CN1596488A

CN1596488A - 使用窄带信道的宽带无线电系统的频率相关校准

Info

Publication number: CN1596488A
Application number: CNA028236491A
Authority: CN
Inventors: E·D·林斯各; M·D·特罗特; A·B·凯尔
Original assignee: Arraycomm LLC
Current assignee: Arraycomm LLC
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: EP1438768B1; DE60234370D1; CN100490349C; EP1438768A1; JP4279671B2; WO2003028153A1; US20030064739A1; US6788948B2; KR100954400B1; KR20040037212A; JP2005505161A

Abstract

提供一种方法和设备，通过宽频带对于一组发送或接收链确定群延时而不引起与系统的同时用户的显著干扰。在一种实施例中，本发明包括：天线阵列，适合于发送和接收与多个其它终端的无线电通信信号，这些通信信号均使用特定的最小带宽；发送链，在最小带宽内的至少两个不同频带上通过天线阵列将校准信号发送给转发器；和接收链，通过天线阵列从转发器接收转发器信号，此转发器信号在至少两个不同的频带上被接收并基于校准信号。信号处理器根据通过接收链接收到的转发器信号的至少两个频带确定频率相关校准矢量。

Description

使用窄带信道的宽带无线电系统的频率相关校准

技术领域

本发明一般涉及数字信号通信领域以及接收和发送链(chain)校准。更具体地说，本发明涉及在多个频率上使用窄带信号校准群延时。

背景技术

使用定向而非全向无线电传输能够大大提高无线电通信容量。一种发送定向信号和定向地接收信号的方式是通过天线阵列使用波束形成和补零(nulling)。如果发送和接收链都被校准，则能够改善通过天线阵列的波束形成和补零的精确性。校准可以应用于从基带上的数字接口到从每个天线振子辐射的或者在其上接收的场的链。一种实现校准的方式是使得与天线阵列分离的转发器在基站下行链路频率上监听天线振子的输出。转发器从基站接收下行链路校准信号，并且然后在上行链路频率上重新发送。通过选择合适的信号发送和选择合适的信号接收，基站能够应用信号处理来估计相位和幅度补偿以校准其发送和接收链。

例如在授予RoyIII等人的美国专利US 5,546,090中描述了一种远程转发器校准系统。该专利描述了在每个发送和接收链上校准窄带FDD(频分双工)系统的相位和幅度。在FDD系统中，偶尔会出现未使用的时间和频率时隙，并且可以使用它们来发送和接收窄带校准信号。然而，在典型的扩频系统中，存在未使用的时间和频率时隙用于校准。与FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址)系统不同，诸如CDMA(码分多址)系统的扩频系统具有同时使用同一无线电信道的多个用户。如果转发器被设计为使用业务所用的同一扩频信道来接收和发送信号，则因为校准而被添加到信道上的附加能量将会降低系统容量。典型的转发器将接收包括校准信号的所有下行链路业务、偏移频率、放大它、并将所有的业务发回给基站。这产生在上行链路上由转发器发送的大量能量，并可能有效地压倒所有其它的业务。结果，校准将影响下行链路和上行链路信道的容量。为了校准一组发射机或接收机的群延时，通常在更宽的频带上发送校准信号，进一步确保中断普通业务。

发明内容

提供一种方法和设备，对于宽频带上一组发送或接收链确定群延时而不引起对系统的同时用户的显著干扰。在一种实施例中，本发明包括：天线阵列，适合于利用多个其它终端发送和接收无线电通信信号，这些通信信号均使用特定的最小带宽；发送链，通过该天线阵列在最小频带内的至少两个不同的频带上向转发器发送校准信号；和接收链，通过天线阵列从转发器接收转发器信号，该转发器信号在至少两个不同的频带上被接收并基于校准信号。信号处理器根据通过接收链接收的转发器信号的至少两个频带来确定频率相关校准矢量。

本发明的其它特征从附图以及下面的详细描述中将是显而易见的。

附图说明

在附图中通过例子而非限制性地描述本发明，在附图中相同的参考数字代表类似的单元，在附图中：

图1是一个方框图，图示适合于与本发明一种实施例一起使用的无线通信系统基站的示例性结构；

图2是一个方框图，图示适合于与图1的基站一起使用的无线转发器系统的示例性结构；

图3是图示接收链的校准的处理流程图；和

图4是图示发送链的校准的处理流程图。

具体实施方式

介绍

在一种实施例中，本发明包括一种用于校准使用窄带转发器的宽带自适应天线基站的多个发送和接收链的群时延的方法。为了校准发送和接收链的群时延，基站在下行链路频带上在至少两个不同频率上通过每个发送链发送不同的窄带校准信号。这些信号随后由窄带转发器接收，并作为窄带信号在宽带上行链路频带内被重新发送给基站。在这个应用中，自适应天线基站内的无线电设备支持宽带信道。然而，为了避免产生任何不必要的干扰，校准信号和转发器信号是窄带的。换句话说，校准信号仅占用宽带信道的窄部分。转发器仅在这些窄频带内接收，并仅在上行链路频带的相应窄部分内重新发送这些信号。

