TD-LTE系统中的一种智能天线校准的方法概要

研究与开发TD.LTE系统中的一种智能天线校准的方法牛.张向鹏豫。余建国啦,邹丽红1一。李萌2(1.光纤通信技术和网络国家重点实验室武汉430074;2.北京北方烽火科技有限公司北京100085—圈智能天线是阵列天线与先进的信号处理技术相结合，形成的同时具有空、时处理能力的天线，是信号处理中的一个重要领域。目前，在TD-LTE系统中，为了降低终端间的同频干扰，同时增加小区边缘用户的吞吐量和覆盖范围，在基站侧引入具有小阵元间距的多天线波柬赋形技术。为了保证赋形的正确性和可靠性,天线阵列的校准成为一项关键技术.可以减小阵列各个通道的幅度和相位误差。通过仿真可知，该方案能保证波束赋形的正确性和可靠性。:关键谣眢锈天线;僖号缝理;鼹麟子撬;搜索赋黪1引言新一代宽带无线移动通信系统以OFDM(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing和多天线技术为基础，并在移动通信空中接口技术中全面以优化分组进行数据传输。OFDM具有频率选择性。解决了多径信道的问题,同时大大提高频带利用率;在多天线技术中，MIMO(multipleinputmultipleoutput技术是利用多天线提供的空间自由度分离用户。不同的用户可以占用相同的时频资源，则信号可以通过信号处理算法抑制多用户之间的干扰，通过时频资源复用的方式来提高小区吞吐量1”。在智能天线中.波束赋形是最重要也是最普遍的一项关键技术，它充分利用了分集增益、阵列增益及干扰抑制增益，以改善系统性能以及提高频谱效率口I。波束赋形是一种基于天线阵列的信号处理技术，通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束。从而能够获得明显的阵列增益。它应用于小国家科技重大专项基金资助项目(No.加lOZX03005-001萎一联间距的天线阵列智能多天线传输技术。其主要原理是利用空间信道的强相关性及波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图【引.使得辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向。从而提高信噪比.增大系统容量或者覆盖范围141。针对赋形前无线射频通道上下行的不对称性，信号一般都会在基带单元处理,但是射频通道也属于无线信道中的一部分.这样就会导致信号从基带单元到射频单元。再到无线端口过程中受到多方面的影响，譬如功率放大器、滤波、光缆、温度等都会使得系统上下行无线信道无法保持很好的一致性。为了保证波束赋形的高质量性,应该对每个天线通道进行校准，传统的校准是通过无线远端单元（radioremoteunit,RRU进行时域校准，而本方案是通过基带单元（basebandunit,BBU进行频域校准.从而补偿各个通道的相位差和幅度差,提高校准的准确性。2智能天线2.1智能天线的基本原理智能天线也称为自适应类天线阵列，最初主要应用于万方数据_=湮弱圈 ■雷达、声纳和抗干扰军事通信领域.近年来.由于数字信号处理技术的迅速发展、Ic处理速度的提高和价格的降低.智能天线技术在商用无线通信系统中的应用大幅度提高。无线通信系统的性能得到很大改善。如增加基站覆盖范围、抗干扰和衰落、改善链路质量、增加可靠性、增加频谱效率和实现移动台定位等四。智能天线的基本工作原理是把具有相同极化特性、各向同性和增益相同的天线阵元，按一定的方式排列.构成天线阵剜。智能天线的布阵方式一般有直线阵、圆阵和平面阵.阵元间距通常取工作波长的一半.并且取向相同。智能天线可使通信资源不再局限于时闻域、频率域或码域.扩展到了空间域。提供了另外一种多址方式一一空分多址。智能天线技术的关键和难点是在多用户和多径条件下对各个用户的时空信道进行辨识、均衡.并能自适应地动态跟踪时空信道的变化.从而对多用户信号进行分离。同时可以根据外界环境的变化自适应地对各天线阵元进行加权，使天线主瓣方向在对准信号渡达方向的同时,能够在干扰方向自动形成零陷。达到充分利用有用信号、抑制干扰的目的月。在实际的阵列天线系统中。阵列各支路问存在两种误差:非时变误差和时变误差。非时变误差包括由阵列排布引起的阵元集合位置差异、天线方向图差异、各阵元问馈线差异、阵元问的互耦效应等带来的误差:时变误差是由阵列射频通道髓温度变化的放大器相位和增益差异.