專利名稱：在無線通信系統(tǒng)中校準電子相控的多振子天線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在無線通信系統(tǒng)中通過為所有參考信號使用共同的參考點來校準電子相控的多振子天線的方法，而且還涉及一種用于此的裝置。
通過在諸如數(shù)字移動無線系統(tǒng)等無線通信系統(tǒng)中使用電子相控的多振子天線、亦即所謂的智能天線，可以為無線通信有利地使用移動無線信道的、即便是多徑傳播但也存在的方向選擇性。
智能天線通過相應(yīng)和相位正確地控制天線陣的各個天線單元來形成方向特性。因此可以利用輻射造形而有目的地在其方向上把消息從一個基站傳輸給用戶臺。一方面，由此可以在基站的當前無線小區(qū)內(nèi)降低相對于干擾的靈敏度，另一方面可以減少相鄰無線小區(qū)內(nèi)的同信道干擾。此外，在發(fā)射功率相同的情況下，用于給某個移動臺提供無線資源的基站的作用距離將會明顯加大。另外，由于在空間上是隔開的，所以在基站所供給的無線小區(qū)內(nèi)可以重復(fù)地使用物理信道，而且在用戶臺移動時能自適應(yīng)地跟蹤所述方向圖的所謂的天線波瓣。
為了實現(xiàn)所需的輻射造形，原始的傳輸信號大多是利用不同但預(yù)定的相角而經(jīng)多個天線單元發(fā)送的。通過數(shù)字信號處理器(DSP＝數(shù)字信號處理)為每個天線單元求出相應(yīng)的相角。
在調(diào)整相角時，通常會在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和天線單元之間的模擬區(qū)出現(xiàn)不可預(yù)見的相位誤差和時間延遲。因此傳輸信號不是利用所需的相角發(fā)送的，所述的輻射造形便會發(fā)生訛誤或甚至是不可能的。為了消除所述輻射造形的模擬區(qū)的這種不利特性，需要所謂的天線校準。由該天線校準來消除整個模擬信號鏈對上述誤差的影響。
為了建立輻射造形，必須首先確定從基站到移動臺的方向。該方向是通過分析天線陣的每個天線單元上的接收信號的不同相角來確定的。因此基站內(nèi)的天線校準不僅必須針對通往用戶臺的下行鏈路，而且還必須針對從用戶臺到基站的上行鏈路。
在使用智能天線的TD-SCDMA系統(tǒng)(時分-同步碼分多址系統(tǒng))中，為天線校準使用了一個附加天線，也即所謂的參考天線。在上行鏈路校準的情況下，利用該參考天線向天線陣的所有天線單元發(fā)送一個參考信號。在各個天線單元上根據(jù)電磁波的有限傳播速度、并按照距參考天線的距離來預(yù)期一個確定的延遲時間和一個確定的相位。求出該預(yù)期的理論值和實際測量的實際值之間的差值，并將其存儲下來作為校正因子。該校正因子隨后被引入到正常的信號處理過程中，由此對天線進行校準。
對于下行鏈路的校準，由所述的參考天線在某個時間點上從天線陣的一個天線單元接收一個參考信號，并確定出校正因子。為了消除因天線陣的其它天線單元而造成的測量結(jié)果失真，可以在該時間點上不傳輸信號。隨后由該參考天線在第二個時間點上從天線陣的第二天線單元接收一個參考信號，并為該第二天線單元確定出校正因子，依次類推。因此，為了校準天線陣的n個天線單元，必需在TDMA(時分多址)用戶分離方法的支持下使用n個時隙。
延遲時間的誤差經(jīng)常只為一個碼片(碼片＝CDMA碼元)的幾分之一。為了在信號處理中考慮這種小的延遲時間，需要對接收信號和傳輸信號進行過采樣。但通過過采樣會明顯增大需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率。
本發(fā)明所基于的任務(wù)在于大大縮短在下行鏈路中校準智能天線的時間。
本發(fā)明的另一任務(wù)在于，在無需計算每個天線單元的校正因子、無需過采樣以及由此無需產(chǎn)生較高數(shù)據(jù)速率的情況下對所述的模擬誤差進行校正。
本發(fā)明還有一個任務(wù)在于通過天線校準只給物理信道加載極小的傳輸容量。
根據(jù)本發(fā)明，智能天線的所有天線單元在下行鏈路中是僅在一個步驟內(nèi)被校準的。為此，由所述天線陣的各個天線單元同時發(fā)射出相互不同的參考信號，并且在所有天線信號的共同參考點處進行接收后又分離這些參考信號。