因为窄带信号仅给宽带上行链路和下行链路信道添加少量的能量，所以可以在由基站支持常规数据业务的同时执行校准。校准信号的带宽越窄，则将添加给系统的能量就越低。对于宽带扩频系统来说，窄带信号可能很容易是常规数据业务信道宽度的十分之一或者百分之一。对于频分系统来说，窄带信号依然可以是业务信道宽度的三分之一至五分之一。信号功能电平的正确选择可以进一步降低对常规业务的影响。使用多个窄带信号和转发器频带，有可能校准作为频率函数的多个普通相位和增益变化。在CDMA(码分多址)系统，有可能将CDMA系统设计为对窄带信号特别敏感。

在一种实施例中，转发器仅在将要被校准的较宽带宽系统的业务频带内的窄频带上接收和重新发送。该系统可以具有一组带有天线振子的宽带发射机和一组带有天线振子的宽带接收机，或者单组振子可公用于发射机和接收机。在两种情况下，通常利用发送链和接收链的群延时的频率校准改善系统性能。群延时校准矢量对于接收链和发送链来说可以是不同的。在一个例子中，该系统具有多信道基站，该基站使用带有SDMA(空分多址)的CDMA与最远达10公里的多个用户通信。对于这个系统来说，已经发现每一个小时或两个小时的校准将显著地改善性能。利用这种频率校准，校准对普通操作的影响非常重要。根据本发明，校准对普通操作的影响可以使用窄带校准转发器而被最小化。

在每个窄频率校准频带上，可通过两个或多个发送链发射不同的信号。例如，通过将不同的频率调制在这些信号上而使这些信号不同。在一种实施例中，序列是正交序列以有助于解调。在另一种实施例中，将这些序列作为扩频码调制到这些信号上。这允许在所接收的信号上使用解扩码，以便能够区分来自每个发送链的信号。转发器接收这些信号，并在基站上行链路频带内重发这些信号。由基站接收的信号随后可予以处理，以测量这些信号的任何希望的相对特性。例如，可以使用这些信号来查找所涉及的发送链的相对相位和幅度以及所有接收链的相对相位和幅度。通过在不同的发送链上发送不同的信号，这些信号在接收时可以是不同的。这允许为每个发送链独立地估计诸如相对相位和幅度等特性。这些特性可用于确定上行链路和下行链路的空间标记(signature)以及计算频率相关校准矢量。组合在不同频率上的相位测量，可推导出群延时校准矢量。

通过在单个天线上接收不同信号并且然后估计用于在不同发送链上发送的每个不同信号的信道，可估计发送链的相对相位和幅度。通过在单个发送链上发送单个校准信号并在不同的接收链上接收此信号，可估计接收链的相对相位和幅度。随后，可估计和比较在每个接收链上接收到的信道以发现空间标记并用于校准。结果，如果在所有的发送链上发送校准信号一次并且随后通过所有的接收链接收相应的转发器信号，可根据单个下行链路和上行链路短脉冲串来校准整个阵列。因为发送和接收校准矢量确定不需要彼此耦合，所以在同一短脉冲串上执行校准提高了效率，并降低了对业务的影响。如果在相同的时间上或者在很近的不同时间上在两个或多个不同频率上发送校准信号，则可推导出群延时。

作为一种替代方法，可一次仅校准若干或甚至两个发送或接收链。如果在每个校准测量中不牵涉所有的发送或接收链，则可以使用不同组的发送或接收链来执行重复的校准测量，以便可以在所有的发射和接收天线之中测量所有的相对相位和幅度。如果在每个测量中存在公用的发送或接收链，则可以改善精确度。这允许所测量的相位和幅度相对于公用链是彼此相关的。典型地，将接收链之一指定为参考接收链，并与每个接收链成对地测量校准信号，所述接收链与参考链是成对的。因为参考链参与每个测量，所以通过参考链可以使所有其它的链相互参考。在校准接收链之后，对与参考链成对测量的发送链执行类似的处理。选择哪个特定链作为参考链并不重要，并且接收和发送参考链相互之间不需要具有任何关系。校准矢量可以表示为相对于参考或者相对于任意标准的变化，所述任意的标准例如分别是接收或发送链之间差值的平均值、平均值或中值。

在一种实施例中，在SDMA无线电数据通信系统内实现本发明。在这样一种空分系统内，每个终端与一组空间参数相关，所述空间参数涉及例如基站和用户终端之间的无线电通信信道。空间参数包括用于每个终端的空间标记。使用空间标记和阵列天线，来自基站的射频(RF)能量可以更精确地在单个用户终端上被导向，降低与其它用户终端的干扰，并降低其它用户终端的噪声阈值。相反地，在相同的时间上从若干不同用户终端接收到的数据可以在较低的接收能量电平上被解析。利用用户终端上的空分天线，需要用于通信的射频能量甚至可以更低。对于在空间上彼此分离的用户来说，益处甚至更大。空间标记可以包括诸如发射机的空间位置、抵达方向(DOA)、抵达时间(TOA)和与基站的距离。

