無線寬帶通信系統(tǒng)中的射頻校準(zhǔn)技術(shù)研究

朱慶華 朱恭生 ?，?/p>

摘要：隨著無線通信系統(tǒng)的寬帶化，以及大規(guī)模MIMO技術(shù)的應(yīng)用，射頻通道校準(zhǔn)技術(shù)得到廣泛關(guān)注。本文分析了寬帶無線通信系統(tǒng)中的射頻通道校準(zhǔn)技術(shù)，包括校準(zhǔn)序列的選取，發(fā)射校準(zhǔn)算法，接收校準(zhǔn)算法，以及利用射頻通道在短時內(nèi)的平穩(wěn)特性，提出了一種多次校準(zhǔn)取平均的方法來降低系統(tǒng)噪聲，提升校準(zhǔn)精度，并給出了響應(yīng)的仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：MIMO，發(fā)射校準(zhǔn)，接收校準(zhǔn)，波束賦形

中圖分類號：TN828.6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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 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

隨著智能手機等智能終端越來越普及，各種基于智能終端的應(yīng)用越來越多，人們對于無線通信速率的要求也越來高。盡管基于LTE技術(shù)的4G時代已經(jīng)到來，其小區(qū)峰值速率也僅為100Mbps，仍然不能滿足多用戶情況下高清視頻等應(yīng)用，因此更高傳輸速率（Gbps）就成為無線通信系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)。眾所周知，提高無線通信系統(tǒng)的主要手段就是增加傳輸帶寬，另外基于MIMO的空分復(fù)用技術(shù)能有效的利用空間資源，實現(xiàn)頻譜效率的提升[1，2]。目前，在毫米波段，500MHz傳輸帶寬基礎(chǔ)上，利用64陣元以上的Massive MIMO技術(shù)[3]，實現(xiàn)空口10Gbps的傳輸速率已經(jīng)成為未來5G的研發(fā)目標(biāo)。該目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)的一個前提就是充分利用Massive MIMO的空分復(fù)用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在空間的多流傳輸。在大規(guī)模天線陣列場景下，空分復(fù)用主要利用了波束賦形技術(shù)，而該技術(shù)的一個重要前提就是天線陣元對應(yīng)的射頻通道幅相具有一致性，即實現(xiàn)射頻通道的校準(zhǔn)。

2 校準(zhǔn)原理

在目前的無線通信系統(tǒng)中，基站主要有三個功能模塊組成，即基帶處理單元（BBU）、射頻拉遠單元（RRU）和天線。在天線出廠時，其各陣元的幅相一致性據(jù)滿足行業(yè)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，由于天線為無源器件，因此在實際應(yīng)用過程中，其幅相一致性不隨時間、溫度等變化而變化，而RRU中的收發(fā)通道，會隨溫度的變化而變化，因此需要周期性的對各收發(fā)通道進行幅相一致性的校準(zhǔn)。

射頻通道校準(zhǔn)基于信道估計原理，即在BBU單元發(fā)射已知的校準(zhǔn)序列，然后利用各通道接收到的接收序列進行信道估計，然后以其中的一個通道為基準(zhǔn)，計算出校準(zhǔn)系數(shù)，以補償其他通道和校準(zhǔn)通道的差異性。

圖1 基站功能模塊示意圖

3 校準(zhǔn)序列

在實際的無線通信系統(tǒng)中，由于射頻通道的特性會隨溫度等外界環(huán)境的變化而變化，因此需要進行周期性的校準(zhǔn)，以確保在該周期內(nèi)，各通道的幅相一致性基本相同。由于射頻通道校準(zhǔn)屬于在線校準(zhǔn)，因此需要校準(zhǔn)序列的發(fā)射時刻以及校準(zhǔn)序列長度均要做合適的選擇，以避免與系統(tǒng)（或網(wǎng)內(nèi)）數(shù)據(jù)之間形成干擾[4]。另外由于寬帶無線系統(tǒng)的射頻通道的頻選特性不一致，因此射頻通道的校準(zhǔn)要做到各通道全帶寬的幅相一致性，這樣就要求校準(zhǔn)序列的選擇應(yīng)該滿足有限時間窗內(nèi)的全帶寬覆蓋。此外，考慮到實際的產(chǎn)品實現(xiàn)，校準(zhǔn)序列要求具有較低的峰均比（PAPR）。