一種優(yōu)選改進方按規(guī)定，所述參考信號的分離是通過應(yīng)用CDMA(碼分多址)方法進行的，該方法是基于用專門的擴展碼來分離信號。
在另一種擴展方案中，為分離所述的參考信號而采用諸如相關(guān)等常規(guī)擴展碼技術(shù)，其中，所述的共同參考點根據(jù)所述天線單元的各個參考代碼信道來同步，而且所述的參考信號被再次減小到其原始帶寬。
根據(jù)另一擴展方案，所述參考信號在該情形下是正交地編碼的，以便在同時傳輸?shù)那闆r下使干擾保持最小。
所述的校準因子可以在數(shù)字信號處理器內(nèi)從所述的相關(guān)結(jié)果中獲得。
本發(fā)明的另一優(yōu)選特例在于使用最優(yōu)化的參考信號數(shù)量，該信號數(shù)量能客觀地估測所述的校準因子。
產(chǎn)生這種最優(yōu)化的參考信號數(shù)量和估測值可以優(yōu)選地按照如下方法來進行，該方法在Bernd Steiner，Paul Walter Baier“Low costchannel Estimation in the uplink receiver of CDMA mobile radiosystems(CDMA移動無線系統(tǒng)的上行鏈路接收機中的低成本信道估測)”，F(xiàn)requenz(頻率)47(1993)，第292-298頁中講述過。
根據(jù)另一實施方案，傳輸信號的時間延遲、相位誤差和/或幅度的校正是直接在數(shù)字式上變換/下變換中實現(xiàn)的，由此無須引入校正因子，也不需要對接收信號和傳輸信號進行過采樣以消除延遲誤差。
為此，對所述數(shù)字式上變換器(DUC)和數(shù)字式下變換器(DDC)的數(shù)控振蕩器(NCO)進行調(diào)諧。
根據(jù)本發(fā)明的一種改進，在TDD系統(tǒng)中在位于上行鏈路時隙和下行鏈路時隙之間的無傳輸?shù)难舆t時間內(nèi)執(zhí)行所述的校準。
在進一步改進方案中，所述的下行鏈路校準是在所述延遲時間開始時進行的，而所述的上行鏈路校準是在所述延遲時間結(jié)束處進行的。
根據(jù)另一改進方案，采用一個參考天線作為所述來自和通向所述天線單元的參考信號的共同參考點。
下面借助一個實施例來詳細闡述本發(fā)明。在有關(guān)的附圖中

圖1簡要地示出了一種采用智能天線的無線通信系統(tǒng)，圖2簡要地示出了在需校準的智能天線的上行鏈路同步中的信號流，圖3簡要地示出了在需校準的智能天線的下行鏈路同步中的信號流，以及圖4簡要地示出了TDD模式下在位于上行鏈路和下行鏈路之間的延遲間隔內(nèi)的用于天線校準的信令。
圖1示出了基站BS，在其所供給的無線小區(qū)Z的范圍內(nèi)，它譬如與三個移動臺MS同時進行通信。為了從和向移動臺MS進行無干擾的通信，設(shè)立了遵照時分雙工方法TDD的信道分離法。為了分離位于各個移動臺MS之間的通信，譬如可以采用混合的多路接入方法TD-SCDMA(時分-同步碼分多址)、也即TD-CDMA(時分-碼分多址)的一種特例。TD-CDMA涉及多路接入分量TDMA(時分多址)和CDMA(碼分多址)的一種組合，并通過頻率、時隙和代碼等自由度來表征。TD-SCDMA與TD-CDMA的不同之處是在上行鏈路中使用了接收信號的高精度的同步。由此可以最大程度地保持接收信號的正交性，并由此也改善所述的檢測性能。
TD-SCDMA系統(tǒng)或具有智能天線的類似無線通信系統(tǒng)的前提條件是能夠使基站BS發(fā)射的傳輸信號實現(xiàn)方向選擇性的天線。利用智能天線可以產(chǎn)生電旋轉(zhuǎn)的且強烈聚焦的傳播圖。因此，智能天線可以減小傳輸信號根據(jù)環(huán)境而繞到移動臺的入射角，從而降低了干擾。因此，同一基站可以使用沿不同方向旋轉(zhuǎn)的不同天線波瓣，并同時在一個小區(qū)Z內(nèi)使用相同的頻道。此外，在發(fā)射功率相同的情況下能增大基站BS的作用距離。
在圖1中，由基站BS的智能天線檢測移動臺MS的發(fā)射方向，并沿其方向形成相應(yīng)的天線波瓣。