诸如信号功率电平、DOA和TOA等参数的估计可以使用在数字数据流内放置的用于信道均衡目的的公知训练序列结合传感器(天线)阵列信息来确定。随后，使用此信息来计算用于空间解复用器、复用器和组合器的合适的加权。可以使用在本领域中公知的扩展的卡尔曼(Kalman)滤波器或其它类型的线性滤波器来在确定空间参数时利用训练序列的属性。例如，在1998年10月27日授予Ottersten等人的美国专利5828658和1997年6月24日授予RoyIII等人的美国专利5642353中描述了与使用空分和SDMA参数有关的进一步的细节。

基站结构

本发明涉及无线通信系统，并可以是固定接入或移动接入无线网络。可以结合诸如码分多址(CDMA)和其它扩频型系统等的宽带多址系统使用空分技术。图1图示适合于执行本发明的无线通信系统或网络的基站的例子。该系统或网络包括多个用户站，也称作远程终端或用户终端(未图示)。基站可通过它的主DSP 231被连接到广域网(WAN)，以提供任何所需要的数据业务和直接无线系统外部的连接。为了支持空间分割，使用多个天线103，例如四个天线，尽管也可以选择其它数量的天线。

天线的输出被连接到双工器转换器107，在这个CDMA系统中它是频率转换器。可选择地，可以使用单独的发送和接收天线阵列，在这种情况下不需要双工器。当接收时，天线输出通过转换器107连接到RF(射频)接收模块205，并在下变频器207中被下混频和信道化。下变频后的信号随后被抽样并在ADC(模数转换器)209内被转换成数字信号。这可以使用FIR(有限脉冲响应)滤波技术来实现。本发明可被修改以适合于各种射频和IF(中频)载波频率和频带。

在当前的例子中，具有四个天线信道输出，每个来自每个天线接收模块205。可以改变信道的具体数量以适合于网络需要。对于四个接收天线信道中的每个接收天线信道来说，将来自四个天线的四个下变频输出馈送给数字信号处理器(DSP)设备217以便包括校准的进一步处理。根据本发明的一个方面，四个摩托罗拉DSP56300系列DSP可用作信道处理器，每个接收信道一个处理器。时隙处理器217监视所接收的信号功率，并估计相位和时间对准。它们还确定用于每个天线振子的智能天线加权。这些在空分多址方案内用于确定来自特定远程用户的信号并解调所确定的信号。

信道处理器217的输出是解调的短脉冲串数据。将此数据发送给主DSP231，此DSP的主要功能是控制系统的所有单元并与更高层处理接口。更高层处理提供在系统的通信协议内定义的所有不同的控制和服务通信信道内通信所需要的信号。主DSP 231可以是摩托罗拉DSP56300系列DSP。此外，信道处理器将所确定的用于每个用户终端的接收加权发送给主DSP 231。

主DSP 231保存状态和定时信息，从信道处理器217接收上行链路短脉冲串数据，并编程信道处理器217。此外，它解密、解扰和检查检错码，并解构(deconstruct)上行链路信号的短脉冲串，然后为在基站的其它部分内的更高层处理格式化将要发送的上行链路信号。相对于基站的其它部分，它格式化服务数据和业务数据以便在基站内的更高层处理，从基站的其它部分接收下行链路消息和业务数据，处理下行链路短脉冲串，并格式化和发送下行链路短脉冲串给发送链，如下文中所讨论的。

来自主DSP 231的发送数据用于生成发送给射频发射机(tx)模块245的模拟发送输出。具体而言，通过DAC(数模转换器)241将所接收的数据比特转换成模拟发送波形，并在上变频器243上将其上变频到中频上的复调制信号。将这些模拟波形发送给发送模块245。发送模块245将这些信号上变频到发射频率，并放大这些信号。通过双工器/时间转换器107将放大后的发射信号输出发送给天线103。

窄带转发器结构

参见图2，图示了适合于实现本发明中使用的远程转发器的例子。这个转发器设计得便宜且简单。如果需要的话，所图示的特定转发器设计也可以在可以在基站安装时使用的小型、便携式和轻型组件中进行。转发器可以安装在附近固定设备上或甚至安装在由基站天线使用的天线杆上。可选择地，转发器也可以作为更复杂和完全功能的用户终端的特定模式来操作。第二基站也可以执行转发器功能。转发器118的功能是在宽带下行链路信道的范围内接收信号，将其上变频或下变频到宽带上行链路信道，滤波其以便仅选择窄频带，放大其，以及然后作为上行链路信道内的信号重发它。如上所述，频移转发器118仅是适合于在校准时使用的转发器的一种可能的例子。对转发器唯一的一般要求是它发回能够以某种方式与所接收到的信号区别开来的射频信号。除了使此信号频移之外，转发器还可以时延该信号，或者更普遍地使用各种公知的调制方案调制该信号。对于码分多路复用系统来说，转发器还可以利用用于上行链路信道的新的扩频码解码所接收的信号和对其编码。

如图2所示，在转发器天线122上接收来自基站的校准信号。双工器140分别地选择路由发送在天线上接收的信号到始于接收带通滤波器126的接收链和择路发送来自于发送链的信号，该发送链结束于发送带通滤波器125。在接收链中，在滤波125之后将来自转发器天线的信号择路发送给低噪声放大器(LNA)142。这个放大后的信号随后通过带通滤波器144再次滤波，这根据信号的频率消除不希望的信号。这个滤波后的信号随后通过混频器148被下变频到IF(中频)，混频器148组合所接收的信号与LO(本地振荡器信号)146波形。在上变频以便发射之前，通过另一个带通滤波器150处理该IF信号。信道滤波器150可以被配置为具有两个或更多通带，每个分别用于来自基站的校准信号的每个频率。

