CN1830159B - 天线阵列校准装置和方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一方面，揭示一种用于在无线电通信系统中控制信号发射和/或接收的装置，其包括：分别被连接到天线单元(#1...#n)阵列中的一个单元上的收发信装置(TX，RX)，其中所述收发信装置(TX，RX)中的至少一个另外还被连接到一校准天线上以用于向和/或从所述天线单元(#1...#n)发射和/或接收测试信号；至少一个校准处理器，用于确定在所述收发信装置(TX，RX)内的所述测试信号的变化；以及束成形处理器，用于把所确定的变化考虑用于由所述天线单元(#1...#n)分别发送和接收的无线电信号的束成形和/或到达方向的确定。

Description

天线阵列校准装置和方法
发明领域
本发明涉及在无线电通信系统中控制信号发送和/或接收的装置和方法，尤其是在移动无线电通信系统的基站中的应用。 
发明背景 
在无线电通信系统中，信号通过所谓的无线电接口或空中接口在无线电终端和基站之间进行交换。无线电终端通常是移动的或静态的用户终端(UE-用户设备)，而基站(NB-节点B)是与陆基通信网络相关联的入口站。已知无线电通信系统的例子有：第二代数字移动无线电通信系统，如基于TDMA(时分多址)并提供高达100kbit/s数据速率的GSM(全球移动通信系统)，以及第三代数字移动无线电通信系统，如基于CDMA(码分多址)并具有高达2Mbit/s数据速率的UMTS(通用移动电信系统)。 
天线阵列可以被用于用一个或多个天线发送和/或接收射频信号的任何类型的系统中。在上述的系统中采用天线阵列比采用一元天线会提供改善的天线性能，包括接收信号的改善的方向性、信噪比和抗扰性，还有发送信号的改善的方向性、安全性和更少的功率需要。天线阵列可以仅被用于信号接收，仅被用于信号发送，或被用于信号接收和发送两者。多数天线阵列系统由一个天线阵列和一个信号处理器组成，该信号处理器处理通向和来自于单个阵列单元的信号。 
因此，天线阵列由若干所谓的天线单元构成，每个天线单元均被连接到射频(RF)收发信机(发射/接收机)上。在接收模式，接收机从每个天线单元获取RF信号，并将接收信号下变换成基带信号。然后在基带中相互比较被解调的信号的幅度和相位。入站信号的到达方向(DOA)信息被包含在接收信号之间的关系中。在发射模式，通过给与天线单元相连接的不同发射机正确地加权基带信号，该信息接着被用于接收信号方向上的束成形(BF)。 
如果单个发射机和接收机的特性已知，则上述的过程只能用某种精度实现，这样就可以将这些特性考虑用于DOA和BF算法。为求精确性，从天线单元到接收机的基带输出的传递函数(在幅度和相位方面) 以及从发射机的基带输出到天线单元的传递函数必须已知。在工作期间，这些传递函数易受到收发信机和电缆内的有源和无源单元的参数变化(漂移)的影响。因此，传递函数必须在收发信机的工作期间被连续地或至少被周期性地确定。     
在本领域中已经公知校准过程的两种不同的方法。根据第一种过程，已知的信号被馈入一测试天线(校准天线)，该测试天线被布置在天线阵列附近或作为该天线阵列的一部分(从现有技术文献US-A-6236839公知)，或者与该天线阵列分开(从现有技术文献US-A-5546090公知)。基带信号承载了关于单个接收机路径的传递函数信息，这些路径然后可以被比较和调整。该过程被称作RX校准。 
根据第二种过程，已知的信号被馈入单个的天线单元并由测试天线接收。测试天线由此可以如上所述地被定位。接收信号承载了关于单个发射机路径的传递函数信息，这些路径随后可以被比较和调整。该过程被称作TX校准。 
