CN110944380A - 一种面向毫米波通信的mimo并行通道探测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向毫米波通信的MIMO并行通道探测装置，同时公开了该MIMO并行通道探测装置进行信道探测时所采用的方法。该MIMO并行通道探测装置创新性地设计了多通道高精度同步方法，实现了多收发通道之间的皮秒级同步；创新性地将零复制技术应用于数据传输部分的设计，从而实现了数据传输时延的显著降低；创新性地设计了多通道并行校准方法，相对于串行校准方法极大提升了校准效率。利用本发明，可以获得领先的动态信道探测能力和探测性能精度，帮助建立更精确的毫米波无线信道模型，有助于第五代移动通信网络的普及应用。

Description

一种面向毫米波通信的MIMO并行通道探测装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种无线信道探测装置，尤其涉及一种面向毫米波通信的MIMO(多输入多输出)并行通道探测装置，同时也涉及该MIMO并行通道探测装置进行信道探测时所采用的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

第五代移动通信网络(5G)的频段分成两个部分：一个是sub-6GHz频段，一个是毫米波频段(E-Band)。由于sub-6Ghz频段已经十分拥挤，各类电子设备的互干扰严重，而毫米波频段相对比较“干净”；加上毫米波频段能够提供更大的信号带宽，被普遍认为是5G中最有潜力的技术方向。

图1为毫米波(mm-Wave)通信系统的典型结构示意图。它需要借助大规模MIMO(多输入多输出)技术来克服信号衰减。其中，假设发射端(transmitter)的天线数为M_TX，接收端(receiver)的天线数为M_RX。此外，假设发射端TX的发射波束形成码本中有G_TX个波束

接收端RX的接收合并码本中有G_RX个波束

M_TX×G_TX维矩阵

收集了所有的发射波束，M_RX×G_RX维矩阵

收集了所有的接收波束。

毫米波通信系统的上述特点要求相应的信道探测设备采用多通道才有实际意义。但是，现有的毫米波信道探测设备大多还处于单发单收的配置状态下。由于毫米波信号衰减的原因，这种毫米波信道探测设备往往采用定向天线来获取足够的测量范围。为了克服定向天线带来的测量角度不足的问题，通过依次旋转发送和接收天线来“分块”测量无线信道。然而，这种依次旋转的测量方式导致一次完整的信道测试所需要的时间是小时级，极大地限制了毫米波信道探测设备的使用范围。

另一方面，现有的MIMO信道探测设备往往采用时分复用(TDM)方式将唯一的基带/射频收发信道依次切换到每对TX/RX通道上。这种方式虽然相对于单天线旋转的方式，可以有效降低测量时间，然而它仍然不适用于具有大量天线的复杂MIMO系统或具有高速移动终端的动态通信环境。有人提出了基于码分复用(CDM)和频分复用(FDM)的并行通道探测设备。然而，现有的并行通道探测设备普遍存在空间分辨率低，无法获得较高的测量动态范围等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种面向毫米波通信的MIMO并行通道探测装置。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述MIMO并行通道探测装置进行信道探测时所采用的方法。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种MIMO并行通道探测装置，包括基带处理子系统；其中，

所述基带处理子系统中，位于发射端的基带处理单元接收来自多通道触发器的触发时钟信号和发送端触发器的触发信号，生成并行通道上的基带信号，通过N元天线阵发送到接收端，其中N为正整数；

在接收端，所述N元天线阵接收的无线信号通过并行通道进入下变频器和A/D变换器，经过转换后获得基带测量信号，作为原始数据实时存储到磁盘阵列中。

其中较优地，在发射端，每个通道使用单级直接转换的上变频器将所述基带信号转换成具有特定频率的射频信号。

其中较优地，由GPS系统或者北斗系统提供稳定的脉冲序列，作为任意波形发生器产生初始粗同步所需周期信号的触发信号。

其中较优地，还包括位于接收端的数据存储子系统；

所述数据存储子系统包括顺序连接的基带IQ获取单元及数据流存储单元，所述数据流存储单元连接所述磁盘阵列。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种多通道高精度同步方法，用在上述的MIMO并行通道探测装置中，包括如下步骤：

