专利名称：在无线通信系统中校准电子相控的多振子天线的方法
技术领域：
本发明涉及一种在无线通信系统中通过为所有参考信号使用共同的参考点来校准电子相控的多振子天线的方法，而且还涉及一种用于此的装置。
通过在诸如数字移动无线系统等无线通信系统中使用电子相控的多振子天线、亦即所谓的智能天线，可以为无线通信有利地使用移动无线信道的、即便是多径传播但也存在的方向选择性。
智能天线通过相应和相位正确地控制天线阵的各个天线单元来形成方向特性。因此可以利用辐射造形而有目的地在其方向上把消息从一个基站传输给用户台。一方面，由此可以在基站的当前无线小区内降低相对于干扰的灵敏度，另一方面可以减少相邻无线小区内的同信道干扰。此外，在发射功率相同的情况下，用于给某个移动台提供无线资源的基站的作用距离将会明显加大。另外，由于在空间上是隔开的，所以在基站所供给的无线小区内可以重复地使用物理信道，而且在用户台移动时能自适应地跟踪所述方向图的所谓的天线波瓣。
为了实现所需的辐射造形，原始的传输信号大多是利用不同但预定的相角而经多个天线单元发送的。通过数字信号处理器(DSP＝数字信号处理)为每个天线单元求出相应的相角。
在调整相角时，通常会在数/模转换器和天线单元之间的模拟区出现不可预见的相位误差和时间延迟。因此传输信号不是利用所需的相角发送的，所述的辐射造形便会发生讹误或甚至是不可能的。为了消除所述辐射造形的模拟区的这种不利特性，需要所谓的天线校准。由该天线校准来消除整个模拟信号链对上述误差的影响。
为了建立辐射造形，必须首先确定从基站到移动台的方向。该方向是通过分析天线阵的每个天线单元上的接收信号的不同相角来确定的。因此基站内的天线校准不仅必须针对通往用户台的下行链路，而且还必须针对从用户台到基站的上行链路。
在使用智能天线的TD-SCDMA系统(时分-同步码分多址系统)中，为天线校准使用了一个附加天线，也即所谓的参考天线。在上行链路校准的情况下，利用该参考天线向天线阵的所有天线单元发送一个参考信号。在各个天线单元上根据电磁波的有限传播速度、并按照距参考天线的距离来预期一个确定的延迟时间和一个确定的相位。求出该预期的理论值和实际测量的实际值之间的差值，并将其存储下来作为校正因子。该校正因子随后被引入到正常的信号处理过程中，由此对天线进行校准。
对于下行链路的校准，由所述的参考天线在某个时间点上从天线阵的一个天线单元接收一个参考信号，并确定出校正因子。为了消除因天线阵的其它天线单元而造成的测量结果失真，可以在该时间点上不传输信号。随后由该参考天线在第二个时间点上从天线阵的第二天线单元接收一个参考信号，并为该第二天线单元确定出校正因子，依次类推。因此，为了校准天线阵的n个天线单元，必需在TDMA(时分多址)用户分离方法的支持下使用n个时隙。
延迟时间的误差经常只为一个码片(码片＝CDMA码元)的几分之一。为了在信号处理中考虑这种小的延迟时间，需要对接收信号和传输信号进行过采样。但通过过采样会明显增大需传输的数据速率。
本发明所基于的任务在于大大缩短在下行链路中校准智能天线的时间。
本发明的另一任务在于，在无需计算每个天线单元的校正因子、无需过采样以及由此无需产生较高数据速率的情况下对所述的模拟误差进行校正。
本发明还有一个任务在于通过天线校准只给物理信道加载极小的传输容量。
根据本发明，智能天线的所有天线单元在下行链路中是仅在一个步骤内被校准的。为此，由所述天线阵的各个天线单元同时发射出相互不同的参考信号，并且在所有天线信号的共同参考点处进行接收后又分离这些参考信号。
一种优选改进方按规定，所述参考信号的分离是通过应用CDMA(码分多址)方法进行的，该方法是基于用专门的扩展码来分离信号。
在另一种扩展方案中，为分离所述的参考信号而采用诸如相关等常规扩展码技术，其中，所述的共同参考点根据所述天线单元的各个参考代码信道来同步，而且所述的参考信号被再次减小到其原始带宽。
根据另一扩展方案，所述参考信号在该情形下是正交地编码的，以便在同时传输的情况下使干扰保持最小。
所述的校准因子可以在数字信号处理器内从所述的相关结果中获得。
本发明的另一优选特例在于使用最优化的参考信号数量，该信号数量能客观地估测所述的校准因子。
产生这种最优化的参考信号数量和估测值可以优选地按照如下方法来进行，该方法在Bernd Steiner，Paul Walter Baier“Low costchannel Estimation in the uplink receiver of CDMA mobile radiosystems(CDMA移动无线系统的上行链路接收机中的低成本信道估测)”，Frequenz(频率)47(1993)，第292-298页中讲述过。