圖2簡要地示出了在智能多振子天線的上行鏈路校準過程中的信號流，所述的多振子天線由多個天線單元AE1～AEN和一個用于校準的參考天線AR組成。箭頭表示了參考信號從參考天線AR到天線單元AE1～AEN的不同傳播時間。由各天線單元AE1～AEN接收的、并在必要時被放大的參考信號同時在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D內(nèi)進行數(shù)字化。該數(shù)字化值隨后同時地在數(shù)字式下變換器DDC內(nèi)進行處理。譬如在數(shù)字信號處理器DSP內(nèi)從以該方式獲得的測量信號中求出校正因子，并將該校正值作為控制信號的形式反饋到各個天線單元AE1～AEN的數(shù)字式下變換器DDC。此外，來自所述信號處理器DSP的參考信號經(jīng)過數(shù)字式上變換器DUC和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器D/A被送給所述的參考天線AR，該參考天線再把此參考信號發(fā)送給所述的天線單元AE1～AEN以用于校準的目的，依此類推。
圖3簡要地示出了在智能多振子天線的下行鏈路校準中的信號流。由天線單元AE1～AEN分別同時向參考天線AR發(fā)送一個參考信號，該參考天線以不同的參考信號傳播時間接收所述的參考信號。必要時由參考天線AR放大所述的參考信號，并在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D中將其再次轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。隨后在數(shù)字式下變換器DDC內(nèi)處理該數(shù)字信號，并把以該方式獲得的測量信號輸入到所述的數(shù)字信號處理器DSP中。在信號處理器DSP內(nèi)，譬如從所述的測量結(jié)果中求出校正因子，然后將其以控制信息的形式發(fā)送給天線單元AE1～AEN的數(shù)字式上變換器DUC。此外，還把參考信號1～N輸至所述的數(shù)字式上變換器DUC，以便通過天線單元AE1～AEN發(fā)射出去。
下面選出一個用于TD-SCDMA系統(tǒng)的計算例子，其中使用了具有8個天線單元和一個參考天線的智能天線，以及CDMA碼元(碼片)長度為0.75μs。
校準因子的確定類似于移動無線技術(shù)中已知的信道估測方法。確定所接收的參考信號的時間延遲和相位。由于延遲誤差相對于延遲理論值而言很小，所以譬如在可用的時間內(nèi)為每個天線單元測試三次信道脈沖響應(yīng)就足夠了。所以在下行鏈路中用于校準智能天線的所有天線單元的信號長度為(8+1)個天線單元×3次測量×0.75μs的碼片長度＝20.25μs。
天線校準-也即校正整個信號鏈上的模擬誤差對所述智能多振子天線的方向特性的影響-是直接在數(shù)字通路上執(zhí)行的。無需對接收信號和傳輸信號進行過采樣以消除延遲誤差。
在現(xiàn)代的基站中使用了數(shù)字式上變換和下變換，以便補償由IQ相位誤差和IQ幅度偏移所帶來的問題。傳輸信號的延遲時間及相位的校正可以直接通過調(diào)諧所述數(shù)字式上變換器(DUC)和數(shù)字式下變換器(DDC)的數(shù)控振蕩器NCO來實現(xiàn)，而無須在DSP的數(shù)字信號處理中引入校正因子。
數(shù)字式上變換器DUC和數(shù)字式下變換器DDC也可以實現(xiàn)傳輸信號的幅度調(diào)諧，因為出錯的幅度同樣會影響到所述的輻射造形。
由于校準級和DUC/DDC之間具有較高的數(shù)據(jù)速率，所以通往DUC及DDC的附加控制信息信令的缺點小得可以忽略。
從圖4可以看出，在諸如TD-SCDMA等TDD系統(tǒng)中，在上行鏈路和下行鏈路之間設(shè)立了某個長度的延遲時間，以應(yīng)付需傳輸?shù)男盘柡蛿?shù)據(jù)的傳播時間差。優(yōu)選地，所述的校準測量可以在該延遲時間內(nèi)進行，因為在該時間點上沒有其它的信號影響所述的測量。優(yōu)選地，下行鏈路校準在所述延遲時間開始時執(zhí)行，而上行鏈路校準則在該延遲時間結(jié)束處執(zhí)行。類似地，譬如也可以預(yù)備一個被裝設(shè)用于通信連接的時隙TS來進行上述的校準過程。
天線校準的頻度可以自由選擇，并動態(tài)地與傳輸要求相匹配。譬如下行鏈路和上行鏈路的校準可以在位于下行鏈路和上行鏈路TDMA幀之間的每個延遲時間內(nèi)實現(xiàn)，或者利用其多倍的時間間隔進行校準。如果譬如在基站方確定出移動臺只是不重要地活動，或根本就不在通信連接期間活動以譬如用于語音傳輸、數(shù)據(jù)傳輸或多媒體傳輸，那么下行鏈路校準的頻度也可以不同于上行鏈路校準的頻度。
