基于分布式架構(gòu)的多天線雙向信道測量裝置與校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于分布式架構(gòu)的多天線雙向信道測量裝置與校準(zhǔn)方法，屬于無線通信技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]無線信道是無線通信中信息的傳輸媒介，它的特性對系統(tǒng)性能有著直接的影響。對于無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、組網(wǎng)、優(yōu)化及性能分析，都需要深入了解信道的傳播特性。無線信道測量，也叫信道探測(Channel Sounding)，它的主要目的是獲得能精確描述信道特性的各種信道參數(shù)，如道傳遞函數(shù)、路徑損耗模型、延遲功率譜、角度功率譜、信均方根時(shí)延擴(kuò)展、電波的離開角和到達(dá)角等。通過測量獲得的信道參數(shù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用合理的數(shù)學(xué)方法建立信道模型，最終在各種環(huán)境中進(jìn)行模型驗(yàn)證，這是信道測量與建模的主要目的。
[0003]隨著LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善與發(fā)展，未來移動(dòng)通信需要支持多個(gè)頻段，峰值數(shù)據(jù)速率要求超過lGbps，最高要求每赫茲超過10比特每秒的頻譜利用率，并且能夠有效地支持在用戶數(shù)據(jù)速率、用戶容量、服務(wù)質(zhì)量和移動(dòng)速度等方面大動(dòng)態(tài)范圍的變化。多輸入多輸出(Multiple Input Multiple 0utput，Mn?))技術(shù)因?yàn)榫哂袀鬏斔俾省⒁苿?dòng)性、頻譜效率等方面的優(yōu)勢，正逐漸成為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。伴隨著網(wǎng)絡(luò)扁平化的趨勢，通過分布式天線原理，基站之間以協(xié)同多點(diǎn)傳輸(Coordinated Multiple Point,CoMP)的方式進(jìn)行無線資源優(yōu)化配置來提高空口的效率，使得下一代的無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架逐漸向分布式方向發(fā)展。此外，在時(shí)分雙工(Time Divis1n Duplex，TDD)和頻分雙工(FrequencyDivis1n Duplex，F(xiàn)DD)模式下，特別是FDD臨近頻段的上下行信道，信道的特性與互易性都與未來空時(shí)聯(lián)合檢測算法和系統(tǒng)鏈路預(yù)算密切相關(guān)。因此，對于分布式雙向M頂O信道，利用天線的分布化布置和雙向傳輸數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，可以獲取信號(hào)在時(shí)域、頻域和空間域上的傳輸特性，為未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的研發(fā)、部署、優(yōu)化、以及系統(tǒng)性能分析提供支持。
[0004]目前現(xiàn)有的多天線信道測量裝置，運(yùn)用單通道發(fā)射機(jī)與接收機(jī)，配合開關(guān)天線陣切換，實(shí)現(xiàn)多天線的模擬。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，缺點(diǎn)是基帶與射頻采用電纜互聯(lián)，長距離傳輸信號(hào)功率損失大，無法測量分布式小區(qū)信道，并且只能支持點(diǎn)對點(diǎn)單向信道的測量。此外由于采用虛擬天線陣切換的方式模擬MMO信道，每個(gè)通道的測量周期長，易受相位噪聲影響，無法實(shí)時(shí)獲取信道數(shù)據(jù)。目前M頂O信道的測量方法主要有掃頻測量法和滑動(dòng)相關(guān)測量法，前者的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，多徑分辨率高，待測信道受設(shè)備非線性影響小，缺點(diǎn)是收發(fā)信機(jī)之間需要矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的高頻電纜連接，測量距離短；掃頻時(shí)間長，只適用于時(shí)不變或慢變信道，無法測量多普勒頻移。后者的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)測量信道幅度和相位響應(yīng)，獲得多徑衰落和多普勒譜特性。缺點(diǎn)是當(dāng)信道帶寬遠(yuǎn)超過相干帶寬時(shí)，頻率選擇性衰落使得單載波發(fā)送和接收都存在極大困難。
