CN105227251B - 基于分布式架构的多天线双向信道测量装置的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式架构的多天线双向信道测量装置与校准方法，信道测量装置主要包括近端机和多频点远端机两部分，采用近端机复用和多频点远端机配置的方法实现多频点并降低复杂度，同时运用并行多通道架构和支持频分双工和时分双工的时隙与帧结构实现实时双向测量。本案的信道测量装置采用光载无线技术实现分布式小区架构下的信道测量，适合实时获取分布式小区的双向无线信道特性；校准方法测量并补偿分布式架构引入的各部分误差；本发明能够有效实现分布式双向MIMO信道的实时测量，并能够应对网络架构的变化，有效降低了测量的复杂度，提高了测量的扩展性和准确性。

Description

基于分布式架构的多天线双向信道测量装置的校准方法

技术领域

本发明涉及一种基于分布式架构的多天线双向信道测量装置与校准方法，属于无线通信技术。

背景技术

无线信道是无线通信中信息的传输媒介，它的特性对系统性能有着直接的影响。对于无线通信系统的设计、组网、优化及性能分析，都需要深入了解信道的传播特性。无线信道测量，也叫信道探测(Channel Sounding)，它的主要目的是获得能精确描述信道特性的各种信道参数，如道传递函数、路径损耗模型、延迟功率谱、角度功率谱、信均方根时延扩展、电波的离开角和到达角等。通过测量获得的信道参数并进行统计分析，运用合理的数学方法建立信道模型，最终在各种环境中进行模型验证，这是信道测量与建模的主要目的。

随着LTE-Advanced标准的不断完善与发展，未来移动通信需要支持多个频段，峰值数据速率要求超过1Gbps，最高要求每赫兹超过10比特每秒的频谱利用率，并且能够有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的变化。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术因为具有传输速率、移动性、频谱效率等方面的优势，正逐渐成为下一代无线通信的关键技术之一。伴随着网络扁平化的趋势，通过分布式天线原理，基站之间以协同多点传输(Coordinated Multiple Point，CoMP)的方式进行无线资源优化配置来提高空口的效率，使得下一代的无线网络构架逐渐向分布式方向发展。此外，在时分双工(Time Division Duplex，TDD)和频分双工(FrequencyDivision Duplex，FDD)模式下，特别是FDD临近频段的上下行信道，信道的特性与互易性都与未来空时联合检测算法和系统链路预算密切相关。因此，对于分布式双向MIMO信道，利用天线的分布化布置和双向传输数据设计，可以获取信号在时域、频域和空间域上的传输特性，为未来移动通信系统的研发、部署、优化、以及系统性能分析提供支持。

目前现有的多天线信道测量装置，运用单通道发射机与接收机，配合开关天线阵切换，实现多天线的模拟。其优点是结构简单，成本较低，缺点是基带与射频采用电缆互联，长距离传输信号功率损失大，无法测量分布式小区信道，并且只能支持点对点单向信道的测量。此外由于采用虚拟天线阵切换的方式模拟MIMO信道，每个通道的测量周期长，易受相位噪声影响，无法实时获取信道数据。目前MIMO信道的测量方法主要有扫频测量法和滑动相关测量法，前者的优点是实现简单，多径分辨率高，待测信道受设备非线性影响小，缺点是收发信机之间需要矢量网络分析仪的高频电缆连接，测量距离短；扫频时间长，只适用于时不变或慢变信道，无法测量多普勒频移。后者的优点是可以同时测量信道幅度和相位响应，获得多径衰落和多普勒谱特性。缺点是当信道带宽远超过相干带宽时，频率选择性衰落使得单载波发送和接收都存在极大困难。