两种校准过程可以同时被实现，这在采用频分多址(FDD)的系统中是优选方案，或者优选地在采用时分多址(TDD)的系统中被连续地实现。 
实现上述过程的配置在图2和3中被示出。根据这些配置，校准天线通过一个双工器或开关被连接到在射频范围工作的校准发射机(TXc)和接收机(RXc)电路。来自/去往该校准天线的信号在工作于基带的校准处理器内被处理。校准处理器被连接到一个束成形处理器上，后者处理来自/去往例如基站的天线阵列的单个天线单元(#1...#n)的信号。表示确定的变化的系数被存储在查询表中。 
在RX校准过程中(图2，信号流用虚线表示)，校准处理器启动测试信号通过空中接口从校准天线发送到天线阵列的单个天线单元。然后，接收的测试信号通过束成形处理器被反馈到校准处理器中。在校准处理器内，单个接收器路径的传递函数被确定、分析和存储在查询表中，以便被考虑用于确定到达方向的正常工作。 
在TX校准过程中(图3，信号流用断裂线表示)，校准处理器促使从每个天线单元发送测试信号，这些测试信号由校准天线接收。然后，接收的包含有单个发射机路径的传递函数信息的信号在校准处理器中被分析，并被存储在查询表中，以便被考虑用于束成形的正常工 作。 
上述过程要容忍以下事实：专门的校准装置必须被集成在每个基站内，由此造成附加的成本和空间上的需要。 
因此本发明的目的在于提供一种不遭受上述缺点的校准装置。该目的通过如独立权利要求的特征所述的装置和方法来解决。 
发明内容
根据本发明的第一和第二方面，提供一种用于在无线电通信系统中控制信号发射和/或接收的装置和方法。由此该装置由收发信装置和天线单元组成，其中收发信装置中的至少一个另外还被连接到一校准天线上。该装置另外还包括：校准处理器，用于确定在所述收发信装置内的所述测试信号的变化；以及束成形处理器，用于把所确定的变化考虑用于由所述天线单元分别发送和接收的无线电信号的束成形和/或到达方向的确定。 
将通常被用于向/从其它无线电台发射和接收无线电信号的收发信装置用来在校准过程中通过校准天线发射和/或接收测试信号，这可以节省现有技术使用的单独校准收发信装置所需要的额外空间和成本。 
本发明的其它方面由下面的附图说明得到。 
附图说明
通过考虑以下说明和附图所示的图，可以更容易地理解本发明，本发明的其它不同方面和特征可以变得明显，其中： 
图1示出了无线电通信网的框图， 
图2示出了现有技术的装置中用于RX校准的信号流， 
图3示出了现有技术的装置中用于TX校准的另一信号流， 
图4示出了在TX校准过程中的本发明装置， 
图5示出了在RX校准过程中的本发明装置， 
图6示出了TDD无线电通信系统的时帧结构， 
图7示出了具有布置在天线单元附近的附加放大器的本发明装置， 
图8示出了具有多个用于在不同无线电频带中的同时校准的校准处理器的本发明装置，以及 
图9示出了在多路复用装置之间具有光链路连接的图8的装置。 
具体实施方式
图1示出了移动无线电通信系统、例如GSM系统的基本结构。该系统包括一个中央移动交换中心MSC，其被连接到公共交换电话网PSTN和其它MSC上。在一个MSC上连接了多个基站控制器BSC，所述基站控制器还协调由基站BTS(基本收发信站)提供的无线电资源的共享。基站BTS分别在下行链路DL向位于该基站BTS所覆盖的范围内的用户设备UE发送信号，以及在上行链路ULS中从该用户设备UE接收信号。在图1中，基站BTS包括由多个天线单元构成的天线阵列A。这种依赖于配置而有时也被称为智能天线的天线阵列被用于发送给单个用户设备的信号的束成形，以便降低给与其它用户设备的并行连接的信号发射所带来的干扰。 
