專利名稱：對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于無線通信系統(tǒng)的智能天線(Smart Antenna)技術(shù)，更確切地說是涉及一種實時校準(zhǔn)智能天線陣的方法。
在名稱為“一種校準(zhǔn)智能天線陣的方法和裝置”的專利申請文件中[CN99111350.0]，用于實時校準(zhǔn)智能天線陣的裝置包括由耦合結(jié)構(gòu)、饋電電纜及信標(biāo)收發(fā)信機(jī)連接構(gòu)成的校準(zhǔn)鏈路，耦合結(jié)構(gòu)與智能天線陣的天線單元對應(yīng)進(jìn)行耦合連接，信標(biāo)收發(fā)信機(jī)連接基帶處理器。校準(zhǔn)方法包括的主要步驟是利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對耦合結(jié)構(gòu)預(yù)先進(jìn)行校準(zhǔn)，分別記錄其接收與發(fā)射傳輸系數(shù)；對智能天線陣進(jìn)行接收校準(zhǔn)，將每條接收鏈路與參考鏈路傳輸系數(shù)的幅度調(diào)整為相同，將各相位差Φ記錄存儲在基帶處理器中；和進(jìn)行發(fā)射校準(zhǔn)，將每條發(fā)射鏈路與參考鏈路的傳輸系數(shù)的幅度調(diào)整為相同，將各相位差φ記錄在基帶處理器中。
在名稱為“無線通信系統(tǒng)智能天線陣的耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)及耦合校準(zhǔn)方法”的專利申請文件中[CN01120547.4]，又在上述專利技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步對耦合校準(zhǔn)裝置及耦合校準(zhǔn)方法進(jìn)行了實用化設(shè)計，以解決基站系統(tǒng)無線發(fā)射機(jī)與無線接收機(jī)的發(fā)射及接收校準(zhǔn)精度受智能天線陣安裝環(huán)境與架設(shè)地域影響的問題，和達(dá)到產(chǎn)品生產(chǎn)與調(diào)試時的一致性。
在上述已有技術(shù)中，智能天線陣的校準(zhǔn)裝置與校準(zhǔn)方法都必須使用信標(biāo)天線或耦合校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，且必須有一條特定的校準(zhǔn)鏈路；雖然前一技術(shù)中涉及到對智能天線陣的隨時校準(zhǔn)問題，但沒有提出對正在運(yùn)行中的智能天線系統(tǒng)進(jìn)行實時校準(zhǔn)的具體方法。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是這樣的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于包括以下處理步驟A.在智能天線陣現(xiàn)場安裝前，對天線陣進(jìn)行予校準(zhǔn)，獲得天線陣中各天線單元之間的傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；B.在智能天線陣安裝到工程現(xiàn)場后，將對該智能天線陣的傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)加載到與此智能天線陣所連接的無線基站內(nèi)；C.在此無線基站開始運(yùn)行或運(yùn)行過程中，在各一個工作時隙內(nèi)，順序讓每一條發(fā)射鏈路發(fā)射單元校準(zhǔn)信號，同時將智能天線陣中除該條發(fā)射鏈路以外的其他鏈路都置于接收狀態(tài)，并記錄接收鏈路所接收到的單元校準(zhǔn)信號；D.利用所接收到的全部單元校準(zhǔn)信號和傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，分別計算出各待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)接收鏈路的接收傳輸系數(shù)矩陣與參考鏈路接收傳輸系數(shù)矩陣之比，和發(fā)射鏈路的發(fā)射傳輸系數(shù)矩陣與參考鏈路發(fā)射傳輸系數(shù)矩陣之比，實現(xiàn)智能天線陣的實時校準(zhǔn)。