(1)让每个通道共享相同的参考时钟；

(2)根据不同的信道采样频率，设置一个共享触发参考时钟，其周期等于各种采样时钟周期的最小公倍数，将每个通道和共享触发参考时钟的采样时钟都锁定在所述参考时钟上；

(3)由预定通道生成一个共享同步脉冲时钟，所述共享同步脉冲时钟通过精确校准的路径分布到不同的通道，以确保这些共享同步脉冲时钟信号之间的相位精确对齐；

(4)使用外部触发信号，由预定通道生成同步脉冲并将其分配到所有通道；在检测到所述同步脉冲后，每个通道测量共享同步脉冲时钟的第一个上升边缘与共享触发参考时钟信号之间的延迟间隙，根据其相对于所述预定通道的延迟间隙调整输出相位。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种并行数据高速流盘方法，用在上述的MIMO并行通道探测装置中，其中在数据存储过程中，只执行从FPGA到内核缓冲区和从套接字缓冲区到磁盘的两次DMA数据传输。

其中较优地，省略从内核缓冲区到用户缓冲区和从用户缓冲区到套接字缓冲区的两个复制进程。

根据本发明实施例的第四方面，提供一种多通道并行校准方法，用在上述的MIMO并行通道探测装置中，其中：

使用M进N出的射频耦合器连接并行通道的TX端和RX端，通过并行模式获取校准数据；其中，M、N为正整数。

其中较优地，包括如下步骤：

由TX端的M个通道传输正交PN序列，RX端的N个通道记录接收的原始数据；

从N个通道接收到的校准数据中，通过与M个通道发送的PN序列的相关运算，得到N×M个初始校准射频通道响应；

对所述射频耦合器的响应去卷积运算后，得到N×M个去除所述射频耦合器响应后的处理后校准射频通道响应；

对所述处理后校准射频通道响应与原始传输信号序列进行卷积，得到N×M个等效的传输信号；

对接收信号使用N×M个等效的传输信号进行相关运算，得到不包含收发通道射频响应的空口无线信道响应。

与现有技术相比较，本发明所提供的MIMO并行通道探测装置创新性地设计了多通道高精度同步方法，实现了多收发通道之间的皮秒级同步；创新性地将零复制(Zero-copy)技术应用于数据传输部分的设计，从而实现了数据传输时延的显著降低；创新性地设计了多通道并行校准方法，相对于串行校准方法极大提升了校准效率。利用本发明，可以获得领先的动态信道探测能力和探测性能精度，帮助建立更精确的毫米波无线信道模型，有助于第五代移动通信网络(5G)的普及应用。

附图说明

图1为毫米波通信系统的典型结构示意图；

图2为本发明所提供的MIMO并行通道探测装置的整体架构示意图；

图3为本发明所采用的多通道高精度同步方法的操作时序图；

图4(a)为常规的文件I/O操作时序图，图4(b)为本发明所采用的并行数据高速流盘方法的操作时序图；

图5为本发明所采用的多通道并行校准方法的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。

参见图2所示的整体架构，本发明所提供的MIMO并行通道探测装置至少包括如下五个子系统：

1)基带处理子系统(Tx Scheme)

在发射端，基带处理单元接收来自多通道触发器的触发时钟信号和发送端触发器的触发信号，生成正交PN码和QPSK调制序列，作为并行设置的射频传输通道(简称为通道，下同)的基带信号，并通过N(N为正整数，下同)元天线阵发送到接收端。在本发明的一个实施例中，将这些PN码和QPSK调制序列发送到相应的通道之前，可以利用上采样和整形滤波器对它们的频域形状进行改进。

在接收端，N元天线阵接收的无线信号通过并行设置的通道进入下变频器和高速A/D变换器中，经过转换后获得具有复杂MIMO信道信息的基带测量信号。这些基带测量信号包含完整的MIMO信道特性、测量环境和频带的信息。因此，将所有有价值的原始数据实时存储到磁盘阵列非常重要，但也很有挑战性。下面对此将有进一步的说明。

2)射频子系统和天线阵

在发射端，每个通道使用单级直接转换(I/Q)的上变频器将基带信号转换成具有特定的本地振荡器(LO)频率的射频信号。在本发明的一个实施例中，采用宽带正交校正技术，可以在较宽的瞬时射频带宽下，将残留边带图像和损耗降至最低。最后，多路射频信号通过一个N元天线阵实现并行传输。

在接收端，多路射频信号由N元天线阵(例如，N＝8)捕获，由特定的本地振荡器(LO)频率向下转换为基带信号进行数字化、存储和分析。

3)时钟与同步子系统(Synchronization Scheme)