图4和5所示的本发明装置是基于上述图2和3的结构。与本领域已知的装置相反，收发信装置TX，RX之一不仅被连接到单个天线单元#1...#n之一，而且还通过开关S被连接到校准天线。在校准过程中，向/从校准天线交换测试信号，而在正常工作中，信号通过与该收发信装置相连接的天线单元被发送和/或接收。所述的开关按照本领域技术人员公知的任何可能方式而在射频内被实现。 
下面参考图4-9来讲述利用本发明装置的RX和TX校准过程。这些过程可以在收发信机工作期间连续地或周期性地被实现。 
在RX校准过程、也即在收发信机接收路径的校准中，由校准处理器或专门的源产生基带测试信号，该测试信号由发射机TX(在图4中为右手侧的发射机)转换为射频带信号，并通过开关S被馈至校准天线。在通过空中接口传输后，测试信号由单个天线单元#1...#n接收，并在单个接收机RX内被再次下变换成基带信号。与收发信装置相连的束成形处理器将包含有单个信号路径的传递函数信息的接收信号提供给校准处理器，在该校准处理器内确定接收机特性的差异。关于所确定的差异的信息随后被存储在RX系数查询表中，并被反馈给束成形处理器，以便被考虑用于确定来自于与基站通信的用户设备的无线电信号的到达方向的正常工作。作为系数，例如耦合系数的相位和幅度差的最大值由校准处理器来确定。 
从图4可以看出，本发明的装置同时使用了右手边的收发信机的发射路径和接收路径。 
在TX校准过程、也即在收发信机发射路径的校准中，由校准处理器或专门的源产生基带测试信号，该测试信号通过束成形处理器被馈至收发信机的发射装置TX。因此，校准处理器是在束成形处理器内实现的，或者作为与束成形处理器相连接的分开的单元来实现。 
所述的测试信号通过发射装置TX被上变换成射频带信号，并被馈至单个的天线单元#1...#n。在通过空中接口传输后，测试信号由校准天线接收，并通过开关S被馈至接收机RX，以及在接收机RX内被再次下变换成基带信号。校准处理器从这些接收的测试信号中确定发射机特性的差异，并在TX系数查询表中存储关于所确定的差异的信息，以便被束成形处理器考虑用于通向用户设备的无线电信号的束成形正常工作。作为系数，例如耦合系数的相位和幅度差的最大值由校准处理器来确定。 
图6示出了由第三代UMTS TDD-LCR(TDD-低码片速率)标准和中国TD-SCDMA标准公开的TDD(时分双工)系统的时帧结构。所述的时帧由7个时隙TS0..TS6构成，这些时隙要么在上行链路(↑)、也即在从用户设备到基站的方向上分配，要么在下行链路(↓)、也即在从基站到用户设备的方向上分配。在按照所述标准总被用于下行链路传输的第一时隙TS0之后，第一交换点被设置了专门的下行链路导频时隙DwPTS、上行链路导频时隙UpPTS、和位于它们之间的扩展保护期间间隙。根据本发明，该扩展的保护期间间隙被部分地或全部地用于RX和TX校准的测试信号(以所谓的cal帧的形式)的发射。作为一个优点，为校准测试信号的发射和接收采用扩展的保护时间既没有降低时帧的总传输容量，也没有降低系统性能。 
本发明的另一装置被揭示于图7。在该情形下，工作于射频范围的功率放大器PA，LNA被布置在天线单元#1...#n附近，并通常被装于远离于基站的塔上。这些功率放大器经常被称为塔装式放大器。远程功率放大器和位于基站内的收发信机之间的连接例如通过如图7所示的专用同轴电缆来实现。因此，被布置在天线单元附近的校准天线也通过同轴电缆被连接到收发信机之一上。为测试信号的发射和接收没有必要提供单独的功率放大器，因为所需要的发射功率是有限的，并且能够容易地由收发信装置中的发射机TX来提供。另外，同轴电缆的损耗通常对测量没有任何负面影响，以及例如对接收机的噪声图没有影 响。在该配置中，可以在校准处理器内确定考虑了所有接收和发射装置的发射和接收路径变化。 