本發(fā)明的方法，基于智能天線陣是一個無源的微波(射頻)網(wǎng)絡(luò)，在智能天線陣產(chǎn)品定型、結(jié)構(gòu)固定的前提下，組成此智能天線陣各天線單元之間的相互耦合特性在給定頻率下是固定不變的。這樣，只需要在智能天線陣產(chǎn)品出廠前，對此智能天線陣各天線單元之間的相互耦合特性在給定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測試(予校準(zhǔn))，并將此校準(zhǔn)結(jié)果即一組天線陣各天線單元之間的傳輸系數(shù)數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備的數(shù)據(jù)庫中。在工程現(xiàn)場將該智能天線陣安裝完畢后，就可通過網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備(名稱為0MC-R或LMT的網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備)，將此智能天線陣的予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)加載到與此智能天線所連接的無線基站內(nèi)。在基站開始工作或在運(yùn)行過程中，就可以使用本發(fā)明的校準(zhǔn)方法，對此智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)。
對由N個智能天線單元組成的智能天線陣，每條鏈路都將發(fā)射一次，其它鏈路則進(jìn)行接收，故實時校準(zhǔn)的過程要重復(fù)N次，占用同一幀或不同幀的共N個時隙，總共不超過20-50ms。由于實際移動通信系統(tǒng)不可能隨時都是滿負(fù)荷運(yùn)行的，總有空閑時隙，這些空閑時隙就可以用來作為實時校準(zhǔn)使用。
對時分雙工碼分多址移動通信系統(tǒng)，一條鏈路的收發(fā)信共用一個智能天線單元，可直接采用步驟A進(jìn)行予校準(zhǔn)；但對于頻分雙工碼分多址移動通信系統(tǒng)，為了保證收信和發(fā)信鏈路的隔離，在使用智能天線技術(shù)時，其收信和發(fā)信一般分別使用不同的天線陣。步驟A中分別對接收天線陣和發(fā)射天線陣進(jìn)行出廠前的予校準(zhǔn)，并將予校準(zhǔn)結(jié)果加載到基站。但是，在實際工程安裝時，一對收發(fā)信天線陣需根據(jù)現(xiàn)場情況安裝，其相互間的傳輸系數(shù)無法在現(xiàn)場校準(zhǔn)。為了使用本發(fā)明的方法，必須在其收發(fā)信機(jī)上增加一些功能，包括讓收信機(jī)可以工作于發(fā)信頻段，同時，讓發(fā)信機(jī)可以工作于收信頻段；而且，在每對收發(fā)信機(jī)與相應(yīng)的收發(fā)信天線單元間增加一個相互耦合的耦合電路結(jié)構(gòu)。這樣，就可以采用與校準(zhǔn)時分雙工系統(tǒng)相同的方法執(zhí)行步驟C了，即分別對頻分雙工碼分多址移動通信系統(tǒng)的接收天線陣和發(fā)射天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)。
進(jìn)行計算時，根據(jù)接收信號的幅度和相位信息，利用予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，就可計算出待校準(zhǔn)的天線陣系統(tǒng)相對于參考鏈路的接收和發(fā)射傳輸矩陣，達(dá)到實時校準(zhǔn)的目的。
在使用

圖1所示基站結(jié)構(gòu)的條件下，對智能天線系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的要求是在此智能天線系統(tǒng)中，共有n條收發(fā)信鏈路，其中任一條收發(fā)信鏈路都是由天線單元201x，饋電電纜202x和射頻收發(fā)信機(jī)203x所構(gòu)成(x是n中的任意一個正整數(shù))。顯然，每一條鏈路的特性，包括傳輸系數(shù)的幅度和相位，都不可能是相同的。而且，其特性將隨環(huán)境溫度、濕度、使用時間等變化。如果以第a條鏈路作為參考鏈路，則對智能天線系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的要求就是在給定的工作載波頻率上，獲得其他鏈路與此參考鏈路分別在發(fā)射和接收時，其傳輸系數(shù)的幅度和相位的差別。即此校準(zhǔn)是對整個包括天線單元、天饋線和模擬收發(fā)信機(jī)的天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)。