混频器等器件的老化、时延、滤波、幅频相频特性失真、正交调｛5j解调器UO不平衡等引起的频率响应不一致所带来的误差。智能天线的两种误差可分两步分别校正。非时变误差可以通过离线校正方法进行精确测量.并可以在基带补偿，且由于这些误差的变化非常缓慢。不随温度等环境因素的变化而变化。故这些误差可以在阵列研制和系统调试时得到校正，在RRU内部进行.通过调整时域完成校准。时变误差是在BBU内部进行校准。通过调整频域完成。主要包括阵列通道在研制时引起的幅度和相位误差.这些误差可以通过在线校正方法进行精确调整和测量。但由于各通道之间的不一致性。即通道幅度和相位误差的时变性，使得它们会随着温度等环境因素的变化而变化。因此，有效的校正方法应能在线实时准确地检测并跟踪这种通道时变误差.并在基带进行补偿.达到校正的目的”。2.2天线校准因为本方案采用的是在线校正方法.所以在TD-m系统中。是通过高层给媒体接人控制（mediaaccesscontrOl.MAC层发信令,MAC层通知物理层向RRU进行天线校准，具体如图1所示。天线校准主要是补偿发送天线阵和接收天线阵之间的相位和幅度差，并且可以发现物理通道是否出现异常。在耦合天线阵中，有两种功能天线.一种是工作天线，另外一种是校准天线。工作天线用来发送和接收空中接口信号,而校准天线用来校准工作天线单元。发送天线校准时，校准天线处于接收状态.工作天线处于发送状态;接收天线校准时，校准天线处于发送状态.工作天线处于接收状态。,一t寸一p. 一p•.〜。 —〜„•,一。。。-一 _L r，-图1天线校准示意天线校准方法中发送校准和接收校准的基本原理是相同的，不同的是，发送校准各天线按时分方式依次发送校准信号，第一路信号发送完之后,第二路才发送。校准信号通过校准通道后依次被接收,接收到一路校准信号则开始计算该通道的信道系数.如图2所示:接收校准是终端发送一路校准信号.通过校准通道后由各个天线分别同时接收，然后计算各个通道的信道系数，如图3所示。因为校准信号为一组zc(Zadoti-Chu序列,通过式(1可以去掉ZC序列，得到含有噪声的信道系数，用"表示：圈2发送校准图3接收校准万方数据研究与开发以（忌=A-（七e'锄e12时掣'+哆（忌（1其中,i为通道号,0MiM7,k表示子载波编号,af=-15kl-Iz表示子载波间隔。出表示由变频相位差导致的常数相移项,A;表示幅度,el撤掣'表示相位，啦（％表示噪声。ch可以用一个矩阵表示，若通道数为K,总子载波数（校准序列长度为肌，则5可以写成：ch=哦（0哦（1...哦（K-1嘶（0嘶（1...嘶（虬一1;;;;哦一.（o哦一。（0...以一,（虬一1之后需要对计算出的信道系数进行滤波处理，去除噪声。得出纯净的信道系数。按照LTE协议，满足要求的物理资源块（re¥Otll"Ceblock,RB数为Nez=2"x39x5:',其中Ot、卢、7为非负整数，根据实际信道系数长度儿，得到虚拟信道系数长度L=』V汁W12，其中W船是大于帆的满足要求的下一长度的RB个数。一个RB含12个子载波.然后按照式（3计算虚拟信道系数，将整个信道系数的频谱首尾两端相位连接起来。实现平滑过渡：训『黔。s（耕R篆。似D+言。篆。c嘶，动c“,，卜12卜s（坐L业xLL/j髓㈤一言扣IIIM叫㈤其中,n=O,...,L-1,可以得到新的扩展后的信道系数ch',总长度为虬+£,ch7中虬长度的值为ch,L长度的值为k,再通过式（4的快速反傅里叶变换（inversefastfouriertransform,In叩将扩展后的信道系数变换成时域功率延迟谱：?=游s，xsg,t（以（4然后对时域进行平滑处理。通过将功率延迟谱中间样点置零最大可能去除噪声:再通过傅里叶变换将处理后功率延迟谱变回频域，得到较纯净的信道系数：h=O所(pxsqrt(N.:(5较纯净的信道系数可以用如下矩阵表示:%(O凡(I...%(心一1A(O八(1...A(j\『二一1；i；；魄一。(O噍一。(o...噍一。(J\r。一1通过较纯净的信道系数。选取一路通道。将该通道的校准系数设置为1.计算其他各通道的校准系数【81,通过除法实现，即如果选用通道菇为基准,Ci(m=h,(mlh;(m,其m=0,l,...儿一1,且也(m=1,下面以通道O为基准进行说明。假设共有K个通道(K个天线。各通道计算得到的信道系数为:ho(m,h。(m,...,饥+t(m,m表示子载波索引，O<m<虬一1。