单输入单输出(Single Input Single Output，MIMO)信道测量的校准主要集中在测量设备产生的输入和接收的输出信号时/频的相对特性上。当X为无线信道的发射信号，Y为接收信号时，信道的频域响应可以表示为H＝Y/X。通过直接互联，可以得到信道系数在时/频域的校准系数H_EER。最终的信道归一化冲击性响应可以表示为测量得到的信道冲击响应H/H_EER。而分布式MIMO信道测量时，不仅各通道的输入/输出信号特性有差异，空间上各通道的相关性也会使测量不准确，而且测量信号在分布式光纤上传输延时和衰减也不一致，因此对于分布式MIMO信道测量的校准，需要从时/频域和空域方面考虑。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于分布式架构的多天线双向信道测量装置与校准方法；信道测量装置采用光载无线(Radio over Fiber，RoF)技术实现分布式小区架构下的信道测量，适合实时获取分布式小区的双向无线信道特性；校准方法测量并补偿分布式架构引入的各部分误差；本发明能够有效实现分布式双向MIMO信道的实时测量，并能够应对网络架构的变化，有效降低了测量的复杂度，提高了测量的扩展性和准确性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于分布式架构的多天线双向信道测量装置，主要包括近端机和多频点远端机两部分，采用近端机复用和多频点远端机配置的方法实现多频点并降低复杂度，同时运用并行多通道架构和支持频分双工和时分双工的时隙与帧结构实现实时双向测量；

所述近端机包括近端机电源、存储阵列、数据管理服务器、GPS驯服铷原子钟、基带子系统、射频近端机和近端光端机，所述多频点远端机包括远端机电源、远端光端机、射频多频点远端机和天线阵列，所述射频多频点远端机和天线阵列之间通过电缆通信连接，所述近端光端机与远端光端机之间通过光纤通信连接；所述天线阵列、射频多频点远端机、射频近端机和基带子系统用于实时测量MIMO信道特性；所述GPS驯服铷原子钟用于提供基准频率与定时、地理信息和移动速度；所述存储阵列和数据管理服务器用于记录测量数据，并对参数进行实时观测和结果显示。

由于光纤具有低损耗、高带宽和防止电磁干扰的特点，因此本案采用光纤作为近端机和多频点远端机的传输链路，该方案能够有效地避免射频信号损耗高和易受干扰的问题，最终实现长距离传输。

本案的分布式架构中射频单元与基带处理单元分离，通过拉近天线与用户的距离，使得网络的容量、能量效率以及覆盖范围都得到了提升；此外，通过利用多小区MIMO技术实施分布式基带单元，复杂昂贵的设备都集中到中心站点，远端机共享这些设备，减少远端机的功耗和成本，系统的频谱效率以及边缘节点性能也得到极大改善，可以灵活组网并覆盖较大的地理区域；同时，本案还采用支持分布式测量的测量信号帧结构设计，实现各MIMO子信道的实时双向测量，可以有效地避免开关切换虚拟多通道带来的测量周期长和无法实时双向测量的问题，从而降低MIMO信道低秩情况下相位噪声对信道相关特性测量精度的影响，实现高频高速场景测量；另外，本案的分布式架构对于相位噪声的改善也有较大的帮助。

优选的，所述基带子系统和射频近端机之间接口统一，从而可替换不同频段的射频单元，并且采用堆叠方式扩展到更多天线配置形式；所述基带子系统和存储阵列、数据管理服务器之间接口统一，可以扩展系统存储容量，实现不同频段、不同时长的信道测量。

一种基于上述基于分布式架构的多天线双向信道测量装置的校准方法，包括如下步骤：

(1)测量场景中，将近端机设置在用户控制域计算中心，若干台多频点远端机分别通过光纤与一台近端机通信连接，通过天线阵列收发测量信号；

(2)设定工作频率和双工模式，所有发射通道设定相同的发射功率，所有接收通道设置相同的接收增益；

(3)校准物理通道带来的功率和延时误差；设每个天线阵列有N个接收天线数和M个发射天线，每个发射天线连接一个一端口分N端口的功分器，每个接收天线连接一个M端口合一端口的功合器，N个接收天线和功合器之间通过N根相同规格的电缆连接，M个发射天线与功分器之间通过M根相同规格的电缆连接，功分器与功合器之间通过N×M根相同规格的电缆互联；

(4)M个发射天线发送独立不相关的测量信号，运用参数估计的方法得到信道冲击响应，结合离线分析得到MIMO信道的校准系数矩阵H_bypass；H_bypass是一个三维矩阵，维度是N×M×N_delay，包含了信道测量装置(包括近端机、多频点远端机和光纤等)引入的功率和延时误差；H_bypass的第三维包含各逻辑子信道引入的量化延时，其中N_delay是H_bypass第三维的维度，取值为最大延时的逻辑子信道的量化延时值，若各逻辑子信道的量化延时值相同，那么N_delay的值为1；