为了在信道参数估计中获得较高的时空分辨率，必须保证MIMO信道之间的同步精度。在TX端和RX端的两个高精度基准时钟应精确同步，并具有恒定的相干相位。此外，所有TX/RX通道都依赖相同的本地振荡和触发机制来产生/采样基带信号，并传输/接收相参射频信号。在本发明的一个实施例中，由GPS系统或者北斗系统提供稳定的1pps脉冲序列，作为任意波形发生器(AWG)产生初始粗同步所需周期信号的触发信号。基于该触发信号，可以保证MIMO信道之间的同步精度不超过100皮秒。

4)校准子系统(Calibration Scheme)

本发明提供的MIMO并行通道探测装置可以看作是一个多通道时变复杂系统。为了保证信道估计精度，该装置采用了一种在线并行校准方法，对每一对TX/RX通道的非理想信道响应进行精确补偿。具体的校准数据被存储起来，并在数据后处理阶段使用。下面对此将有进一步的说明。

5)数据存储子系统(Data fetch and stream Scheme)

数据存储子系统位于接收端，包括顺序连接的基带IQ获取(Fetch)单元及数据流存储单元。数据流存储单元连接用于实现信道参数估计的参数提取单元。利用该数据存储子系统，可以高效存取大容量的原始数据，并将相应的GPS和标定信息封装为有价值的记录。

面对毫米波通信场景下的并行通道采集的实际要求，本发明所提供的MIMO并行通道探测装置采取了多种经过优化的MIMO并行通道探测技术方案，包括多通道高精度同步方法、并行数据高速流盘方法以及多通道并行校准方法等，可以实现收发两端同时并发并收、多通道皮秒级同步、多通道高性能并行校准。下面对此展开详细具体的说明。

1.多通道高精度同步方法

在毫米波通信场景下的实际应用中，不同的采样频率可以在多个通道中使用，这些采样时钟需要与一个公共参考时钟对齐。此外，由于时钟锁相环在多个通道之间的差异，设计一个鲁棒触发机制来实现时钟相位的精确同步是至关重要的。

在本发明的一个实施例中，对于3.5GHz的载波频率，假设天线单元的放置距离为0.5个波长、即4.3厘米，电磁波穿过两个相邻元素(天线单元)的时间差大约是140皮秒(ps)。为了准确估计到达/离开角(AoA/AoD)参数，需要将所有TX/RX通道的同步精度提高到70皮秒。为了满足上述的技术需求，时钟与同步子系统采用如下的多通道高精度同步方法：

首先，让每个通道(包括TX通道和RX通道)共享相同的10MHz参考时钟。

其次，根据不同的信道采样频率，设置一个公共参考时钟，称为共享触发参考时钟(简称为STRC)，其周期等于不同采样时钟周期的最小公倍数(参见图3所示的时序图)。每个通道和共享触发参考时钟的采样时钟都锁定在上述的10MHz参考时钟上，但没有进行相位对齐。

第三，由任意通道(例如图3中的通道1)生成一个公共同步信号，称为共享同步脉冲时钟(简称为SSPC)。共享同步脉冲时钟通过精确校准的路径分布到不同的通道，以确保这些共享同步脉冲时钟信号之间的相位精确对齐。

第四，通过使用外部触发信号，通道1生成同步脉冲并将其分配到所有通道。在检测到这个同步脉冲后，每个通道测量共享同步脉冲时钟的第一个上升边缘与共享触发参考时钟信号之间的延迟间隙。如图3所示，测量出通道1与通道N之间的时延差为ΔT₂。每个通道根据其相对于通道1的延迟间隙调整其DAC/ADC输出相位。在此过程中，所有通道的共享触发参考时钟和不同的采样时钟被精确地同步和相位对齐，从而能够满足所有TX/RX通道的同步精度要求。在本发明的优选实施例中，所实现的同步精度可以达到30皮秒，大大低于预定的同步精度要求。

2.并行数据高速流盘方法

在MIMO并行通道的探测过程中，来自MIMO并行通道的原始数据体积巨大，必须同时存储到磁盘阵列中。为了实现测量信道在时间和空间上的一致性，保证本MIMO并行通道探测装置的连续数据流吞吐能力是非常重要和必要的。为了获取更详细的时变信道特性，本发明进一步提供了一种实时高吞吐量的并行数据高速流盘方法，用来存储大容量的原始数据，并将相应的GPS和标定信息封装为有价值的记录。该方法有效地保证了测量数据跨并行通道的时间对齐和精度，实现了多通道数据的同步处理和分析。