因为收发信装置TX，RX每次仅工作于单个的频带，所以TX校准过程被配置成：由校准处理器控制发射装置TX使得每次只有一个发射装置TX向校准天线发送测试信号，以便及时地分离单个发射装置TX的接收信号。参考图6，例如不同的发射装置TX连续地在传输间隙内发送信号。 
在RX校准过程中，测试信号在某个频带内从校准天线被发送，由所有的接收装置RX同时接收和在校准处理器内被同时分析。在一个时帧到另一个时帧，测试信号是在不同的频带内被发送的，以便为所有使用的载波校准发射和/或接收路径。 
由于为多个频带实现TX和RX校准过程将需要使用大量的连续时帧，图8给出了另一种实施替代方案。m多个基带信号处理单元被实现，并例如通过基带多路复用器被连接到收发信装置TX，RX上，而不是仅仅一个校准处理器和相应的用于存储所确定的系数的查询表。优选地，基带信号处理单元，还包括束成形和校准处理器以及查询表，其数量是根据多载波收发信机工作的频带数量来选择的。 
采用多个基带信号处理单元，允许在多个频带内同时实施校准过程。这可以以如下方式实现：由收发信机TX，RX同时处理m个载波，相应的基带信号被多路复用给不同的信号处理单元，其中每个信号处理单元工作于一特定的频带。于是，信号处理单元针对相应载波的单个频带实现校准。 
在TX校准过程中，不同频带的测试信号例如根据基带信号处理单元的数量由若干或所有的收发信机同时发送。这些测试信号被校准天线和收发信机之一的接收路径进行接收，并被多路复用给不同频带的单个处理单元。从一个校准过程到另一个校准过程，单个收发信机为传输测试信号而采用不同的频率，使得在较短的时间内能够为每个频带分析每个发射路径的特性。 
在RX校准过程中，测试信号通过校准天线被发送，并且被收发信机的单独接收路径进行接收。对于用于传输测试信号的每个频带或载波，校准处理器之一确定接收路径特性的单独变化。 
根据图9所示的本发明装置的另一种替代实施，基带信号处理单 元通过光链路被连接到n个远程收发信机。这种光链路装置可以被同样地采用以替代参考图7所述的同轴电缆。在图9的情形下，参照图8所述的基带多路复用器被划分成一个被布置在塔装式收发信机及天线单元附近的基带收发信机多路复用器和一个被布置在基带信号处理单元附近的、优选在基站内的基带信道多路复用器。光链路由此通过被连接在多路复用器上的光收发信机和一根或多根光缆来实现。采用光链路而不是同轴电缆的优点例如是，为基站和远程塔装式收发信机及天线单元之间的连接只须安装较少的缆线，而且具有更少的插入损耗。 

Claims (13)

1.用于在无线电通信系统中控制信号发射和/或接收的装置，包括：
收发信装置(TX，RX)，其每一个被连接到天线单元(#1...#n)阵列中的一个单元；
所述收发信装置(TX，RX)中的至少一个另外还被连接到校准天线，其中，在接收机校准过程中，所述收发信装置(TX，RX)中的每一个接收由连接到所述校准天线的所述收发信装置所发送的测试信号，以及在发射机校准过程中，连接到所述校准天线的所述收发信装置接收由所述收发信装置(TX，RX)中的每一个所发送的测试信号；
至少一个校准处理器，用于确定所述接收机校准过程中，所有所述收发信装置内的所述测试信号的变化，以及用于确定所述发射机校准过程中，连接到所述校准天线的所述收发信装置(TX，RX)内的所述测试信号的变化，以及
束成形处理器，用于把所确定的变化考虑用于由所述天线单元(#1...#n)分别发送和/或接收的无线电信号的束成形和/或到达方向的确定。