为使校准更加准确,在子载波的量级上进行校准，不但可以对延迟因素有更准确的评估,还可以对通道增益的平坦度有更精确的评估和补偿。以通道0为基准。其他各通道的校准系数为：“m=纵m,AI｛，神(7其中,i=1,...,||｝一1,m=0,1,...肌一1。具体得到的K个通道的校准系数可以表示为:C=ll.lcl(0c1(1...cl(W。一1••••••G一,(OG一。(0...G一。(儿一1(8其中,Co(m=l,m=0,l,・以一1。得到的ci(m携带了各通道相对于通道O的幅度和相位差异。即校准系数。得到各个通道的校准系数后.对各个通道进行补偿，使得发送校准从RRU出去和接收校准从RRU回来的各通道信号都保持一致的相位和幅度，为后续进行波束赋形提供良好的条件。3校准结果及其分析本文分别从发送校准和接收校准两个层面进行真实环境测试.并对得出的校准结果进行分析.给定的条件是1D.L1E系统20MHz带宽下的天线校准。不管是演迸型NodeB(evo1vedNodeB,eNodeB向终端发送数据，还是终端向eNodeB上传数据,经过长时间的传输,天线通道中信号的相位或者幅度肯定会出现或多或少的改变，所以要通过天线校准来纠正和补偿这个缺陷.2.6GHzTD.LTE系统中包括8个通道，以通道0为基准。通过天线校准，对信号的相位和幅度进行修正。接收校准前8根天线的相位如图4所示。20MHz带万方数据宽有1200个子载波。经过一段时间后,可以看到通过RRu天线口进来的每根天线相位和幅度都会发生变化，使得每根天线的相位和幅度均有差异,如果以这样的条件做波束赋形.其效果不尽如人意。不能保证赋形的正确性和可靠性。图5是经过天线校准后的8个通道的相位，通过高层设置周期性地对其进行天线校准。把出现偏差的相位校准成相同的相位。接收校准前8根天线的幅度如图6所示.随着时间的变化,8个通道的幅度相应变化，在本方案中，将接收校准前的幅度与式(7的校准系数相乘，得到接收校准后的幅度。如图7所示，从图中可以看出,8个通道的幅度完全相同。发送校准和接收校准的原理基本相同，发送校准前皇堕型兰兰里!呈墨墨曼18根天线的相位如图8所示。20MIIz带宽有l200个子载波.可以看出随着时间的变化，通过RRU天线口出去的8根天线信号的相位和幅度已经发生变化，使得每个天线的相位和幅度具有差异。图9是经过天线校准后的8个通道的相位.通过高层设置周期性地对其进行天线校准。把出现偏差的相位校准成相同的相位。发送校准前8根天线的幅度如图10所示，随着时间的变化.8个通道的幅度相应变化，在本方案中，将发送校准前的幅度与式（7的校准系数相乘，得到发送校准后的幅度，如图11所示.从图中可以看出,8个通道的幅度完全相同。4结束语OFDM和多天线技术已经成为LTE系统的两大关键至I拦矿一b——一型誓矿一1二斟謇P一§二斟警P堕/一露『U，堕-r蕊矿露P黼一■—IV藤口，焉一矿瓣一.矿瑚一P豫呵圹y万方数据【 。….J:载渡个皴t个Jfh走线l!Ii}被个数(十于鞋渡个数(c天线2{d天线1珊m一咕一兀而1矗0%。蒋们+撼萎黔'于戟i控个d天线新3+技术.而波束赋形是多天线技术中一种发展前景比较好的传输方案。赋形主要是利用空间信道的强相关性和波的干涉原理,产生强方向性的辐射方向图，从而提高信噪比，增大系统容量或者覆盖范围，但是对准确度有很高的要求。本文提出的在线校准方法通过20Maz带宽的系统真实环境涓试。得出不管是发送校准还是接收校准，都可以调整由相位和幅度造成的误差.相对于离线校准方法虽然增加了设计复杂度.但是校准结果更加准确。可以保证后续波束赋形的正确性和可靠性。参考文献1金立标.张乃谦.多输人多输出系统的功率分配算法研究电视技木,2010.34(Z12张新程。田韬.周晓津.LTE空中接口技术与性能.北京:人民邮电出版社.20093蝴JC,Rap州TS.SmarthntenassforWirde*sCommunications:IS_95and田血dC-enerationCDMAApplications.UpperSlllldleltim,NJ:PlXHlliceHallI'rR.19994沈嘉。索世强。全海洋.3GPP长期演进(LTE技术原理与系统设计.北京:人民邮电出版社。2s85WedeDS.MichielssenE.