在本发明的一个实施例中，使用直接内存访问-先输入后输出(DMA-FIFO)的方式处理来自数据总线的巨大传输带宽，并使用零复制技术来避免额外的复制和状态转换，从而有效地减少操作系统内核的延迟，大大简化了CPU消耗。

图4(a)为常规的文件I/O操作时序图，图4(b)为本发明所提供的并行数据高速流盘方法(也称为零复制方法)的操作时序图。参见图4(b)所示，在零复制方法中省略了从内核缓冲区到用户缓冲区和从用户缓冲区到套接字缓冲区的两个复制进程。整个传输过程只执行了两次DMA数据传输，包括从数字化仪(digitizer)的FPGA将数据传输到内核缓冲区和从套接字缓冲区缓存到磁盘。而原本需要的从内核空间到用户空间的数据复制，以及从用户空间到内核空间的数据复制(参见图4(a))均可以省略。由于这些内存中的复制需要耗费大量的CPU资源，因此采用上述的零复制方法，可以有效降低传输时延，同时还可以极大地降低CPU的负载，从而提升整个MIMO并行通道探测装置的性能。

在本发明的优选实施例中，为了实现无线信道的全信息采集，我们倾向于存储原始采样数据。粗略估计，8个采样速率为180M/s的信道和14位IQ数据存储的原始数据至少需要50Gbs的数据流率。在高带宽硬件总线和上述零复制方法的帮助下，本MIMO并行通道探测装置可以达到51.2Gbps的数据流率，完全满足上述的性能要求。

3.多通道并行校准方法

为了获取准确的无线信道传播特性，需要有效消除非理想信道响应对时延估计的影响。另一方面，对于多通道并行的信道探测设备而言，多个射频通道响应之间的差异也将大大降低空间参数的估计精度。为了解决上述问题，现有技术中通常采用基于背靠背的测试来获取校准数据，并在后期处理阶段进行补偿。

在本发明的一个实施例中，创新性地使用一个M进N出(M、N均为正整数，下同)的射频耦合器(RF Coupler)连接多通道的TX和RX端，通过并行模式来获取校准数据，以适应真实的测量场景。

校准过程与实际测量的过程类似。参见图5所示，TX端的M个通道传输正交PN序列，RX端的N个通道记录接收的原始数据。从N个RX端通道接收到的校准数据中，通过与M个TX端通道发送PN序列的相关运算，可以得到N×M个射频通道响应。该射频耦合器的每一个输入端口到输出端口的响应都可以预先用VNA(向量网络分析仪)进行测量。

接收信号可以表示如下：

其中，Y_t,j(k)是接收端第j根接收天线收到的校准数据，其中下标t表示的该信号用于校准过程，h_t,i(k)是第i个发送通道的射频通道响应，h_r,j(k)为第j个接收通道的射频通道响应。C_i,j(k)是射频耦合器的i端口到j端口的系统响应，其值可以通过VNA(向量网络分析仪)事先进行测量。S_i(k)表示第i路发射机发送的信号部分，n_j表示在第j路接收通道上叠加的高斯白噪。

i-th发射机对应的发送信号序列与j-th接收机接收信号进行相关，可以从接收信号中分离出i-th通道对应的初始校准射频通道响应。依次便利M个TX通道和N个RX通道，可以得到N×M个初始校准射频通道响应。

通过对N×M个初始的校准射频通道响应中将射频耦合器的响应去卷积运算后，我们可以得到N×M个处理后的校准射频通道响应。

通过对处理后的校准射频通道响应与原始信号发送序列进行卷积，可以得到等效的传输信号。。测量数据表示为:

Y_m,ij(k)＝S′_i,j(k)*h_i,j(k)

S′_i,j(k)＝S_i(k)*h_t,i(k)*h_r,j(k)

其中，Y_m,ij(k)表示实际无线信道测量场景下，其中下标m表示该信号用于实际测量过程。即表示第i路发送天线发出的信号经过通道i,j信道h_i,j(k)卷积以后，被第j路接收天线到的接收信号。

S′_i,j(k)表示在测量过程中第i发送到第j路的等效发送信号，其表达为实际的第i路通道发送信号S_i(k)卷积发送通道i的射频通道响应h_t,i(k)，再卷积通道j的射频通道响应h_r,j(k)的结果。