[0005]單輸入單輸出(Single Input Single Output, ΜΙΜΟ)信道測量的校準(zhǔn)主要集中在測量設(shè)備產(chǎn)生的輸入和接收的輸出信號(hào)時(shí)/頻的相對特性上。當(dāng)X為無線信道的發(fā)射信號(hào)，Y為接收信號(hào)時(shí)，信道的頻域響應(yīng)可以表示為H = Υ/Χ。通過直接互聯(lián)，可以得到信道系數(shù)在時(shí)/頻域的校準(zhǔn)系數(shù)heer。最終的信道歸一化沖擊性響應(yīng)可以表示為測量得到的信道沖擊響應(yīng)H/Heer。而分布式MIMO信道測量時(shí)，不僅各通道的輸入/輸出信號(hào)特性有差異，空間上各通道的相關(guān)性也會(huì)使測量不準(zhǔn)確，而且測量信號(hào)在分布式光纖上傳輸延時(shí)和衰減也不一致，因此對于分布式MIMO信道測量的校準(zhǔn)，需要從時(shí)/頻域和空域方面考慮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于分布式架構(gòu)的多天線雙向信道測量裝置與校準(zhǔn)方法；信道測量裝置采用光載無線(Rad1 over Fiber,RoF)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式小區(qū)架構(gòu)下的信道測量，適合實(shí)時(shí)獲取分布式小區(qū)的雙向無線信道特性；校準(zhǔn)方法測量并補(bǔ)償分布式架構(gòu)引入的各部分誤差；本發(fā)明能夠有效實(shí)現(xiàn)分布式雙向MHTO信道的實(shí)時(shí)測量，并能夠應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化，有效降低了測量的復(fù)雜度，提高了測量的擴(kuò)展性和準(zhǔn)確性。
[0007]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]一種基于分布式架構(gòu)的多天線雙向信道測量裝置，主要包括近端機(jī)和多頻點(diǎn)遠(yuǎn)端機(jī)兩部分，采用近端機(jī)復(fù)用和多頻點(diǎn)遠(yuǎn)端機(jī)配置的方法實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)并降低復(fù)雜度，同時(shí)運(yùn)用并行多通道架構(gòu)和支持頻分雙工和時(shí)分雙工的時(shí)隙與幀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雙向測量；
[0009]所述近端機(jī)包括近端機(jī)電源、存儲(chǔ)陣列、數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、GPS馴服銣原子鐘、基帶子系統(tǒng)、射頻近端機(jī)和近端光端機(jī)，所述多頻點(diǎn)遠(yuǎn)端機(jī)包括遠(yuǎn)端機(jī)電源、遠(yuǎn)端光端機(jī)、射頻多頻點(diǎn)遠(yuǎn)端機(jī)和天線陣列，所述射頻多頻點(diǎn)遠(yuǎn)端機(jī)和天線陣列之間通過電纜通信連接，所述近端光端機(jī)與遠(yuǎn)端光端機(jī)之間通過光纖通信連接；所述天線陣列、射頻多頻點(diǎn)遠(yuǎn)端機(jī)、射頻近端機(jī)和基帶子系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)測量[MO信道特性；所述GPS馴服銣原子鐘用于提供基準(zhǔn)頻率與定時(shí)、地理信息和移動(dòng)速度；所述存儲(chǔ)陣列和數(shù)據(jù)管理服務(wù)器用于記錄測量數(shù)據(jù)，并對參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測和結(jié)果顯示。
[0010]由于光纖具有低損耗、高帶寬和防止電磁干擾的特點(diǎn)，因此本案采用光纖作為近端機(jī)和多頻點(diǎn)遠(yuǎn)端機(jī)的傳輸鏈路，該方案能夠有效地避免射頻信號(hào)損耗高和易受干擾的問題，最終實(shí)現(xiàn)長距離傳輸。
[0011]本案的分布式架構(gòu)中射頻單元與基帶處理單元分離，通過拉近天線與用戶的距離，使得網(wǎng)絡(luò)的容量、能量效率以及覆蓋范圍都得到了提升；此外，通過利用多小區(qū)MMO技術(shù)實(shí)施分布式基帶單元，復(fù)雜昂貴的設(shè)備都集中到中心站點(diǎn)，遠(yuǎn)端機(jī)共享這些設(shè)備，減少遠(yuǎn)端機(jī)的功耗和成本，系統(tǒng)的頻譜效率以及邊緣節(jié)點(diǎn)性能也得到極大改善，可以靈活組網(wǎng)并覆蓋較大的地理區(qū)域；同時(shí)，本案還采用支持分布式測量的測量信號(hào)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各MIMO子信道的實(shí)時(shí)雙向測量，可以有效地避免開關(guān)切換虛擬多通道帶來的測量周期長和無法實(shí)時(shí)雙向測量的問題，從而降低MMO信道低秩情況下相位噪聲對信道相關(guān)特性測量精度的影響，實(shí)現(xiàn)高頻高速場景測量；另外，本案的分布式架構(gòu)對于相位噪聲的改善也有較大的幫助。
[0012]優(yōu)選的，所述基帶子系統(tǒng)和射頻近端機(jī)之間接口統(tǒng)一，從而可替換不同頻段的射頻單元，并且采用堆疊方式擴(kuò)展到更多天線配置形式；所述基帶子系統(tǒng)和存儲(chǔ)陣列、數(shù)據(jù)管理服務(wù)器之間接口統(tǒng)一，可以擴(kuò)展系統(tǒng)存儲(chǔ)容量，實(shí)現(xiàn)不同頻段、不同時(shí)長的信道測量。
[0013]—種基于上述基于分布式架構(gòu)的多天線雙向信道測量裝置的校準(zhǔn)方法，包括如下步驟:
[0014](I)測量場景中，將近端機(jī)設(shè)置在用戶控制域計(jì)算中心，若干臺(tái)多頻點(diǎn)遠(yuǎn)端機(jī)分別通過光纖與一臺(tái)近端機(jī)通信連接，通過天線陣列收發(fā)測量信號(hào)；