%ocontrtd0fadaptivenntennaarrayswith铲sdcalgodthmsW%&nnlnaneeanddiploidy.IEEETransaeti㈣sAntenmasandVl'opll嘶on.2001,49(106何振亚.自适应信号处理.北京:科学出版杜.20027金荣洪.耿军平，范瑜.无线通信中的智能天线.北京:北京邮电大学出版社.20068李萌.一种信道系数估计方法瘦装置.中国：slOl054鲫.1,2011翮.匾掣墓一霉墨万方数据皇竺登堂垫！兰垩整璺蕉【作者简介】张向鹏.硕士，主要研究方向为移动通信；余建国。博士。北京北方烽火科技有限公司博士生导师、副经理，主要研究方向为移动通信；邹丽红，硕士，主要研究方向为移动通信；李萌。硕士。主要研究方向为移动通信。TheCalibrateMethodofSmartAntennainTD一LTESystemZhangXiangpeng他，YuJianguoL2，ZouLihongL2，LiMen92(l.StateKeyLaboratoryofOpticalCommunicationTechnologiesandNetworks，Wuhan430074，China；2.BeijingNorthernFiberHomeTechnologiesCo.，Dd.，Beijingl00085，China)AbstractThecombinationofantennas—arrayandadvancedsignalprocessingtechnologyleadstotheappearanceofsnlartonantennas，whichhavethecapabilityofconcurrentlydealingwithsignalsofspacedomainandtimedomain.Researchsmartantennashasbecomeahotspotintheareaofsignalprocessing.Currently,inlD・LTEsystems,themulti—antennasbeamfonningtechnologywitlltinyarraydistanceisappliedtObasestation(Bs),inordertolowertheintrafrequencyinterferencebetweendifferentuserequipmentsWE),andtomcreasethethroughputoftheUEintheedgeofthecells,andenlargetherangeofcoverageoftheacells.TogranteetheaccuracywhichCallandreliabilityerror8ofbeamshaping,theadjustingofantennas—arrayhasbecomekeytechnology,ourreducetheamplitudeandphaseerrorsofdifferenttunnelsofthearrays.ThesimulationresultsshowthatproposedshemegranteestheaccuracyandreliabilityofKeywordsYmargbeamforming.antenna,signalprocessing,intrafrequencyinterference,beam—forming(收稿日期：2011一11一01),■｝坐坐出生坐.kjk簟簟囊峰jk.｝誓七一，毫jkjk・业•业业・：Ik簟jk.ale—ale—■P—.—｝-誓｝-誓｝—■｝-■｝—■｝j—｝jk■誓e—誓｝，誓｝-简讯-助电信运营商为企业推出同的IMS核心，为运营商提供了显著的协同效应。全新的爱立信媒体资源系统将为全球运营商提供安全、高品质的高清视频和全波段立体声音频会议功能。爱立信移动媒体网关可在升级后包含媒体资源系统的功能，从而确保为运营商节省运营成本。此外，PolycomRealPresence平台独特的开放标准方式保证了数以百计的UC、商业和社交网络应用间的互操作性。桥接孤立系统，真正实现企业级统一通信。这种端到端、基于云的产品将会帮助运营商利用全新、跨设备的VaaS，进入或扩展运营领域，同时赋予其高度可靠性和可扩展性。这项功能还将整合爱立信的统一通信解决方案 爱立信商业通信套件（Ericssoncommunicationbusiness“视频即服务"（VaaS）产品在2012年的移动世界大会上。