第二混频器149组合来自带通滤波器150与第二LO 147的信号以生成在频率上相互间隔并在上行链路频带内的两个新的发送信号。这两个新的信号被带通滤波145，并在功率放大器143中被放大。功率放大器由功率反馈控制环路141进行调整以降低与其它信道的干扰，并平滑地在基站上校准信号的接收。另一个带通滤波器125消除较高混频器产物以及来自功率放大器的任何人工产物，仅留下在射频接收链上作为原始输入信号拷贝的较低混频器产物，除了其频率之外。将这个信号连接到双工器140，以便通过天线振子122发送。作为一种选择，转发器图示了独立的发送天线振子123和接收天线振子124。如果使用独立的振子，则不再需要双工器140，并且天线可以直接耦合到相应的发送和接收带通滤波器。

上述转发器被设计为移位和转发来自基站的窄带信号，这些信号在由电信产业联合会(TIA)标记为IS-95的北美蜂窝CDMA通信的频带内被发送。在一些情况下，可能希望在完整的CDMA信道上接收宽带校准信号，并将其作为窄带信号返回。因为大多数单个信道通信带宽对于在射频上的实际滤波器来说过宽，所以这样的单个信道转发器将把射频下混频到较低的中频，并在此中频上应用窄带滤波器，以及然后将滤波后的信号上混频回到所希望的射频，以便作为窄带信号被回波返回。在所有的其它方面，宽带的单个信道转发器将与在此所述的窄带转发器类似地工作和被构造。

为了确定群时延，希望校准信号的至少两个频率。为了返回校准信号的两个频率，转发器可以被配置为返回在频率上被偏移的两个窄带信号。可选择地，可以使用带有唯一的或某种共享硬件的附加转发器。每个转发器可以被配置为仅在窄带内接收和发送，或接收和发送更宽范围的不同频率。多频率转发器系统的具体设计将取决于应用和通信系统的具体环境。

在操作中，基站DSP 217生成在它通过双工器从天线阵列中发送的至少两个频率上的专用窄带校准发送信号。转发器接收校准发送信号，并使用合适的改变使其回波返回，以便可以通过双工器通过接收链予以接收。在常规的蜂窝CDMA系统中，无线电系统使用不同的发送和接收频率。因而，转发器在上行链路频带内回波返回一个信号，所述频带是它接收的下行链路信号的频移的拷贝。基站DSP通过接收链获取在两个频率上的回波的校准信号，并使用这个接收到的校准信号以及发送校准信号的知识来计算群延时矢量，这些矢量随后被存储在群延时校准矢量存储缓冲器内。

对于CDMA蜂窝系统来说，可以给系统分配从诸如824MHz到835MHz的带宽或者从835MHz到849MHz的带宽。在这个范围内的宽带信道可以窄到1.25MHz或宽到5MHz。在这样的系统内，上行链路和下行链路频带通常以显著的保护频带被相互间隔，以便它们间隔1.25MHz到5MHz。这是转发器必需移位校准信号频率以便将其发送回基站的数量。在其它的系统中，宽带上行链路和下行链路信道可以宽到40MHz或者更宽。另一方面，窄带校准信号通常将是从0.01MHz到0.1MHz宽。校准信号的频谱宽度将和适中成本上利用方便可用设备的合理方便性一样小。信号越窄，则它与现存通信业务的干扰越小。然而，如上所述，窄带信号也必须能够通过宽带发送和接收链被发送和接收。必要的带宽限制也将取决于具体的系统。对于宽带信号是1.25MHz宽的系统来说，窄带信号将有可能比其中宽带信号是40MHz宽的系统更窄。所使用的具体载波频率也可以被修改以适应特定系统的需要。当前，合适的系统具有以从450MHz到2100MHz范围的频率为中心的载波频率。在无线电技术和频谱分配改变时，此范围预期将变得较大。

校准矢量的计算

存在多种不同的方式使用窄带信号和转发器来计算和校准多天线阵列的相位和幅度。于1996年8月13日授予RoyIII等人的美国专利US 5546090、于1999年7月27日授予Parish等人的US 5930243和授予Parish等人的US 6037898描述了校准的合适方案。在Boros等人的于1999年11月11日出版的国际申请号WO99157820中描述了另一种方案。这些参考文献的公开文本在此引用作为参考。

与校准基站的发送和接收链的群延时有关，假设在上行链路和下行链路上相同的RF传播，可以使用单个转发器或用户单元及其基站一起来执行校准。然而，本发明能够为转发器或任何用户单元单独地确定上行链路和下行链路标记。这些空间标记包括在基站硬件内电子信号路径的影响以及在用于转发器或用户单元的上行链路和下行链路电子信号路径之间的任何差值。这种信息的一种使用是在至和自用户单元的RF传播不同时确定用于每个用户单元的单独校准。另一个使用是校准基站，而不是使用基站和单个转发器来获得单个校准矢量，使用若干转发器来确定单个校准矢量。