根据另一实施方案，传输信号的时间延迟、相位误差和/或幅度的校正是直接在数字式上变换/下变换中实现的，由此无须引入校正因子，也不需要对接收信号和传输信号进行过采样以消除延迟误差。
为此，对所述数字式上变换器(DUC)和数字式下变换器(DDC)的数控振荡器(NCO)进行调谐。
根据本发明的一种改进，在TDD系统中在位于上行链路时隙和下行链路时隙之间的无传输的延迟时间内执行所述的校准。
在进一步改进方案中，所述的下行链路校准是在所述延迟时间开始时进行的，而所述的上行链路校准是在所述延迟时间结束处进行的。
根据另一改进方案，采用一个参考天线作为所述来自和通向所述天线单元的参考信号的共同参考点。
下面借助一个实施例来详细阐述本发明。在有关的附图中
图1简要地示出了一种采用智能天线的无线通信系统，图2简要地示出了在需校准的智能天线的上行链路同步中的信号流，图3简要地示出了在需校准的智能天线的下行链路同步中的信号流，以及图4简要地示出了TDD模式下在位于上行链路和下行链路之间的延迟间隔内的用于天线校准的信令。
图1示出了基站BS，在其所供给的无线小区Z的范围内，它譬如与三个移动台MS同时进行通信。为了从和向移动台MS进行无干扰的通信，设立了遵照时分双工方法TDD的信道分离法。为了分离位于各个移动台MS之间的通信，譬如可以采用混合的多路接入方法TD-SCDMA(时分-同步码分多址)、也即TD-CDMA(时分-码分多址)的一种特例。TD-CDMA涉及多路接入分量TDMA(时分多址)和CDMA(码分多址)的一种组合，并通过频率、时隙和代码等自由度来表征。TD-SCDMA与TD-CDMA的不同之处是在上行链路中使用了接收信号的高精度的同步。由此可以最大程度地保持接收信号的正交性，并由此也改善所述的检测性能。
TD-SCDMA系统或具有智能天线的类似无线通信系统的前提条件是能够使基站BS发射的传输信号实现方向选择性的天线。利用智能天线可以产生电旋转的且强烈聚焦的传播图。因此，智能天线可以减小传输信号根据环境而绕到移动台的入射角，从而降低了干扰。因此，同一基站可以使用沿不同方向旋转的不同天线波瓣，并同时在一个小区Z内使用相同的频道。此外，在发射功率相同的情况下能增大基站BS的作用距离。
在图1中，由基站BS的智能天线检测移动台MS的发射方向，并沿其方向形成相应的天线波瓣。
图2简要地示出了在智能多振子天线的上行链路校准过程中的信号流，所述的多振子天线由多个天线单元AE1～AEN和一个用于校准的参考天线AR组成。箭头表示了参考信号从参考天线AR到天线单元AE1～AEN的不同传播时间。由各天线单元AE1～AEN接收的、并在必要时被放大的参考信号同时在模/数转换器A/D内进行数字化。该数字化值随后同时地在数字式下变换器DDC内进行处理。譬如在数字信号处理器DSP内从以该方式获得的测量信号中求出校正因子，并将该校正值作为控制信号的形式反馈到各个天线单元AE1～AEN的数字式下变换器DDC。此外，来自所述信号处理器DSP的参考信号经过数字式上变换器DUC和数/模转换器D/A被送给所述的参考天线AR，该参考天线再把此参考信号发送给所述的天线单元AE1～AEN以用于校准的目的，依此类推。
图3简要地示出了在智能多振子天线的下行链路校准中的信号流。由天线单元AE1～AEN分别同时向参考天线AR发送一个参考信号，该参考天线以不同的参考信号传播时间接收所述的参考信号。必要时由参考天线AR放大所述的参考信号，并在模/数转换器A/D中将其再次转换成数字信号。随后在数字式下变换器DDC内处理该数字信号，并把以该方式获得的测量信号输入到所述的数字信号处理器DSP中。在信号处理器DSP内，譬如从所述的测量结果中求出校正因子，然后将其以控制信息的形式发送给天线单元AE1～AEN的数字式上变换器DUC。此外，还把参考信号1～N输至所述的数字式上变换器DUC，以便通过天线单元AE1～AEN发射出去。
下面选出一个用于TD-SCDMA系统的计算例子，其中使用了具有8个天线单元和一个参考天线的智能天线，以及CDMA码元(码片)长度为0.75μs。
校准因子的确定类似于移动无线技术中已知的信道估测方法。确定所接收的参考信号的时间延迟和相位。由于延迟误差相对于延迟理论值而言很小，所以譬如在可用的时间内为每个天线单元测试三次信道脉冲响应就足够了。所以在下行链路中用于校准智能天线的所有天线单元的信号长度为(8+1)个天线单元×3次测量×0.75μs的码片长度＝20.25μs。
天线校准-也即校正整个信号链上的模拟误差对所述智能多振子天线的方向特性的影响-是直接在数字通路上执行的。无需对接收信号和传输信号进行过采样以消除延迟误差。