(5)对应每一个逻辑子信道，在H_bypass的第三维上搜索绝对值最大值的元素并记录其在第三维的位置n_delay，n_delay的取值范围为1和N_delay之间的非负整数；通过第三维上的循环移位将最大元素移动至第三维上的第一个元素，从而对齐各逻辑子信道延时得到功率误差的相关矩阵H_{bypass_shift}；将H_{bypass_shift}中第三维上的第一个二维矩阵作为直通信道传输矩阵H_{bypass_shift_2d}，H_{bypass_shift_2d}的维度是N×M；

(6)对H_{bypass_shift_2d}进行奇异值分解，即计算H_{bypass_shift_2d}＝UDV^*，获得相应的U矩阵和V矩阵，其中U矩阵为N×N阶酉矩阵，V矩阵为M×M阶酉矩阵，D矩阵为半正定N×M阶的对角矩阵；

(7)根据各逻辑子信道的延时值n_delay修改由GPS驯服铷原子钟(4)提供时钟的定时同步逻辑，分配各逻辑子信道的接收定时基准，并进行接收天线和发射天线的同步与定位；

(8)对发射信号和接收信号进行校准，即：将发射信号X乘以V矩阵的共轭矩阵得到X'＝V^*X，将接收信号Y乘以U矩阵的共轭矩阵得到Y'＝U^*Y；利用校准后的信号矩阵X'和Y'获得MIMO信道系数，以去除信道测量装置对信道测量的影响；

(9)重新注入测量信号，进行数据采集与存储，结合建模方法得到信道系数矩阵H。

有益效果：本发明提供的基于分布式架构的多天线双向信道测量装置与校准方法，相较于现有技术，具有如下优势：1、分离的室内与室外单元，使得测量系统组网灵活，架设方便，可用于测量分布式多天线双向信道；2、采用RoF技术，支持集中式小区和分布式小区，组合灵活，实现分布式多天线信道的测量；3、在线实时处理与离线分析相结合，支持实时测量信道互易性，支持高速快衰落环境测量；4、通过对MIMO信道各逻辑子信道的延时、功率、一致性和相关性校准，实现信道的精确测量，保证测量准确性；5、结合分布式多天线信道测量装置的特点，设计的测量与校准方法与步骤，可精确获取无线信道的空/时/频域特性。

附图说明

图1为本发明中基于分布式架构的多天线信道测量场景的示意图；

图2为本发明中基于分布式架构的多天线信道测量装置；

图3为本发明中基于分布式架构的多天线信道装置校准方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为基于分布式架构的多天线信道测量场景场景示意图，如图2所示为基于分布式架构的多天线信道测量装置示意图，主要包括近端机14和多频点远端机15两部分，采用近端机14复用和多频点远端机15配置的方法实现多频点并降低复杂度，同时运用并行多通道架构和支持频分双工和时分双工的时隙与帧结构实现实时双向测量；

所述近端机14包括近端机电源1、存储阵列2、数据管理服务器3、GPS驯服铷原子钟4、基带子系统5、射频近端机6和近端光端机7，所述多频点远端机15包括远端机电源8、远端光端机9、射频多频点远端机10和天线阵列13，所述射频多频点远端机10和天线阵列13之间通过电缆12通信连接，所述近端光端机7与远端光端机9之间通过光纤11通信连接；所述天线阵列13、射频多频点远端机10、射频近端机6和基带子系统5用于实时测量MIMO信道特性；所述GPS驯服铷原子钟4用于提供基准频率与定时、地理信息和移动速度；所述存储阵列2和数据管理服务器3用于记录测量数据，并对参数进行实时观测和结果显示。所述基带子系统5和射频近端机6之间接口统一，所述基带子系统5和存储阵列2、数据管理服务器3之间接口统一。