在一种实施例中，单个校准矢量是平均校准矢量。在另一个实施例中，这是加权的平均校准矢量。提供给使用特定用户单元进行的估计的加权将取决于由用户单元接收到的信号质量的测量值，所以在加权平均中根据具有更佳质量信号的用户单元的估计将获得更多的加权。在Yun的于1999年8月12日公开的国际专利申请号WO 99/40689中公开了一种用于确定信号质量的方法和设备。

在图1和图2的结构中，基站DSP生成一组用于校准的信号。在一个例子中，所有的天线发送不同的已知校准信号，以便可以计算从每个发射天线到每个接收天线的信道。通常，在减去专用于转发器位置的组成部分之后，则可以根据从一个发送天线到每个接收天线的信道的频率的相位、幅度的差值来估计接收校准矢量。通过平均来自所有发射天线的结果，依然可进一步改进校准矢量。相应地，在减去转发器专用组成部分之后，可以根据从不同发射天线到接收天线之一的信道的相对相位和幅度来估计发送链的校准矢量。在此，平均来自所有不同接收天线的结果可以进一步改进估计值。

使用两个或多个窄带转发器返回，可以分别在基站下行链路和上行链路频带内的两个频率上校准发送和接收链的相对相位和幅度。这些测量也可以用于校准群延时以及在接收或发射链之间的任何其它的频率相关差值。如果在业务频带内以一定距离间隔地设置两个窄频带，则可以获得更高的精确度。也可以通过使用两个以上的不同频率获得更高的精确度。校准频率和不同频率数量的最佳选择将取决于业务频带的带宽和所希望的精确度。

因为群延时可以被视为等价于具有特定斜率的相位斜坡(ramp)，因此，可以使用相位测量来分别校准发送和接收链中在群延时上的相对差值。这可以通过根据在频带内两个频率上的相位测量计算相位斜坡的斜率来完成。因为由于相位环绕(wrapping)而在每个相位测量中具有不确定性，所以两个测量频率之间的相对相位可以仅被确定为在360度的相位窗口内。结果，可测量并补偿与在两个测量频率之间360度相移相对应的任何群延时改变和延迟内的差值。

可根据相位校准处理直接确定群延时。如果系统正在校准各个接收和发送链的相位和幅度差值，则可以使用根据此处理的相位确定来找到群延时。也可以使用除了任何相位校准处理之外计算出的相对相位测量来确定群延时。相位校准将为每个天线i和频率j提供具有校准系数α_ij的校准矢量。在频率j上天线i的实际相位_ij可以表示为_ij＝α_ij+δ_j，其中δ_j是公用于频率j上所有天线的任意未知相位项。不需要获知δ的数值来相对于其它链校准发送或接收链。仅需要利用α表征的相对相位。

对于群延时，使用不同的发送或接收链之间的差值。对于单个频率j，天线i和i’之间的这个差Δ_j可以表示为Δ_j＝_ij-_i′j＝α_ij+δ_j-(α_i′j+δ_j)＝α_ij-α_i′j。通过比较在不同频率上相位的差值Δ来获得天线i和i’之间的群延时。对于频率j和j’，群延时因此与Δ_j-Δ_j′成比例。使用在两个不同频率上的相位校准矢量α，可快速地确定相对群延时。

在上述处理中，在频率j上公用于所有天线的任意未知相位项δ_j保持未知。这个项也可以随着时间而改变。例如，如果重复地测量频率f₁，则测量的标记可以表示为e^ja₁，其中a是包含元素a₁，a₂，a₃，…的在频率f₁上的测量矢量，并且相位随着每次测量而改变。可选择地，所测量的相位可以被标准化，以便某个分量，例如第一分量是实值。在任一情况下，不测量绝对相位。

结果，使用相位校准值不能容易地确定绝对群延时，然而，不同发送和接收连之间的相对相位时延的校准显著地增强性能。这些相对相位差值构成系统的发送和接收链之间的差分相位时延。当前的数字信号处理技术可以适应来自单个发射机的频率相关相位变化。如果可以对准来自多个发射机的相位变化，则可以以与单个发射机相同的方式利用接收机来适应多发射机系统内的变化。如果相位变化在发射机之间是不同的，所发射的信号变得更难以解决。因此，虽然在一些应用中可能会希望校正绝对群延时的校准，但是校准相对群延时是非常有用的。发送链或可选择地接收链之间的差值越大，则可以越高地降低系统的性能。

使用相位和幅度测量，可以形成校准矢量，并由基站应用于传输。一种方案使用来自天线系统的接收链的空间标记，并且在两个不同频率上使用标记利用线性相位偏移斜坡。空间标记可以由矢量或者用于每个接收或发送链的一组相位和幅度测量值构成。它们可以表示为α_j和α_j′，其中α_j例如代表一组数值α_j1，α_j2，α_j3，…，α_M，分别用于在频率j上的M个接收或发送链i＝1，2，3，…，M中的每个接收或发送链。组合这两个标记，以推导出频率相关校准因子c(f)。