3.1校準(zhǔn)序列的時頻轉(zhuǎn)換

如上所述，對于寬帶通信系統(tǒng)，校準(zhǔn)序列應(yīng)該滿足有限時間窗內(nèi)的全帶寬覆蓋，以下以帶寬為20MHz的LTE系統(tǒng)為例進行說明，該系統(tǒng)的fft點數(shù)為2048點，對于長度為[N=2048=211]點的時域離散序列[f（n）]，若要從其中的連續(xù)[2m]（m<11）個點確定整個序列，從而得出整個序列對應(yīng)的離散頻域信息，其前提條件是此[N=2048]的時域序列是以[2m]點為周期的序列，此條件等價于此2048點序列對應(yīng)的頻域序列中，[k≠l?211-m]（[l]為非負整數(shù)）時，[F（k）=0]，也即當(dāng)且僅當(dāng)[k=l?211-m]時，[F（k）]有值。其相關(guān)推導(dǎo)如下：

設(shè)頻域序列[F（k）k=0，1，2，…，2047.]，若[k≠l?211-m（l=0，1，2，…，2m-1）]時，[F（k）=0]，則對[F（k）]進行[N=2048]點的IFFT變換得到的時域序列可以表示為

[f（n）=1Nk=02047F（k）exp（j2πNkn）=1211l=02m-1F（l?211-m）expj2π211?（l?211-m）?n] （1）

此時，由上式可得以下關(guān)系

[f（n）=f（n±2m）] （2）

3.2校準(zhǔn)序列的選取

從理論上而言，校準(zhǔn)序列可以為任意序列，但是考慮到實際系統(tǒng)的實現(xiàn)，校準(zhǔn)序列應(yīng)該具有橫模特性，尤其要具有較低的PAPR，因此該序列可以通過計算機仿真的方式尋找。通過將序列元素設(shè)為1或-1，利用蒙特卡洛仿真，可以容易得到PAPR<4的序列，滿足實際系統(tǒng)的實現(xiàn)。

4 發(fā)射校準(zhǔn)

所謂發(fā)射校準(zhǔn)，指的是通過校準(zhǔn)，保證各發(fā)射通道之間的幅相一致性。其流程如圖2所示。

圖2 發(fā)射校準(zhǔn)示意圖

發(fā)射校準(zhǔn)需要多個發(fā)射通道同時發(fā)送校準(zhǔn)序列，然后通過耦合網(wǎng)絡(luò)由校準(zhǔn)通道接收經(jīng)過射頻通道的序列，各發(fā)射通道可以通過頻分的方式實現(xiàn)通道的區(qū)分。具體步驟如下：

1） 設(shè)置每個通道發(fā)送校準(zhǔn)時的頻域序列[Xi（k）]：

[Xi（k）k=0，1，2，…，2047.]頻域序列，設(shè)

[lmin=int（424211-m）+1]，[lmax=int（1623211-m）]，令

[cn（i）=intlmax-（lmin+i-1）8] （3）

第i個通道發(fā)送校準(zhǔn)時的頻域序列設(shè)置如下：

[Xi（k）=標(biāo)準(zhǔn)序列元素k=（lmin+i-1）+8c?211-m0k為其它] （4）

其中，[i]為通道序號，[c=0，1，2，…，cn（i）.]，即令[c]取值滿足[lmin+i-1+8c≤lmax]。

2） 確定每個通道發(fā)送時域序列

頻域序列[Xi（k）]對應(yīng)的時域序列為

[xi（n）=IFFT[Xi（k）]=1211c=0cn（i）expj2π211?（lmin+i-1+8c）?211-m?n=1211c=0cn（i）expj2π2m?（lmin+i-1+8c）?n] （5）

