无线宽带通信系统中的射频校准技术研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 无线宽带通信系统中的射频校准技 术研究 摘要：随着无线通信系统的宽带 化，以及大规模 MIMO 技术的应用， 射频通道校准技术得到广泛关注。本文 分析了宽带无线通信系统中的射频通道 校准技术，包括校准序列的选取，发射 校准算法，接收校准算法，以及利用射 频通道在短时内的平稳特性，提出了一 种多次校准取平均的方法来降低系统噪 声，提升校准精度，并给出了响应的仿 真结果。 中国论文网 /8/view-12746357.htm 关键词：MIMO，发射校准，接 收校准，波束赋形 中图分类号：TN828.6 文献标识 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 码：A 文章编号：1009-3044（2015） 31-0213-03 Research on RF Calibration Technology in Wireless Broadband Communication System ZHU Qing-hua， ZHU Gong- sheng， CHANG Ying （Beijing Polytechnic， Telecommunications Engineering， Beijing 100176， china） Abstract： With the development of wireless communication systems， and the application of large scale MIMO technology， radio frequency channel calibration technology has received wide attention.RF channel calibration technology for broadband wireless communication systems are analyzed in this paper， including calibration sequence selection， emission calibration algorithm， receiving calibration algorithmand the use of radio -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 channelsstationary characteristics in a short time.A method with multiple calibration to reduce the system noise and improve the calibration accuracy is presented， and the simulation results are given. Key words： MIMO； emission calibration； receiving calibration； beamforming 1 概述 随着智能手机等智能终端越来越 普及，各种基于智能终端的应用越来越 多，人们对于无线通信速率的要求也越 来高。尽管基于 LTE 技术的 4G 时代已 经到来，其小区峰值速率也仅为 100Mbps，仍然不能满足多用户情况下 高清视频等应用，因此更高传输速率 （Gbps）就成为无线通信系统的发展目 标。众所周知，提高无线通信系统的主 要手段就是增加传输带宽，另外基于 MIMO 的空分复用技术能有效的利用空 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 间资源，实现频谱效率的提升1，2。 目前，在毫米波段，500MHz 传输带宽 基础上，利用 64 阵元以上的 Massive MIMO 技术3 ，实现空口 10Gbps 的传 输速率已经成为未来 5G 的研发目标。 该目标能够实现的一个前提就是充分利 用 Massive MIMO 的空分复用，实现数 据在空间的多流传输。在大规模天线阵 列场景下，空分复用主要利用了波束赋 形技术，而该技术的一个重要前提就是 天线阵元对应的射频通道幅相具有一致 性，即实现射频通道的校准。 2 校准原理 在目前的无线通信系统中，基站 主要有三个功能模块组成，即基带处理 单元（BBU） 、射频拉远单元（ RRU） 和天线。在天线出厂时，其各阵元的幅 相一致性据满足行业或企业标准要求， 由于天线为无源器件，因此在实际应用 过程中，其幅相一致性不随时间、温度 等变化而变化，而 RRU 中的收发通道， 会随温度的变化而变化，因此需要周期 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 性的对各收发通道进行幅相一致性的校 准。 射频通道校准基于信道估计原理， 即在 BBU 单元发射已知的校准序列， 然后利用各通道接收到的接收序列进行 信道估计，然后以其中的一个通道为基 准，计算出校准系数，以补偿其他通道 和校准通道的差异性。 图 1 基站功能模块示意图 3 校准序列 在实际的无线通信系统中，由于 射频通道的特性会随温度等外界环境的 变化而变化，因此需要进行周期性的校 准，以确保在该周期内，各通道的幅相 一致性基本相同。由于射频通道校准属 于在线校准，因此需要校准序列的发射 时刻以及校准序列长度均要做合适的选 择，以避免与系统（或网内）数据之间 形成干扰4。另外由于宽带无线系统的 射频通道的频选特性不一致，因此射频 通道的校准要做到各通道全带宽的幅相 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 一致性，这样就要求校准序列的选择应 该满足有限时间窗内的全带宽覆盖。此 外，考虑到实际的产品实现，校准序列 要求具有较低的峰均比（PAPR） 。 