虽然c(f)的线性适配(fit)提供了仅使用两个测量频率简单和快速地确定校准矢量，如下文所述，但是可以测量更多的频率，并可以使任何其它的曲线或形状匹配所测量的结果。内插或曲线匹配算法的选择以及测量的不同频率的数量的选择将取决于校准复杂性和信号质量之间的平衡。除了其它因素之外，将也有可能考虑均衡器和解调器的质量以及系统频带的宽度。

为了利用频率校准差分幅度偏移，用于每个天线i＝1，…，M的频率相关幅度校准因子|g_i(f)|可以通过线性内插来确定：

|g_i(f)|＝[(f-f₁)/(f₂-f₁)|a_1，i|]+[(f₂-f)/(f₂-f₁)|a_2，i|]，f₂≥f≥f₁，

其中f₂对应于频率j’，f₁对应于频率j，a_1，i对应于天线i在频率f₁上的相位和幅度测量值，a_2，i对应于天线i在频率f₂上的相位幅度测量值。可以使用线性外插来扩展在两个测量频率f₁和f₂之间的间隔外部的幅度校准因子。

为了确定校准矢量c(f)的相位部分，可以使用补偿相位环绕的修改的线性内插。如上所述，存在360度或2π的相对相位窗口，在这一点上，相位环绕回到零。如果角度(a)是在度数上可采用从-180度直到但是并不包括180的任意值的角度，角度(a)∈(-180，180]，并且角度(a)对应于复数a，和a*是a的复共扼，则用于天线i在频率f上的校准相位_i(f)可以表示如下：

_i(f)＝[(f-f₁)/(f₂-f₁)]angle(a_1，1)*a_2，i+angle(a_1，1)，i＝1，…，M，

整个校准因子等于可以表示如下的幅度和相位校准因子的组合：

c_i(f)＝|g_i(f)|e^{j(180/π)i(f)}

操作方法

在图3中图示了用于校准一组接收链的群延时的操作处理的例子。可以使用类似的处理来校准其它的频率相关校准矢量。该校准处理通常包括使用同一组抽样来校准接收链和发送链。在图4中图示了发送链的校准。为了开始接收链的校准循环，基站(BS)(例如参见图1)将生成校准信号。如上文中所讨论的，这通常是在两个或更多频率上的窄带信号。这个窄带发送校准信号随后从基站的单个发送链进行发送311。由于由窄带信号添加给现有宽带数据业务的少量附加能量，传输可出现在基站进行常规操作的规律使用期间的任一时间上。虽然仅需要一个发送链，但同时从所有发送链中发送提供用于接收校准算法更多的抽样。

在转发器上接收所发送的窄带校准信号313(例如参见图2)。如果校准信号是宽带信号，则如上所述使用合适的带通滤波器将其转换成一组至少两个窄带波形。如果信号具有特定的扩频序列或者使用特定的数据或训练序列进行调制，则这可以予以解调，并可以将新的信号调制到该信号。在一种实施例中，校准信号是被简单接收、频移的窄带信号315，并被发回到基站317。这种方案简化了转发器，并消除了许多其它的导致错误的潜在原因。频率偏移校准信号也可以被偏移到两个或更多不同的频率，并被重新发送，以便可以在不同窄带频带上执行校准。然而，通过从基站发送若干不同的校准信号，可以利用更简单的转发器实现相同的效果，每个校准信号分别在用于下行链路的不同频率上。每个信号将被偏移到用于上行链路的不同频率上。

基站在它的每个接收天线链上接收转发器信号319。对于每个接收天线链抽样这些接收的转发器信号321，并可以使用这些抽样来测量任意数量的所接收信号的特性。来自每个接收链的每组抽样代表同一窄带转发器信号的不同观察(view)。为了增强接收，DSP 217通常将使用窄带通滤波器来消除大部分数据业务信号能量和隔离所接收的转发器信号。所接收的转发器信号用于计算一组相位例如上面讨论的α和幅度323。支持群延时的计算通常将基于比较由每个接收链接收到所接收的转发器信号与由每个其它接收链接收到的每个信号。这通常通过测量相位和幅度并使用诸如协方差矩阵来进行。作为一种可选方式，可以仅在两个接收链上抽样信号。这将允许两个选定的链相互校准。通过相对于被选定为参考的接收链为每种可能组合或为每个接收链重复此处理，可以获得一组相对相位测量。

随后可以重复上述发送和接收校准信号的处理，并且平均或存储结果325。使用附加数据计算其它的相对相位和幅度327，并计算群延时328。这个群延时的形式通常是包括一组用于每个发送和接收链的相位和幅度校正因子的校准矢量，如上面所讨论的。可选择地，可应用所获得的校准矢量，并重复该处理以查找用于调整第一矢量的新矢量。通过在每个循环之后应用调整后的校准矢量，校准应当逐渐变得更准确，直到它收敛到校准系统的精确度的极限。可以为不同的接收链的组合和甚至为不同的转发器重复发送、接收和计算。随着时间的逝去，接收链的特征可以改变，并因此也可以重复此处理，以便使用不断改变的条件来更新校准矢量。当相对参考链执行校准时，相对该参考链配对每个接收链，参考链的矢量可以设置为一或某个其它的标准化组的值，以便用于其它接收链的矢量代表与参考链的方差。可选择地，这些矢量可代表与任何其它值的方差，所述其它值例如是平均值、中间值或中间响应。