此時，[xi（n）]是以[2m]為周期的周期序列。由上節(jié)證明可知，整個OFDM發(fā)送時的接收序列也是以[2m]為周期的周期序列，只需發(fā)送并接收[xi（n）]中一個周期的數(shù)據(jù)即可?？紤]可能的通道時延，在一個周期發(fā)送數(shù)據(jù)前加上[Prefix_cyclic]個循環(huán)前綴，在發(fā)送的一個周期數(shù)據(jù)后加上[Postfix_cyclic]個循環(huán)后綴。于是，第[i]個通道發(fā)送序列表達如下：

[xi（n）=1211c=0cn（i）expj2π2m?（lmin+i-1+8c）?（n-Prefix_cyclic）] （6）

其中，[n=0，1，…，（2m+Prefix_cyclic+Postfix_cyclic-1）.]。

3） 由接收序列[y（n）]計算接收通道對應(yīng)的頻域序列：

接收數(shù)據(jù)時，只需獲取發(fā)送序列中的一個周期的[2m]數(shù)據(jù)對應(yīng)的響應(yīng)值，發(fā)送序列中循環(huán)前綴和后綴數(shù)據(jù)的響應(yīng)并不需要。不妨設(shè)接收到的此[2m]個點表示如下：

[y（n）n=0，1，…，2m-1.] （7）

代入下式只需求得[k=l?211-m，lmin≤l≤lmax.]的對應(yīng)值[Y（k）]：

[Y（k）=n=02m-1y（n）?211-m?exp（-j2π?l?n2m）k=l?211-m0k≠l?211-m] （8）

4） 獲取每個通道的發(fā)送校準(zhǔn)系數(shù)：

由于采用頻分法區(qū)分各個通道，因此由接收序列對應(yīng)的頻域序列可以直接得出各個通道的發(fā)送校準(zhǔn)系數(shù)。

對于第[i]個發(fā)送通道，可以得出發(fā)送頻率點上的校準(zhǔn)系數(shù)為

[ai（k）=Y（k）k=（lmin+i-1）+8c?211-m，c=0，1，…，cn（i）.] （9）

5 接收校準(zhǔn)

所謂接收校準(zhǔn)，指的是通過校準(zhǔn)，保證各接收通道之間的幅相一致性。其流程如圖3所示。

圖3 接收校準(zhǔn)示意圖

由于接收校準(zhǔn)為校準(zhǔn)序列經(jīng)過校準(zhǔn)通道發(fā)送，每個接收通道各自接收自身的信道響應(yīng)，因此其頻域精度要高于發(fā)射校準(zhǔn)，其具體處理流程如下：

1） 設(shè)置校準(zhǔn)通道的頻域序列[X（k）]：

[X（k）k=0，1，2，…，2047.]為頻域序列，設(shè)[lmin=int（424211-m）+1]，[lmax=int（1623211-m）]，設(shè)置[X（k）]序列在[k=l?211-m，lmin≤l≤lmax.]時為非零值，其它位置處均為零。因此，[X（k）]序列可以簡單設(shè)置如下：

[X（k）=校準(zhǔn)序列元素k=l?211-m，lmin≤l≤lmax0k為其它] （10）

2） 確定校準(zhǔn)通道發(fā)送時域序列

[x（n）=1211l=0LX（l?211-m）expj2π211?（l?211-m）?（n-Prefix_cyclic）] （11）

其中，[n=0，1，…，（2m+Prefix_cyclic+Postfix_cyclic-1）.]。

3） 由各個接收通道的接收序列計算其對應(yīng)的頻域序列：

每個通道接收數(shù)據(jù)時，只需獲取發(fā)送序列中的一個周期的[2m]數(shù)據(jù)對應(yīng)的響應(yīng)值，發(fā)送序列中循環(huán)前綴和后綴數(shù)據(jù)的響應(yīng)并不需要。不妨設(shè)第[i]個接收通道接收到的此[2m]個點表示如下：