3.1 校准序列的时频转换 如上所述，对于宽带通信系统， 校准序列应该满足有限时间窗内的全带 宽覆盖，以下以带宽为 20MHz 的 LTE 系统为例进行说明，该系统的 fft 点数 为 2048 点，对于长度为N=2048=211 点的时域离散序列f（n），若要从其 中的连续2m （m 图 2 发射校准示意图 发射校准需要多个发射通道同时 发送校准序列，然后通过耦合网络由校 准通道接收经过射频通道的序列，各发 射通道可以通过频分的方式实现通道的 区分。具体步骤如下： 1） 设置每个通道发送校准时的 频域序列Xi （k） ： Xi （k）k=0 ，1， 2，2047. 频域序列，设 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 lmin=int（424211-m）+1 ， lmax=int（1623211-m），令 cn （i）=intlmax- （ lmin+i-1）8 （3） 第 i 个通道发送校准时的频域序 列设置如下： Xi （k）= 标准序列元素 k=（lmin+i-1）+8c?211-m0k 为其它 （4） 其中，i 为通道序号， c=0，1，2，cn（i）.，即令c取 值满足lmin+i-1+8clmax。 2） 确定每个通道发送时域序列 频域序列Xi（k）对应的时域序 列为 xi（n）=IFFTXi（k） =1211c=0cn（i）expj2211?（lmin+i- 1+8c）?211-m?n=1211c=0cn（i） expj22m?（lmin+i-1+8c ） ?n （5） 此时，xi（n） 是以 2m为周期 的周期序列。由上节证明可知，整个 OFDM 发送时的接收序列也是以2m为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 周期的周期序列，只需发送并接收 xi（n）中一个周期的数据即可。考虑 可能的通道时延，在一个周期发送数据 前加上Prefix_cyclic个循环前缀，在发 送的一个周期数据后加上Postfix_cyclic个 循环后缀。于是，第i 个通道发送序列 表达如下： xi（n）=1211c=0cn（i） expj22m?（lmin+i-1+8c ） ?（n- Prefix_cyclic） （6） 其中， n=0，1， ， （2m+Prefix_cyclic+Postfi x_cyclic-1）. 。 3） 由接收序列y （n） 计算接 收通道对应的频域序列： 接收数据时，只需获取发送序列 中的一个周期的2m 数据对应的响应值， 发送序列中循环前缀和后缀数据的响应 并不需要。不妨设接收到的此2m个点 表示如下： y （n）n=0 ，1， ，2m-1. （7） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 代入下式只需求得k=l?211- m，lminllmax.的对应值Y（k）： Y（k）=n=02m-1y （n）?211- m?exp（-j2?l?n2m ）k=l?211- m0kl?211-m （8） 4） 获取每个通道的发送校准系 数： 由于采用频分法区分各个通道， 因此由接收序列对应的频域序列可以直 接得出各个通道的发送校准系数。 对于第i 个发送通道，可以得出 发送频率点上的校准系数为 ai（k）=Y（k）k=（lmin+i-1） +8c?211-m，c=0，1，cn（i）. （9） 5 接收校准 所谓接收校准，指的是通过校准， 保证各接收通道之间的幅相一致性。其 流程如图 3 所示。 图 3 接收校准示意图 由于接收校准为校准序列经过校 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 准通道发送，每个接收通道各自接收自 身的信道响应，因此其频域精度要高于 发射校准，其具体处理流程如下： 1） 设置校准通道的频域序列 X（ k） ： X（k）k=0 ，1，2，2047. 为频域序列，设lmin=int（424211-m） +1，lmax=int（1623211-m），设置 X（ k） 序列在 k=l?211- m，lminllmax.时为非零值，其它位 置处均为零。因此，X（k）序列可以 简单设置如下： X（k）= 校准序列元素 k=l?211- m，lminllmax0k 为其它 （10） 2） 确定校准通道发送时域序列 x （n）=1211l=0LX （l?211-m） expj2211?（l?211-m）? （n- Prefix_cyclic） （11） 其中， n=0，1， ， （2m+Prefix_cyclic+Postfi x_cyclic-1）. 。 3） 由各个接收通道的接收序列 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 计算其对应的频域序列： 每个 通道接收数据时，只需获取发送序列中 的一个周期的2m 数据对应的响应值， 发送序列中循环前缀和后缀数据的响应 并不需要。不妨设第i 个接收通道接收 到的此2m个点表示如下： yi（n）n=0，1，2m-1. （12） 可求得各个接收通道接收时域序 列对应的频域序列Yi（k）在k=l?211- m（lminllmax ）处的值： Yi （k）=n=0Lyi （n）?211- m?exp（-j2?l?n2m ）k=l?211- m0kl?211-m （13） 4） 求取各个频率点处每个通道 的接收校准系数： 第i个接收通道在子载波k 处的 接收校准系数可以表达如下： ai（k）=Yi（k）X （k） k=l?211-m， lminllmax. （14） 6 校准结果优化 以上针对校准序列的选择、发射 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 校准流程、接收校准流程分别进行了详 细描述。在实际无线通信系统中，由于 射频通道噪声的存在，且受限于射频通 达功率控制，校准序列不得发射功率不 能很大，因此校准系数的计算精度有限 5-9。考虑到在较短时间内（比如秒级） ，射频通道是平稳的，其特性可以认为 是恒定的，因此可以通过多次校准，然 后对校准系数进行平均的方式提