[0015](2)設(shè)定工作頻率和雙工模式，所有發(fā)射通道設(shè)定相同的發(fā)射功率，所有接收通道設(shè)置相同的接收增益；
[0016](3)校準(zhǔn)物理通道帶來的功率和延時(shí)誤差；設(shè)每個(gè)天線陣列有N個(gè)接收天線數(shù)和M個(gè)發(fā)射天線，每個(gè)發(fā)射天線連接一個(gè)一端口分N端口的功分器，每個(gè)接收天線連接一個(gè)M端口合一端口的功合器，N個(gè)接收天線和功合器之間通過N根相同規(guī)格的電纜連接，M個(gè)發(fā)射天線與功分器之間通過M根相同規(guī)格的電纜連接，功分器與功合器之間通過NXM根相同規(guī)格的電纜互聯(lián)；
[0017](4)M個(gè)發(fā)射天線發(fā)送獨(dú)立不相關(guān)的測量信號(hào)，運(yùn)用參數(shù)估計(jì)的方法得到信道沖擊響應(yīng)，結(jié)合離線分析得到M頂O信道的校準(zhǔn)系數(shù)矩陣Hbypass;H bypass是一個(gè)三維矩陣，維度是NXMXNdelay，包含了信道測量裝置(包括近端機(jī)、多頻點(diǎn)遠(yuǎn)端機(jī)和光纖等)引入的功率和延時(shí)誤差出__的第三維包含各邏輯子信道引入的量化延時(shí)，其中Ndelay是Hbypass第三維的維度，取值為最大延時(shí)的邏輯子信道的量化延時(shí)值，若各邏輯子信道的量化延時(shí)值相同，那么Ndelay的值為I ;
[0018](5)對應(yīng)每一個(gè)邏輯子信道，在Hbypass的第三維上搜索絕對值最大值的元素并記錄其在第三維的位置ndelay，ndelay的取值范圍為I和Ndelay之間的非負(fù)整數(shù)；通過第三維上的循環(huán)移位將最大元素移動(dòng)至第三維上的第一個(gè)元素，從而對齊各邏輯子信道延時(shí)得到功率誤差的相關(guān)矩陣Hbypass_
shift? H bypass—shift 中第三維上的第一個(gè)二維矩陣作為直通信道傳輸矩陣 Hbypass _shift—2d，Hbypass—shift—2d
的維度是NX Μ;
[0019](6)對Hbypass—shlft—2d進(jìn)行奇異值分解，即計(jì)算H bypass shlft 2d= UDV %獲得相應(yīng)的U矩陣和V矩陣，其中U矩陣為NXN階酉矩陣，V矩陣為MXM階酉矩陣，D矩陣為半正定NXM階的對角矩陣；
[0020](7)根據(jù)各邏輯子信道的延時(shí)值rway修改由GPS馴服銣原子鐘(4)提供時(shí)鐘的定時(shí)同步邏輯，分配各邏輯子信道的接收定時(shí)基準(zhǔn)，并進(jìn)行接收天線和發(fā)射天線的同步與定位；
[0021](8)對發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，即:將發(fā)射信號(hào)X乘以V矩陣的共軛矩陣得到X’ = VI，將接收信號(hào)Y乘以U矩陣的共軛矩陣得到Y(jié)’ =IfY;利用校準(zhǔn)后的信號(hào)矩陣X’和Y’獲得MIMO信道系數(shù)，以去除信道測量裝置對信道測量的影響；
[0022](9)重新注入測量信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，結(jié)合建模方法得到信道系數(shù)矩陣H。
[0023]有益效果:本發(fā)明提供的基于分布式架構(gòu)的多天線雙向信道測量裝置與校準(zhǔn)方法，相較于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)勢:1、分離的室內(nèi)與室外單元，使得測量系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，架設(shè)方便，可用于測量分布式多天線雙向信道；2、采用RoF技術(shù)，支持集中式小區(qū)和分布式小區(qū)，組合靈活，實(shí)現(xiàn)分布式多天線信道的測量；3、在線實(shí)時(shí)處理與離線分析相結(jié)合，支持實(shí)時(shí)測量信道互易性，支持高速快衰落環(huán)境測量；4、通過對MMO信道各邏輯子信道的延時(shí)、功率、一致性和相關(guān)性校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)信道的精確測量，保證測量準(zhǔn)確性；5、結(jié)合分布式多天線信道測量裝置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的測量與校準(zhǔn)方法與步驟，可精確獲取無線信道的空/時(shí)/頻域特性。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明中基于分布式架構(gòu)的多天線信道測量場景的示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明中基于分布式架構(gòu)的多天線信道測量裝置；
[0026]圖3為本發(fā)明中基于分布式架構(gòu)的多天線信道裝置校準(zhǔn)方法。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0028]如圖1所示為基于分布式架構(gòu)的多天線信道測量場景場景示意圖，如圖2所示為基于分布式架構(gòu)的多天線信道測量裝置示意圖，主要包括近端機(jī)14和多頻點(diǎn)遠(yuǎn)端機(jī)15兩部分，采用近端機(jī)14復(fù)用和多頻點(diǎn)遠(yuǎn)端機(jī)15配置