的各个通道相对于参考通道的互易性的一致性：(j＝2,3,…,M)。其中W_i，j表示第i个测量模块中，第j个通道相对于参考通道(通道1)的互易性的一致性。

在步骤四、步骤五、步骤六的计算中，可以去掉校准通道的信道响应对结果的影响。

(2)模块间测量：在模块内测量的基础上，完成相邻模块间的互易性和同步性的一致性测量，对第i个测量模块，具体步骤为：

步骤一，设置通路选择器，使得本模块的校准通道与后级模块的参考通道相连。

步骤二，从后级模块的参考通道，发送参考信号到本模块的校准通道，测量得到后级模块的参考发送通道到本模块的校准接收通道的信道响应：其中H_i+1,1→i,c表示第i+1个模块的参考发送通道到第i个模块的校准接收通道的信道响应，H_wire表示第i个模块与第i+1个模块之间馈线的信道响应。

步骤三，从本模块的校准通道，发送参考信号到后级模块的参考通道，测量得到本模块的校准发送通道到后级模块的参考接收通道的信道响应：其中H_i,c→i+1,1表示第i个模块的校准发送通道到第i+1个模块的参考接收通道的信道响应。

步骤四，根据步骤二和步骤三的测量结果，可以获得后级模块参考通道相对于本模块参考通道的互易性的一致性：

其中表示第i+1个模块的参考通道相对于第i个模块的参考通道的互易性的一致性。

步骤五，设置通路选择器，使得本模块的参考通道与后级模块的校准通道相连。

步骤六，从本模块的参考通道，发送参考信号到后级模块的校准通道，测量得到本模块的参考发送通道到后级模块的校准接收通道的信道响应：其中H_i,1→i+1,c表示测得的第i个模块的参考发送通道到第i+1个模块的校准接收通道的信道响应。

步骤七，从后级模块的校准通道，发送参考信号到本模块的参考通道，测量得到后级模块的校准发送通道到本模块的参考接收通道的信道响应：其中H_i+1,c→i,1表示测得的第i+1个模块的校准发送通道到第i个模块的参考接收通道的信道响应。

步骤八，根据步骤二和步骤六的测量结果，可以获得后级模块参考通道相对于本模块参考通道的发送同步性的一致性：

其中表示第i+1个模块的参考通道相对于第i个模块的参考通道的发送同步性的一致性。

步骤九，根据步骤三和步骤七的测量结果，可以获得后级模块参考通道相对于本模块参考通道的接收同步性的一致性：

其中表示第i+1个模块的参考通道相对于第i个模块的参考通道的接收同步性的一致性。

在步骤四、步骤八、步骤九的计算中，可以去掉校准通道的信道响应和模块间馈线的信道响应H_wire对结果的影响。

最后结合模块内测量和模块间测量的结果，即可得到所有M×N个通道相对于第i个模块的参考通道的互易性、同步性的一致性。

Claims (2)

1.一种大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量装置，所述大规模天线阵列分解为多个子阵列，每个子阵列包含若干个通道，

所述的一致性测量装置包含1个信号处理单元，

所述的一致性测量装置还包含多个子阵列测量模块，在子阵列测量模块之间，子阵列测量模块连接的前级模块为前级测量模块，子阵列测量模块连接的后级模块为后级测量模块，形成多个前级测量模块和后级测量模块，

其特征在于，每个子阵列接入一个子阵列测量模块，与相邻的前级测量模块或后级测量模块之间通过馈线级联而形成一个闭环，

所述子阵列测量模块，包括校准通道、多个耦合器、参考通道、通路选择器和测量单元，其中，

校准通道是附加通道，通过耦合器发送参考信号到所述子阵列内的各个天线阵列通道，或者通过耦合器接收从该子阵列内的各个天线阵列通道发送的参考信号；

耦合器将校准通道与所述子阵列内的各个天线阵列通道进行耦合，每个天线阵列都连接一个耦合器的输出；

参考通道从所述子阵列内的天线阵列通道中选定一个，作为一致性测量的基准通道，并连接至通路选择器；

通路选择器实现校准通道和参考通道的连接，有四个选通通路，分别是连接所述子阵列的校准通道、参考通道、前级测量模块和后级测量模块，实现以下5种连接方式，包括：

第一种方式是，所述测量模块内的校准通道与本级参考通道经本级参考通道的耦合器相连；

第二种方式是，所述测量模块的校准通道与前级测量模块的参考通道经前级测量模块的参考通道的耦合器相连；

第三种方式是，所述测量模块的校准通道与后级测量模块的参考通道经后级测量模块的参考通道的耦合器相连；

第四种方式是，所述测量模块的参考通道与前级测量模块的校准通道经本级参考通道的耦合器相连；

第五种方式是，所述测量模块的参考通道与后级测量模块的校准通道经本级参考通道的耦合器相连；

测量单元与校准通道和所述子阵列内的各个天线阵列通道相连，通过向校准通道和所述子阵列内的各个天线阵列通道发送和接收参考信号、测量信道响应，计算互易性和同步性的一致性测量结果，并将结果传送到信号处理单元，用于校准。