在现代的基站中使用了数字式上变换和下变换，以便补偿由IQ相位误差和IQ幅度偏移所带来的问题。传输信号的延迟时间及相位的校正可以直接通过调谐所述数字式上变换器(DUC)和数字式下变换器(DDC)的数控振荡器NCO来实现，而无须在DSP的数字信号处理中引入校正因子。
数字式上变换器DUC和数字式下变换器DDC也可以实现传输信号的幅度调谐，因为出错的幅度同样会影响到所述的辐射造形。
由于校准级和DUC/DDC之间具有较高的数据速率，所以通往DUC及DDC的附加控制信息信令的缺点小得可以忽略。
从图4可以看出，在诸如TD-SCDMA等TDD系统中，在上行链路和下行链路之间设立了某个长度的延迟时间，以应付需传输的信号和数据的传播时间差。优选地，所述的校准测量可以在该延迟时间内进行，因为在该时间点上没有其它的信号影响所述的测量。优选地，下行链路校准在所述延迟时间开始时执行，而上行链路校准则在该延迟时间结束处执行。类似地，譬如也可以预备一个被装设用于通信连接的时隙TS来进行上述的校准过程。
天线校准的频度可以自由选择，并动态地与传输要求相匹配。譬如下行链路和上行链路的校准可以在位于下行链路和上行链路TDMA帧之间的每个延迟时间内实现，或者利用其多倍的时间间隔进行校准。如果譬如在基站方确定出移动台只是不重要地活动，或根本就不在通信连接期间活动以譬如用于语音传输、数据传输或多媒体传输，那么下行链路校准的频度也可以不同于上行链路校准的频度。
权利要求
1.在无线通信系统中通过为所有参考信号使用共同的参考点(AR)来校准电子相控的多振子天线的方法，其特征在于在下行方向(DL)的天线校准中由所述多振子天线的各个天线单元(AE1～AEN)同时发射出相互不同的参考信号，并且在所述的共同参考点(AR)处进行接收后又合适地分离这些参考信号。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于按照CDMA方法进行所述参考信号的编码和解码。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于采用一种相关方法以根据所述天线单元(AE1～AEN)的参考代码信道来同步所述的参考点(AR)。
4.根据上一权利要求的方法，其特征在于所述参考信号是正交地编码的。
5.根据上一权利要求的方法，其特征在于对时间延迟、相位和/或幅度中的模拟误差进行数字式地校正。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于在数字式上变换或数字式下变换中实现所述的校正。
7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于在数字信号处理器(DSP)内从所述的相关结果中获得一个校准因子。
8.根据权利要求5～7之一的方法，其特征在于为所述校准因子的客观估测使用最优化的信号数量。
9.根据上一权利要求的方法，其特征在于在时分双工(TDD)工作方式下在位于上行方向(UL)和下行方向(DL)之间的延迟时间内执行校准。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于所述在下行方向(DL)中用于校准的参考信号是在所述延迟时间开始时被发送的。
11.根据权利要求9的方法，其特征在于所述在上行方向(UL)中用于校准的参考信号是在所述延迟时间结束处被发送的。
12.根据权利要求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)中用于校准的参考信号总是在一个时隙(TS)内被发送的。
13.根据上一权利要求的方法，其特征在于采用一个参考天线作为所述参考信号的共同参考点。
14.无线通信系统的电子相控的多振子天线，其特征在于为下行方向(DL)中的天线校准而由多振子天线的各个天线单元(AE1～AEN)同时发射出相互不同的参考信号，并且在共同的参考点(AR)处进行接收后又合适地分离这些参考信号。
15.根据权利要求14的电子相控的多振子天线，其特征在于在时分双工(TDD)工作方式下在位于上行方向(UL)和下行方向(DL)之间的延迟时间内执行校准。
16.根据权利要求14或15的电子相控的多振子天线，其特征在于由一个参考天线构成所述用于校准信号的共同参考点(AR)。
全文摘要
根据本发明,为了在无线通信系统中通过为所有参考信号使用共同的参考点来校准电子相控的多振子天线,在下行链路中由所述多振子天线的各个天线单元同时发射出相互不同的参考信号,并且在所述的共同参考点处进行接收后又合适地分离这些参考信号。
文档编号H01Q3/26GK1384989SQ00814932
公开日2002年12月11日 申请日期2000年10月24日 优先权日1999年10月26日
发明者J·施勒 申请人:西门子公司