以与图4所示类似的方式执行发送链的校准。至于接收链，把校准信号发送给转发器。在这种情况下，从每个基站的发送链发送校准信号329。所以在接收时能够相互区分，每个接收链使用不同的调制序列。至于接收校准，这个信号在至少两个不同频率上是窄带信号。窄带信号允许转发器具有简单的结构。

在转发器上接收校准信号331。随后对于接收校准偏移所接收校准信号的频率333。此后，将偏移后的校准信号发回到基站335。同样有可能改变调制序列或扩频码，但是最简单的转发器将采用它在下行链路频带内接收到的窄带信号，并作为虚拟相同的窄带信号在上行链路频带内将其发回。

基站这次仅在一个接收天线链上接收转发器信号337。抽样所接收的转发器信号339，并随后使用独特的调制序列来从抽样波形中提取每个发送链校准信号341。至于接收校准，通常使用窄带通滤波器来隔离转发器信号。为了校准目的，相互比较来自每个发送链的所发送的校准信号343。为了更容易区分从不同发送链同时接收到的信号，可以降低同时发送链的数量。例如，可以将一个发送链指定为参考链，并且然后每个其它的发送链可以与该参考链一起发送，一次一对，直到所有的发送链已经针对参考链被校准。这类似于上面描述的成对的接收链校准。

这些比较变成用于生成一组相对相位和幅度的基础345。随后可以重复发送和接收校准信号的处理347，并进一步计算相对相位和幅度以改进结果349。随后，可以为每个发送链351计算发送群延时校准矢量。在一种实施例中，将在第一轮中确定的校准矢量应用于每个发送链，并且随后重复该处理。下一个校准循环将产生更高的精确度，因为已经补偿了总误差。这类似于执行粗略调谐处理，并随后进行精确调谐处理。

本发明提供了相对于现有技术的很多优点。可以仅使用简单价廉的转发器执行校准。可以在单个事务处理中确定发送和接收校准，并且该方法自我校正在天线阵列系统内的参考频率偏移。因此，根据本发明的校准本质上是准确的。虽然已经将本发明主要描述为使用远程转发器对基站的校准，但是它也可以应用于具有多个天线的远程用户终端。它也可以应用于任何其它类型的具有多天线系统的无线网络，无论是具有基站还是远程站、相同的对等设备或者主机和从机的网络。

为了改善在校准过程中正常业务的接收，可能希望在基站上使用陷波滤波器将转发器信号频带滤除。这通常将是数字滤波器，并当没有校准信号活动时可以被关闭。用户单元可类似地具有用于来自基站的校准信号的陷波滤波器。

在上面的说明书中，为了解释，阐述了很多具体的细节以提供对本发明完整的理解。然而，对于本领域的技术人员来说，显然在没有这些具体细节中的一些细节的情况下也可以实现本发明。在其它的情况下，以方框图的形式图示了公知的结构和设备。

本发明包括各种步骤。本发明的步骤可以通过硬件组件来执行，例如在图1和图2中所图示的，或者可以被嵌入在机器可执行的指令内，可以使用这些指令使诸如使用指令编程的DSP等通用或专用处理器或逻辑电路来执行这些步骤。可选择地，这些步骤可以通过硬件与软件的组合来执行。

本发明可以作为计算机程序产品来提供，此产品可以包括机器可读媒体，在其上存储有指令，这些指令可以用于编程计算机(或其它电子设备)以执行根据本发明的处理。机器可读媒体可以包括但并不限制于软盘、光盘、CD-ROM、磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁或光卡、闪存或者其它类型的适合于存储电子指令的媒体或机器可读媒体。此外，本发明也可以作为计算机程序产品被下载，其中通过通信链路利用在载波或其他的传播媒体(例如调制解调器或网络连接)内嵌入的数据信号可以从远程计算机向请求计算机传送程序。

重要地，虽然已经以用于移动远程终端的无线扩频数据系统为上下文描述了本发明，但是本发明也可以应用于各种不同的无线系统，在这些无线系统内交换数据。这些系统包括语音、视频、音乐、广播和其它类型的数据系统而没有外部连接。本发明可以应用于固定用户终端以及低移动性和高移动性终端。许多方法在此以基本的形式进行了描述，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以向任一方法添加或从中删除步骤，并可以向任一所述的消息添加或从中删除信息。对于本领域的普通技术人员来说，显然可以进行许多其它的修改和变化。具体的实施例并不用于限制本发明，而是为了予以说明。本发明的范围将不由上面提供的具体例子而只是利用下面的权利要求书来确定。

Claims

1.一种无线电通信系统，包括：

天线阵列，适合于发送和接收与多个其它终端的无线电通信信号，这些通信信号均使用特定的最小带宽；

发送链，在最小带宽内的至少两个不同频带上通过天线阵列将校准信号发送给转发器；

接收链，通过天线阵列从转发器接收转发器信号，此转发器信号在至少两个不同的频带上被接收并基于校准信号；和

信号处理器，根据通过接收链接收到的转发器信号的至少两个频带确定频率相关校准矢量。

2.权利要求1的系统，其中确定频率相关校准矢量包括比较在至少两个频率的第一频率上转发器信号的相对相位与在至少两个频率的第二频率上转发器信号的相对相位，以确定群延时。