在此結(jié)構(gòu)中，如果天線陣205的結(jié)構(gòu)設(shè)計得比較牢固，在沒有相對位置破壞的條件下，可以認(rèn)為天線陣本身的特性在固定頻率的條件下是基本不隨環(huán)境條件變化的。因而可以對它進(jìn)行予校準(zhǔn)。
參見圖2，進(jìn)行予校準(zhǔn)時，在天線單元接口A點，如圖1、圖2中的Aa、Ab、...、An，采用通常的射頻(微波)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀231，一端連接一個發(fā)射天線單元，如201a的Aa，另一端分別連接接收天線單元，如201b、...、201n的Ab、...、An，就可以在各個可能使用的頻率下，測量其傳輸系數(shù)C(矩陣)，如式(1)R＝CT(1)式中，R和T分別為接收和發(fā)射信號矩陣，即接收信號矩陣R等于傳輸系數(shù)矩陣C乘以發(fā)射信號矩陣T。在此予校準(zhǔn)過程中，C是由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀231測量出來的，R、T是在校準(zhǔn)過程中由收發(fā)端獲得的，R、C、T均為n個元素的列矩陣；而C則是此天線陣的傳輸系數(shù)矩陣，為予校準(zhǔn)所得到的結(jié)果，它為一個n×n個元素的矩陣。由互易原理，此矩陣是對稱的，即Cij＝Cji(2)式中當(dāng)i是發(fā)射鏈路時，j是接收鏈路；當(dāng)j是發(fā)射鏈路時，i是接收鏈路。
在使用智能天線的無線基站安裝完畢投入運(yùn)行前，移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備(計算機(jī))必須將上述天線陣在予校準(zhǔn)工作頻率下的傳輸矩陣C加載到基站。在基站正常工作后或運(yùn)行中，就可對此智能天線系統(tǒng)進(jìn)行實時校準(zhǔn)。
實時校準(zhǔn)在圖1的接口B(Ba、Bb、...Bn)，即在其數(shù)字信號處理器(基帶處理器)204和各射頻收發(fā)信機(jī)203a，203b，...203n之間的接口進(jìn)行。設(shè)第x鏈路的上行(接收)傳輸系數(shù)為Sx，下行(發(fā)射)傳輸系數(shù)為Yx，則在接口B的測量結(jié)果為R＝DT(3)式中，R和T分別為接收和發(fā)射矩陣，均為y個元素的列矩陣。在此校準(zhǔn)過程中，R和T是由無線基站的基帶信號處理器204讀出的；而D則是此智能天線系統(tǒng)的傳輸系數(shù)矩陣，為一個n×n個元素的矩陣。此矩陣是預(yù)校準(zhǔn)時天線陣傳輸系數(shù)矩陣C、接收傳輸系數(shù)矩陣S及發(fā)射傳輸系數(shù)矩陣Y的函數(shù)。對此智能天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)，就是通過此測量結(jié)果，計算出各接收及發(fā)射鏈路傳輸系數(shù)和參考鏈路傳輸系數(shù)之差。
可以以任何一條鏈路為參考鏈路，如果取第a條鏈路為參考鏈路，則校準(zhǔn)的要求是獲得實時的第x條鏈路的接收傳輸系數(shù)與參考鏈路的接收傳輸系數(shù)之比Sx/Sa(x＝b，c，...，n)第x條鏈路的發(fā)射傳輸系數(shù)與參考鏈路的發(fā)射傳輸系數(shù)之比Yx/Ya(x＝b，c，...，n)(4)可結(jié)合圖2說明對此智能天線系統(tǒng)的校準(zhǔn)過程。將圖1中的B接口按要求連接到射頻矢量分析儀231上，依次將每一條鏈路設(shè)為發(fā)射狀態(tài)，并輸入一個單位發(fā)射數(shù)據(jù)，同時將除該鏈路之外的其他(n-1)條鏈路設(shè)為接收狀態(tài)，并接收前述鏈路發(fā)射的數(shù)據(jù)，則可得到從任意一條如第i鏈路發(fā)射時，在除該鏈路以外的其他鏈路接口(用x表示)所接收到的信號為Rix＝Y(jié)i*Cix*Sxx≠i(5)由此可得到n×(n-1)個接收信號R的讀數(shù)(由收信機(jī)測得)。由于C矩陣是已知的(予校準(zhǔn)獲得)，此時的接收和發(fā)射鏈路傳輸系數(shù)矩陣S和Y就能夠簡單地計算出來，達(dá)到了校準(zhǔn)的要求。