[yi（n）n=0，1，…，2m-1.] （12）

可求得各個接收通道接收時域序列對應(yīng)的頻域序列[Yi（k）]在[k=l?211-m]（[lmin≤l≤lmax]）處的值：

[Yi（k）=n=0Lyi（n）?211-m?exp（-j2π?l?n2m）k=l?211-m0k≠l?211-m] （13）

4） 求取各個頻率點處每個通道的接收校準(zhǔn)系數(shù)：

第[i]個接收通道在子載波[k]處的接收校準(zhǔn)系數(shù)可以表達如下：

[ai（k）=Yi（k）X（k）k=l?211-m，lmin≤l≤lmax.] （14）

6 校準(zhǔn)結(jié)果優(yōu)化

以上針對校準(zhǔn)序列的選擇、發(fā)射校準(zhǔn)流程、接收校準(zhǔn)流程分別進行了詳細描述。在實際無線通信系統(tǒng)中，由于射頻通道噪聲的存在，且受限于射頻通達功率控制，校準(zhǔn)序列不得發(fā)射功率不能很大，因此校準(zhǔn)系數(shù)的計算精度有限[5-9]?？紤]到在較短時間內(nèi)（比如秒級），射頻通道是平穩(wěn)的，其特性可以認為是恒定的，因此可以通過多次校準(zhǔn)，然后對校準(zhǔn)系數(shù)進行平均的方式提高校準(zhǔn)精度。圖4和圖5的仿真結(jié)果顯示，通過增加校準(zhǔn)次數(shù)可以明顯降低校準(zhǔn)誤差。

圖4 不同校準(zhǔn)次數(shù)下接收校準(zhǔn)的幅度誤差

圖5 不同校準(zhǔn)次數(shù)下接收校準(zhǔn)的相位誤差

7 結(jié)束語

隨著基于大規(guī)模MIMO的寬帶無線通信技術(shù)的應(yīng)用，射頻通道校準(zhǔn)技術(shù)得到越來越廣泛的關(guān)注，其校準(zhǔn)精度深刻地影響著波束賦形等多天線技術(shù)的應(yīng)用，并最終影響到整個無線通信系統(tǒng)的傳輸速率，因此一個算法合理，且實現(xiàn)復(fù)雜度可接受的多通道射頻校準(zhǔn)技術(shù)需要進一步研究。

參考文獻：

[1] Kouassi B， Zayen B， Ghauri I， et al. Reciprocity calibration techniques， implementation on the OpenAirInterfaceplatform[J]. in 4th International Conf. on Cognitive Radio and Advanced Spectrum Management （COGART， 2011， （Article No.26）：372-376.

[2] Zhang C， Ni J， Han Y， et al. Performance analysis of antenna array calibration and its impact on beam forming： A survey[C]. Communications and Networking in China （CHINACOM）， 2010 5th International ICST Conference onIEEE， 2010：1-5.

[3] Marzetta T L. Massive MIMO： An Introduction[J]. Bell Labs Technical Journal， 2015， 20：11-22.

[4] Baudin G， Matthews S， Bessudo R， et al. Medium-Resolution Imaging Spectrometer （MERIS） calibration sequence[C]. SPIE's 1996 International Symposium on Optical Science， Engineering， and InstrumentationInternational Society for Optics and Photonics， 1996：141-150.

[5] Hasan Z， Boostanimehr H， Bhargava V K. Green cellular networks： A survey， some research issues and challenges[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2011， 13（4）： 524-540.

[6] Feng D， Jiang C， Lim G， et al. A survey of energy-efficient wireless communications [J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2013， 15（1）： 167-178.

[7] Chen Y， Zhang S， Xu S， et al. Fundamental Tradeoffs on Green Wireless Networks[J]. Communications Magazine IEEE， 2011， 49（6）：30-37.

[8] Li G Y， Xu Z， Xiong C， et al. Energy-efficient wireless communications： Tutorial， survey， and open issues[J]， IEEE Wireless Communications， 2011， 18（6）： 28–35.

[9] Roh W， Seol J Y， Park J， et al. Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications： theoretical feasibility and prototype results[J]. Communications Magazine IEEE， 2014， 52（2）：106-113.