權(quán)利要求
1.在無線通信系統(tǒng)中通過為所有參考信號使用共同的參考點(AR)來校準電子相控的多振子天線的方法，其特征在于在下行方向(DL)的天線校準中由所述多振子天線的各個天線單元(AE1～AEN)同時發(fā)射出相互不同的參考信號，并且在所述的共同參考點(AR)處進行接收后又合適地分離這些參考信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于按照CDMA方法進行所述參考信號的編碼和解碼。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于采用一種相關(guān)方法以根據(jù)所述天線單元(AE1～AEN)的參考代碼信道來同步所述的參考點(AR)。
4.根據(jù)上一權(quán)利要求的方法，其特征在于所述參考信號是正交地編碼的。
5.根據(jù)上一權(quán)利要求的方法，其特征在于對時間延遲、相位和/或幅度中的模擬誤差進行數(shù)字式地校正。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于在數(shù)字式上變換或數(shù)字式下變換中實現(xiàn)所述的校正。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的方法，其特征在于在數(shù)字信號處理器(DSP)內(nèi)從所述的相關(guān)結(jié)果中獲得一個校準因子。
8.根據(jù)權(quán)利要求5～7之一的方法，其特征在于為所述校準因子的客觀估測使用最優(yōu)化的信號數(shù)量。
9.根據(jù)上一權(quán)利要求的方法，其特征在于在時分雙工(TDD)工作方式下在位于上行方向(UL)和下行方向(DL)之間的延遲時間內(nèi)執(zhí)行校準。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于所述在下行方向(DL)中用于校準的參考信號是在所述延遲時間開始時被發(fā)送的。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于所述在上行方向(UL)中用于校準的參考信號是在所述延遲時間結(jié)束處被發(fā)送的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1～8之一的方法，其特征在于所述在上行方向(UL)和/或下行方向(DL)中用于校準的參考信號總是在一個時隙(TS)內(nèi)被發(fā)送的。
13.根據(jù)上一權(quán)利要求的方法，其特征在于采用一個參考天線作為所述參考信號的共同參考點。
14.無線通信系統(tǒng)的電子相控的多振子天線，其特征在于為下行方向(DL)中的天線校準而由多振子天線的各個天線單元(AE1～AEN)同時發(fā)射出相互不同的參考信號，并且在共同的參考點(AR)處進行接收后又合適地分離這些參考信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電子相控的多振子天線，其特征在于在時分雙工(TDD)工作方式下在位于上行方向(UL)和下行方向(DL)之間的延遲時間內(nèi)執(zhí)行校準。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的電子相控的多振子天線，其特征在于由一個參考天線構(gòu)成所述用于校準信號的共同參考點(AR)。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明,為了在無線通信系統(tǒng)中通過為所有參考信號使用共同的參考點來校準電子相控的多振子天線,在下行鏈路中由所述多振子天線的各個天線單元同時發(fā)射出相互不同的參考信號,并且在所述的共同參考點處進行接收后又合適地分離這些參考信號。
文檔編號H01Q3/26GK1384989SQ00814932
公開日2002年12月11日 申請日期2000年10月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月26日
發(fā)明者J·施勒 申請人:西門子公司