2.一种大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量方法，采用如权利要求1所述的一致性测量装置，其特征在于，

所述大规模天线阵列共有N个子阵列，每个子阵列中包含M个天线阵列通道和1个测量模块，选取通道1作为参考通道，对第i个子阵列或测量模块，i＝1,2,…,N，表示校准发送通道的信道响应，表示校准接收通道的信道响应，表示第j个阵列通道的发送通道的信道响应，表示第j个阵列通道的接收通道的信道响应，其中j＝1,2,…,M，所述的大规模天线阵列的互易性和同步性的一致性测量方法包括以下步骤：

(1)模块内测量，即在各个测量模块内部，完成子阵列内的各个通道相对于参考通道的互易性和同步性的一致性测量，对第i个测量模块，具体步骤为：

步骤A1，设置通路选择器，使得第i个测量模块内的校准通道与参考通道相连；

步骤A2，从第i个测量模块内的各个天线阵列通道的发送通道，发送正交参考信号到校准通道，测量得到各个发送通道到校准接收通道的信道响应：j＝1,2,…,M，其中H_i,j→c表示第i个测量模块中，第j个发送通道到校准接收通道的信道响应；

步骤A3，从第i个测量模块内的校准通道，发送参考信号到各个天线阵列通道的接收通道，测量得到校准发送通道到各个接收通道的信道响应：j＝1,2,…,M，其中H_i,c→j表示第i个测量模块中，校准发送通道到第j个接收通道的信道响应；

步骤A4，根据步骤A2的测量结果，可以获得模块内的各个通道相对于参考通道的发送同步性的一致性：j＝2,3,…,M，其中表示第i个测量模块中，第j个通道相对于作为参考通道的通道1的发送同步性的一致性；

步骤A5，根据步骤A3的测量结果，可以获得模块内的各个通道相对于参考通道的接收同步性的一致性：j＝2,3,…,M，其中表示第i个测量模块中，第j个通道相对于作为参考通道的通道1的接收同步性的一致性；

步骤A6，根据步骤A2和步骤A3的测量结果，可以获得模块内的各个通道相对于参考通道的互易性的一致性：j＝2,3,…,M，其中W_i,j表示第i个测量模块中，第j个通道相对于作为参考通道的通道1的互易性的一致性；

在步骤A4、步骤A5、步骤A6的计算中，通过多次测量结果之间的比较，通过约分运算消除校准通道的信道响应对测量结果的影响；

(2)模块间测量,即在模块内测量的基础上，完成相邻模块间的互易性和同步性的一致性测量，对第i个测量模块，具体步骤为：

步骤B1，设置通路选择器，使得本模块的校准通道与后级模块的参考通道相连；

步骤B2，从后级模块的参考通道，发送参考信号到本模块的校准通道，测量得到后级模块的参考发送通道到本模块的校准接收通道的信道响应：其中H_i+1,1→i,c表示第i+1个模块的参考发送通道到第i个模块的校准接收通道的信道响应，H_wire表示第i个模块与第i+1个模块之间馈线的信道响应；

步骤B3，从本模块的校准通道，发送参考信号到后级模块的参考通道，测量得到本模块的校准发送通道到后级模块的参考接收通道的信道响应：其中H_i,c→i+1,1表示第i个模块的校准发送通道到第i+1个模块的参考接收通道的信道响应；

步骤B4，根据步骤B2和步骤B3测量结果，可以获得后级模块参考通道相对于本模块参考通道的互易性的一致性：其中表示第i+1个模块的参考通道相对于第i个模块的参考通道的互易性的一致性；

步骤B5，设置通路选择器，使得本模块的参考通道与后级模块的校准通道相连；

步骤B6，从本模块的参考通道，发送参考信号到后级模块的校准通道，测量得到本模块的参考发送通道到后级模块的校准接收通道的信道响应：其中H_i,1→i+1,c表示测得的第i个模块的参考发送通道到第i+1个模块的校准接收通道的信道响应；

步骤B7，从后级模块的校准通道，发送参考信号到本模块的参考通道，测量得到后级模块的校准发送通道到本模块的参考接收通道的信道响应：其中H_i+1,c→i,1表示测得的第i+1个模块的校准发送通道到第i个模块的参考接收通道的信道响应；

步骤B8，根据步骤B2和步骤B6的测量结果，可以获得后级模块参考通道相对于本模块参考通道的发送同步性的一致性：其中表示第i+1个模块的参考通道相对于第i个模块的参考通道的发送同步性的一致性；

步骤B9，根据步骤B3和步骤B7的测量结果，可以获得后级模块参考通道相对于本模块参考通道的接收同步性的一致性：其中表示第i+1个模块的参考通道相对于第i个模块的参考通道的接收同步性的一致性；

在步骤B4、步骤B8、步骤B9的计算中，通过多次测量结果之间的比较，通过约分运算消除校准通道的信道响应和模块间馈线的信道响应H_wire对测量结果的影响；

最后,结合步骤(1)模块内测量和步骤(2)模块间测量的结果，即可得到所有M×N个通道相对于第i个模块的参考通道的互易性、同步性的一致性。