上述信道测量装置中通过天线阵列13的布局与间距调整，可以改变天线阵列13的辐射模式，从而使得天线阵列13的辐射波束指向覆盖区域。当信道测量装置工作在接收模式时，天线阵列13将接收到的信号进行处理后，通过远端光端机9转换为光信号，然后经光纤11传送至近端光端机7，然后变换为电信号后进入射频近端机6和基带子系统5进行处理，最后将数据存储在存储阵列2和数据管理服务器3中供后期进行信道参数提取和特性分析。当信道测量装置工作在发射模式时，近端机14产生需要的基带信号，经过射频近端机6和基带子系统5后，进入近端光端机7转换为光信号，然后通过光纤11传输至远端光端机9，再次转换为电信号后进入天线阵列13中的射频子系统，射频子系统将收到的信号变频到需要的频率，然后放大后通过各个天线单元辐射出去。

环境、器件、物理连接和人为因素都会导致测量得到的信号存在误差，尤其是分布式测量中，采用光纤传输的中频信号会有功率衰减和信号延时，而且各物理通道的相关性和一致性都需要进行校准。因此在进行信道测量前，需要对信道测量装置进行功率、延时和通道一致性与相关性的校准，去除这几部分的影响。通道性能校准可以去除各物理通道上器件、幅度、相位和热噪声等带来的不确定性，它通过直通网络的MIMO信道互联，获得MIMO各个子信道的校准系数矩阵H_bypass。H_bypass包含了光纤延时、物理通道的不平衡和相关性。通过判断各子信道非零值出现的位置可以校准各通道延时n_delay，对校准矩阵的奇异值分解，可以获得MIMO各子信道之间传输特性与相关特性，利用相关的矩阵对收发信号进行预处理就可以实现对信道测量装置的校准。具体实现方法如下：

(1)测量场景中，将近端机14设置在用户控制域计算中心，若干台多频点远端机15分别通过光纤11与一台近端机14通信连接，通过天线阵列13收发测量信号；

(2)设定工作频率和双工模式，所有发射通道设定相同的发射功率，所有接收通道设置相同的接收增益；

(3)校准物理通道带来的功率和延时误差；设每个天线阵列13有N个接收天线数和M个发射天线，每个发射天线连接一个一端口分N端口的功分器，每个接收天线连接一个M端口合一端口的功合器，N个接收天线和功合器之间通过N根相同规格的电缆连接，M个发射天线与功分器之间通过M根相同规格的电缆连接，功分器与功合器之间通过N×M根相同规格的电缆互联；

(4)M个发射天线发送独立不相关的测量信号，运用参数估计的方法得到信道冲击响应，结合离线分析得到MIMO信道的校准系数矩阵H_bypass；H_bypass是一个三维矩阵，维度是N×M×N_delay，包含了信道测量装置引入的功率和延时误差；H_bypass的第三维包含各逻辑子信道引入的量化延时，其中N_delay是H_bypass第三维的维度，取值为最大延时的逻辑子信道的量化延时值，若各逻辑子信道的量化延时值相同，那么N_delay的值为1；

(5)对应每一个逻辑子信道，在H_bypass的第三维上搜索绝对值最大值的元素并记录其在第三维的位置n_delay，n_delay的取值范围为1和N_delay之间的非负整数；通过第三维上的循环移位将最大元素移动至第三维上的第一个元素，从而对齐各逻辑子信道延时得到功率误差的相关矩阵H_{bypass_shift}；将H_{bypass_shift}中第三维上的第一个二维矩阵作为直通信道传输矩阵H_{bypass_shift_2d}，H_{bypass_shift_2d}的维度是N×M；

(6)对H_{bypass_shift_2d}进行奇异值分解，即计算H_{bypass_shift_2d}＝UDV^*，获得相应的U矩阵和V矩阵，其中U矩阵为N×N阶酉矩阵，V矩阵为M×M阶酉矩阵，D矩阵为半正定N×M阶的对角矩阵；

(7)根据各逻辑子信道的延时值n_delay修改由GPS驯服铷原子钟4提供时钟的定时同步逻辑，分配各逻辑子信道的接收定时基准，并进行接收天线和发射天线的同步与定位；

(8)对发射信号和接收信号进行校准，即：将发射信号X乘以V矩阵的共轭矩阵得到X'＝V^*X，将接收信号Y乘以U矩阵的共轭矩阵得到Y'＝U^*Y；利用校准后的信号矩阵X'和Y'获得MIMO信道系数，以去除信道测量装置对信道测量的影响；