作為例子，下面由式(5)推導(dǎo)給出了天線陣單元n分別為3、4、6、8時的接收和發(fā)射鏈路傳輸系數(shù)矩陣S和Y與參考鏈路的接收和發(fā)射鏈路傳輸系數(shù)矩陣S和Y之比的計算公式，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)。其中接收鏈路的接收傳輸系數(shù)矩陣S可以總結(jié)為所有鏈路在依次發(fā)射時，各接收鏈路接收的單元校準(zhǔn)信號乘以相關(guān)鏈路的天線單元與各發(fā)射天線單元間的傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。其中發(fā)射鏈路的發(fā)射傳輸系數(shù)矩陣Y可以總結(jié)為所有鏈路在依次發(fā)射時，各接收鏈路接收的單元校準(zhǔn)信號乘以相關(guān)鏈路的天線單元與各接收天線單元間的傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。根據(jù)相同的原理，實施時還可采用其它數(shù)字式進(jìn)行計算。
3單元天線陣時的待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)時，除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的接收(S)和發(fā)射(Y)傳輸系數(shù)矩陣計算公式(以第1天線單元為參考鏈路)S2/S1＝R23C13/R13C23S3/S1＝R32C12/R12C23Y2/Y1＝R32C13/R31C23Y3/Y1＝R23C12/R21C23(6)4單元天線陣時的待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)時，除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的接收(S)和發(fā)射(Y)傳輸系數(shù)矩陣計算公式(以第1天線單元為參考鏈路)S2/S1＝R23C13/R13C23Y2/Y1＝R31C13/R32C23S3/S1＝R32C12/R12C23Y3/Y1＝R23C12/R21C23S4/S1＝R42C12/R12C24Y4/Y1＝R34C13/R31C34(7)6單元天線陣時的待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)時，除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的接收(S)和發(fā)射(Y)傳輸系數(shù)矩陣計算公式(以第1天線單元為參考鏈路)S2/S1＝R23C13/R13C23Y2/Y1＝R32C13/R31C23S3/S1＝R32C12/R12C23Y3/Y1＝R23C23/R21C23S4/S1＝R42C12/R12C24Y4/Y1＝R54C13/R31C45S5/S1＝R52C12/R12C23Y5/Y1＝R45C14/R41C43S6/S1＝R62C12/R12C26Y6/Y1＝R56C15/R51C56(8)8單元天線陣時的待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)時，除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的接收(S)和發(fā)射(Y)傳輸系數(shù)矩陣計算公式(以第1天線單元為參考鏈路)S2/S1＝R23C13/R13C23Y2/Y1＝R32C13/R31C23S3/S1＝R32C12/R12C23Y3/Y1＝R23C12/R21C23
S4/S1＝R42C12/R12C24Y4/Y1＝R54C13/R31C45S5/S1＝R52C12/R12C23Y5/Y1＝R45C14/R41C43S6/S1＝R62C12/R12C26Y6/Y1＝R67C16/R61C57S7/S1＝R72C12/R12C27Y7/Y1＝R87C18/R81C78S8/S1＝R82C12/R12C28Y8/Y1＝R78C17/R71C78(9)圖3中示出時分雙工碼分多址移動通信系統(tǒng)的實時校準(zhǔn)流程。基站正常工作，開始進(jìn)行實時校準(zhǔn)，智能天線陣共有n個天線單元，設(shè)置變量i＝1，并確定一個空閑的工作時隙。