最后，再针对M发N收的实际信道测量，对接收信号使用N×M个等效的传输信号进行相关运算，即可得到不包含收发通道射频响应的空口无线信道响应。

可以看出，利用后处理阶段的等效传输信号，我们可以直接获得纯无线信道响应和信道参数，从而实现了去除由于射频通道响应的非理想因素导致的对测量结果的影响。

在本发明的优选实施例中，使用美国国家仪器(National Instruments)公司的SDR毫米波开发平台进行设计，通过8发8收的测量天线配置，可以实现每通道2GHz的瞬时带宽，最大可测量高达2Khz及以上的多普勒频率偏移，以及最大51.2GHz通道传输速率，以及最大35dB的测量动态范围。本MIMO并行通道探测装置解决了现有技术中，单发单收或基于时分天线切换(TDM)方式的MIMO毫米波信道探测仪仅能测量静态信道场景的问题，可以帮助建立更精确的毫米波无线信道模型，有助于第五代移动通信网络(5G)的普及应用。

上面对本发明所提供的面向毫米波通信的MIMO并行通道探测装置及其方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种MIMO并行通道探测装置，其特征在于包括基带处理子系统；其中，

所述基带处理子系统中，位于发射端的基带处理单元接收来自多通道触发器的触发时钟信号和发送端触发器的触发信号，生成并行通道上的基带信号，通过N元天线阵发送到接收端，其中N为正整数；

在接收端，所述N元天线阵接收的无线信号通过并行通道进入下变频器和A/D变换器，经过转换后获得基带测量信号，作为原始数据实时存储到磁盘阵列中。

2.如权利要求1所述的MIMO并行通道探测装置，其特征在于：

在发射端，每个通道使用单级直接转换的上变频器将所述基带信号转换成具有特定频率的射频信号。

3.如权利要求1所述的MIMO并行通道探测装置，其特征在于：

由GPS系统或者北斗系统提供稳定的脉冲序列，作为任意波形发生器产生初始粗同步所需周期信号的触发信号。

4.如权利要求1所述的MIMO并行通道探测装置，其特征在于还包括位于接收端的数据存储子系统；

所述数据存储子系统包括顺序连接的基带IQ获取单元及数据流存储单元，所述数据流存储单元连接所述磁盘阵列。

5.一种多通道高精度同步方法，用在权利要求1～4中任意一项所述的MIMO并行通道探测装置中，其特征在于包括如下步骤：

(1)让每个通道共享相同的参考时钟；

(2)根据不同的信道采样频率，设置一个共享触发参考时钟，其周期等于各种采样时钟周期的最小公倍数，将每个通道和共享触发参考时钟的采样时钟都锁定在所述参考时钟上；

(3)由预定通道生成一个共享同步脉冲时钟，所述共享同步脉冲时钟通过精确校准的路径分布到不同的通道，以确保这些共享同步脉冲时钟信号之间的相位精确对齐；

(4)使用外部触发信号，由预定通道生成同步脉冲并将其分配到所有通道；在检测到所述同步脉冲后，每个通道测量共享同步脉冲时钟的第一个上升边缘与共享触发参考时钟信号之间的延迟间隙，根据其相对于所述预定通道的延迟间隙调整输出相位。

6.一种并行数据高速流盘方法，用在权利要求1～4中任意一项所述的MIMO并行通道探测装置中，其特征在于：

在数据存储过程中，只执行从FPGA到内核缓冲区和从套接字缓冲区到磁盘的两次DMA数据传输。

7.如权利要求6所述的并行数据高速流盘方法，其特征在于省略从内核缓冲区到用户缓冲区和从用户缓冲区到套接字缓冲区的两个复制进程。

8.一种多通道并行校准方法，用在权利要求1～4中任意一项所述的MIMO并行通道探测装置中，其特征在于：

使用M进N出的射频耦合器连接并行通道的TX端和RX端，通过并行模式获取校准数据；其中，M、N为正整数。

9.如权利要求8所述的多通道并行校准方法，其特征在于包括如下步骤：

由TX端的M个通道传输正交PN序列，RX端的N个通道记录接收的原始数据；

从N个通道接收到的校准数据中，通过与M个通道发送的PN序列的相关运算，得到N×M个初始校准射频通道响应；

对所述射频耦合器的响应去卷积运算后，得到N×M个去除所述射频耦合器响应后的处理后校准射频通道响应；

对所述处理后校准射频通道响应与原始传输信号序列进行卷积，得到N×M个等效的传输信号；

对接收信号使用N×M个等效的传输信号进行相关运算，得到不包含收发通道射频响应的空口无线信道响应。

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