2.权利要求1的装置，其中TDD系统的时帧内的传输间隙被用于发射所述测试信号以在校准处理器内确定变化。
3.权利要求1或2的装置，其中在被连接到所述校准天线的所述至少一个收发信装置(TX，RX)内，测试信号通过开关(S)在校准过程中被交换到所述校准天线。
4.权利要求1的装置，其中所述校准处理器在所述束成形处理器内被实现。
5.权利要求1的装置，包括至少一个查询表用于存储所确定的单个收发信装置(TX，RX)的变化。
6.权利要求1的装置，其中每一个确定不同射频变化的至少两个校准处理器通过基带多路复用器被连接到所述收发信装置(TX，RX)。
7.无线电通信系统的基站(BS)，包括根据上述权利要求之一所述的用于控制信号发射和/或接收的装置。
8.用于在无线电通信设备(BS)中控制信号发射和/或接收的方法，所述的无线电通信设备(BS)包括收发信装置(TX，RX)，其每一个被连接到天线单元(#1...#n)阵列中的一个单元；所述收发信装置(TX，RX)中的至少一个另外还被连接到校准天线，其中
在接收机校准过程中，产生测试信号，该测试信号被馈至与所述校准天线相连的至少一个收发信装置(TX，RX)，被通过所述校准天线发送并被所述的天线单元(#1...#n)及相应的收发信装置(TX，RX)接收，和/或，在发射机校准过程中，产生测试信号，该测试信号被馈至所述收发信装置(TX，RX)，被通过所述的天线单元(#1...#n)发送并被所述的校准天线及连接到所述校准天线的所述的收发信装置(TX，RX)接收，
在至少一个校准处理器内，确定所述接收机校准过程中，所有所述收发信装置(TX，RX)内的测试信号的变化，以及确定所述发射机校准过程中，连接到所述校准天线的所述收发信装置(TX，RX)内的所述测试信号的变化，以及
把所确定的变化考虑用于由所述天线单元(#1...#n)分别发送和接收的无线电信号的束成形和/或到达方向的确定。
9.权利要求8的方法，其中针对不同的射频连续地确定所述测试信号的变化。
10.权利要求8的方法，其中针对不同的射频同时确定所述测试信号的变化，由此为不同的射频使用单个的校准处理器。
11.权利要求8的方法，其中在所述的校准处理器内确定发射和/或接收路径的传递函数。
12.权利要求8的方法，其中所述的校准处理器确定耦合系数的相位和幅度差的最大值。
13.用于在无线电通信设备(BS)中控制信号发射和/或接收的方法，所述无线电通信设备(BS)包括收发信装置(TX，RX)，所述这些收发信装置(TX，RX)中的每一个被连接到天线单元(#1...#n)阵列中的一个天线单元，以及用于校准的所述收发信装置(TX，RX)另外还被连接到校准天线，其中
在接收机校准过程中，产生测试信号，该测试信号被馈至所述校准天线，被通过所述校准天线发送并被所述天线单元(#1...#n)及相应的收发信装置(TX，RX)接收，和/或，在发射机校准过程中，产生测试信号，该测试信号被馈至所述收发信装置(TX，RX)，被通过所述的天线单元(#1...#n)发送并被所述的校准天线及用于校准的所述收发信装置(TX，RX)接收，
其中时帧内的保护周期间隙被用于发射和接收所述测试信号，在至少一个校准处理器内确定所述收发信装置(TX，RX)内的所述测试信号的变化，其中，所述校准处理器确定在接收机校准过程中所述收发信装置内的所述测试信号的变化，以及确定在发射机校准过程中用于校准的所述收发信装置(TX，RX)内的所述测试信号的变化；以及
把所确定的变化考虑用于由所述天线单元(#1...#n)分别发送和接收的无线电信号的束成形和/或到达方向的确定。
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