3.权利要求1的系统，其中转发器信号与校准信号相比在频率上被偏移。

4.权利要求1的系统，还包括测量由接收链接收到的转发器信号的相对相位和幅度。

5.权利要求4的系统：

其中接收链包括多个接收链；

其中每个接收链接收转发器信号；和

其中信号处理器通过比较由每个接收链接收到的在每个频率上转发器信号的相对相位来确定群延时。

6.权利要求5的系统，其中确定频率相关校准矢量包括通过比较在至少两个频带的第一频带上用于转发器信号的至少两个接收链之间的相位差与在至少两个频带的第二频带上用于转发器信号的相同两个接收链之间的相位差来确定接收链群延时。

7.权利要求6的系统，其中将多个接收链之一选择作为参考接收链，和相对于该参考接收链来表征每个接收链的群延时。

8.权利要求4的系统，其中信号处理器使用所测量的转发器信号的相位和幅度来确定在转发器信号的每个频率上在天线阵列上转发器的上行链路标记，和其中信号处理器使用转发器的上行链路标记来确定用于接收链的频率相关校准矢量。

9.权利要求4的系统，其中信号处理器使用测量的在转发器信号的每个频率上的相位和幅度来确定在转发器上发送链的下行链路标记，和其中信号处理器还使用发送链的下行链路标记来确定用于发送链的频率相关校准矢量。

10.权利要求1的系统：

其中发送链包括多个发送链；

其中每个发送链发送校准信号；和

其中信号处理器通过比较在由每个接收链接收的转发器信号的每个频率上的转发器信号的相对相位来确定频率相关发送校准矢量。

11.权利要求10的系统，其中校准信号包括多个信号，每个信号来自每个发送链，每个信号是可以根据唯一的调制序列而单独地被识别的。

12.权利要求10的系统，其中确定频率相关发送校准矢量包括比较在至少两个频率的第一频率上用于转发器信号的两个发送链之间的相位差值与在至少两个频率的第二频率上用于转发器信号的相同两个发送链之间的相位差值，以确定群延时。

13.权利要求12的系统，其中将多个发送链之一选择为参考链，并相对于该参考链来定义每个发送链的群延时。

14.一种计算机可读媒体，其上存储有代表指令的数据，所述指令当由机器执行时使该机器执行包括以下的操作：

使用发送链将无线电通信信号发送给多个其它终端，这些通信信号均使用特定的最小发送带宽；

使用接收链从多个其它终端接收无线电通信信号，这些通信信号均使用特定的最小接收带宽；

在最小发送带宽内在至少两个不同频带上通过发送链向转发器发送校准信号；

通过接收链从转发器接收转发器信号，该转发器信号在最小接收带宽内在至少两个不同频带上被接收并基于校准信号；和

根据通过接收链接收的转发器信号的至少两个频带确定频率相关校准矢量。

15.权利要求14的媒体，其中确定频率相关校准矢量包括比较在至少两个频率的第一频率上用于转发器信号的相对相位与在至少两个频率的第二频率上用于转发器信号的相对相位，以确定群延时。

16.权利要求14的媒体，其中转发器信号与校准信号相比在频率上被偏移。

17.权利要求14的媒体，其中确定频率相关校准矢量包括通过比较在至少两个频带的第一频带上用于转发器信号的至少两个接收链之间的相位差值与在至少两个频带的第二频带上用于转发器信号的相同两个接收链之间的相位差值来确定接收链群延时。

18.权利要求14的媒体，其中确定频率相关发送校准矢量包括比较在至少两个频率的第一频率上用于转发器信号的两个发送链之间的相位差值与在至少两个频率的第二频率上用于转发器信号的相同两个发送链之间的相位差值来确定群延时。

19.一种方法，包括：

20.权利要求19的方法，其中确定频率相关校准矢量包括测量利用接收链接收的转发器信号的相对相位和幅度。

21.权利要求19的方法，其中确定频率相关校准矢量包括通过比较利用多个接收链接收的每个频率上的转发器信号的相对相位来确定群延时。

22.权利要求21的方法，其中选择多个接收链之一作为参考接收链，和相对于该参考接收链表征每个接收链的群延时。

23.权利要求21的方法，其中确定频率相关校准矢量包括使用所测量的转发器信号的相位和幅度来确定在转发器信号的每个频率上在接收链上转发器的上行链路标记，和使用转发器的上行链路标记来确定用于接收链的频率相关校准矢量。

24.权利要求21的方法，其中信号处理器确定频率相关校准矢量包括使用测量的转发器信号的每个频率上相位和幅度来确定在转发器上多个发送链的下行链路标记，和使用发送链的下行链路标记来确定用于发送链的频率相关校准矢量。

25.权利要求19的方法，其中确定频率相关校准矢量包括通过比较在利用多个接收链之中每个接收链接收的转发器信号的每个频率上转发器信号的相对相位来确定频率相关发送校准矢量。

26.权利要求1的系统，其中该系统是码分多址系统。

27.权利要求14的方法，其中无线电通信信号符合码分多址的标准。

28.权利要求19的方法，其中无线电通信信号符合码分多址的标准。