(9)重新注入测量信号，进行数据采集与存储，结合建模方法得到信道系数矩阵H。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于分布式架构的多天线双向信道测量装置的校准方法，所述装置主要包括近端机(14)和多频点远端机(15)两部分，采用近端机(14)复用和多频点远端机(15)配置的方法实现多频点并降低复杂度，同时运用并行多通道架构和支持频分双工和时分双工的时隙与帧结构实现实时双向测量；

所述近端机(14)包括近端机电源(1)、存储阵列(2)、数据管理服务器(3)、GPS驯服铷原子钟(4)、基带子系统(5)、射频近端机(6)和近端光端机(7)，所述多频点远端机(15)包括远端机电源(8)、远端光端机(9)、射频多频点远端机(10)和天线阵列(13)，所述射频多频点远端机(10)和天线阵列(13)之间通过电缆(12)通信连接，所述近端光端机(7)与远端光端机(9)之间通过光纤(11)通信连接；所述天线阵列(13)、射频多频点远端机(10)、射频近端机(6)和基带子系统(5)用于实时测量MIMO信道特性；所述GPS驯服铷原子钟(4)用于提供基准频率与定时、地理信息和移动速度；所述存储阵列(2)和数据管理服务器(3)用于记录测量数据，并对参数进行实时观测和结果显示；

其特征在于：所述方法包括如下步骤：

(1)测量场景中，将近端机(14)设置在用户控制域计算中心，若干台多频点远端机(15)分别通过光纤(11)与一台近端机(14)通信连接，通过天线阵列(13)收发测量信号；

(2)设定工作频率和双工模式，所有发射通道设定相同的发射功率，所有接收通道设置相同的接收增益；

(3)校准物理通道带来的功率和延时误差；设每个天线阵列(13)有N个接收天线数和M个发射天线，每个发射天线连接一个一端口分N端口的功分器，每个接收天线连接一个M端口合一端口的功合器，N个接收天线和功合器之间通过N根相同规格的电缆连接，M个发射天线与功分器之间通过M根相同规格的电缆连接，功分器与功合器之间通过N×M根相同规格的电缆互联；

(4)M个发射天线发送独立不相关的测量信号，运用参数估计的方法得到信道冲击响应，结合离线分析得到MIMO信道的校准系数矩阵H_bypass；H_bypass是一个三维矩阵，维度是N×M×N_delay，包含了信道测量装置引入的功率和延时误差；H_bypass的第三维包含各逻辑子信道引入的量化延时，其中N_delay是H_bypass第三维的维度，取值为最大延时的逻辑子信道的量化延时值，若各逻辑子信道的量化延时值相同，那么N_delay的值为1；

(5)对应每一个逻辑子信道，在H_bypass的第三维上搜索绝对值最大值的元素并记录其在第三维的位置n_delay，n_delay的取值范围为1和N_delay之间的非负整数；通过第三维上的循环移位将最大元素移动至第三维上的第一个元素，从而对齐各逻辑子信道延时得到功率误差的相关矩阵H_{bypass_shift}；将H_{bypass_shift}中第三维上的第一个二维矩阵作为直通信道传输矩阵H_{bypass_shift_2d}，H_{bypass_shift_2d}的维度是N×M；

(6)对H_{bypass_shift_2d}进行奇异值分解，即计算H_{bypass_shift_2d}＝UDV^*，获得相应的U矩阵和V矩阵，其中U矩阵为N×N阶酉矩阵，V矩阵为M×M阶酉矩阵，D矩阵为半正定N×M阶的对角矩阵；

(7)根据各逻辑子信道的延时值n_delay修改由GPS驯服铷原子钟(4)提供时钟的定时同步逻辑，分配各逻辑子信道的接收定时基准，并进行接收天线和发射天线的同步与定位；

(8)对发射信号和接收信号进行校准，即：将发射信号X乘以V矩阵的共轭矩阵得到X'＝V^*X，将接收信号Y乘以U矩阵的共轭矩阵得到Y'＝U^*Y；利用校准后的信号矩阵X'和Y'获得MIMO信道系数，以去除信道测量装置对信道测量的影响；

(9)重新注入测量信号，进行数据采集与存储，结合建模方法得到信道系数矩阵H。