步驟401，將第i＝1個天線單元置為發(fā)射狀態(tài)，并發(fā)射一個單位數(shù)據(jù)，即第i＝1條鏈路為發(fā)射鏈路，其余n-1條鏈路為接收鏈路；步驟402，讓其余n-1個天線單元(其中之一為j)接收該單位數(shù)據(jù)；步驟403，利用射頻(微波)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀逐一測量n-1條接收鏈路(j)的接收信號Rji；步驟404，記錄本次共n-1個測試結(jié)果；步驟405，判斷i是否等于n，并在i≠n時繼續(xù)執(zhí)行步驟406，和在i＝n時繼續(xù)執(zhí)行步驟407；步驟406，讓變量i＝i+1，并確定一工作時隙，按步驟401至405執(zhí)行；步驟407，全部測量完以n個天線單元中的每一個天線單元為發(fā)射鏈路、其余n-1個天線單元為接收鏈路時測量獲得的接收信號，計算各接收鏈路和發(fā)射鏈路(x)的傳輸系數(shù)與參考鏈路(設(shè)為1)的傳輸系數(shù)之比(Si/S1，Yi/Y1)，就可結(jié)束時分雙工碼分多址移動通信系統(tǒng)的實時校準(zhǔn)過程。
圖4示出一個典型的、具有智能天線的頻分雙工(FDD)碼分多址(CDMA)移動通信系統(tǒng)或無線用戶環(huán)路系統(tǒng)等無線通信系統(tǒng)中的基站結(jié)構(gòu)。此基站的主要部分包括兩個天線陣301、311，接收天線陣301由n只天線單元301a，301b，...301n組成，發(fā)射天線陣311由m只天線單元311a，311b，...311m組成；n條接收饋電電纜302a，302b，...302n，m條發(fā)射饋電電纜312a，312b，...312m；n個射頻收信機(jī)303a，303b，...303n，m個射頻發(fā)射機(jī)313a，313b，...313m和相應(yīng)的基帶處理器304。上述n和m分別為接收和發(fā)射天線陣的天線單元數(shù)量，它們可以相同，也可以不相同。與之對應(yīng)，系統(tǒng)還有n個接收機(jī)303和m個射頻發(fā)射機(jī)313(包括功率放大器)。所有射頻收、發(fā)信機(jī)303、313均使用同一個基準(zhǔn)時鐘，收信和發(fā)信本振信號源308、318均鎖定在此基準(zhǔn)時鐘上，以保證此基站的各個射頻收發(fā)信機(jī)是相干工作的。圖中在每一對接收天線單元301和發(fā)射天線單元311及每一對收信機(jī)303和發(fā)信機(jī)313之間增加一個耦合電路315。圖中示出設(shè)置m個耦合電路315a，315b，...315m的連接關(guān)系(當(dāng)m≥n時)兩個天線陣301、311的予校準(zhǔn)過程和前述TDD系統(tǒng)的相同(見圖2)，在予校準(zhǔn)過程中，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測圖中天線單元接口ARa、ARb、...、ARn和ATa、ATb、...、ATm各點，安裝完畢后則在接口BRa、BRb、...、BRn和BTa、BTb、...、BTm各點檢測。檢測結(jié)果將分別獲得兩個天線陣的傳輸系數(shù)矩陣，包括接收天線陣的傳輸系數(shù)矩陣CR和發(fā)射天線陣的傳輸系數(shù)矩陣CT。但是，由于此兩個天線陣在實際工程中的安裝位置是不固定的，它們之間的傳輸系數(shù)矩陣是不可能在現(xiàn)場進(jìn)行校準(zhǔn)的。而作為一個智能天線系統(tǒng)，要求在給定的工作載波頻率上，獲得其各收信鏈路與參考鏈路的傳輸系數(shù)及發(fā)射鏈路與參考鏈路的傳輸系數(shù)之差，同樣是系統(tǒng)校準(zhǔn)的基本要求(見公式(4))。
參見圖5，為了保證FDD系統(tǒng)能夠用本發(fā)明的方法進(jìn)行實時校準(zhǔn)，在每一對接收天線單元301、發(fā)射天線311和收信機(jī)303、發(fā)信機(jī)313之間加上了一個耦合電路315(如圖4中所示)，即讓接收機(jī)在校準(zhǔn)發(fā)射天線陣時，能測量出發(fā)射頻率的信號；而發(fā)射機(jī)能夠為校準(zhǔn)接收天線陣發(fā)射接收頻率的信號。
圖5電路就是能實現(xiàn)此實時自動校準(zhǔn)的一種耦合電路方案，此方案適合于收信天線陣天線單元數(shù)量n不小于發(fā)信天線陣天線單元數(shù)量m的一般情況。該電路需要具有以下功能收信機(jī)本振必須能提供合適的頻率，使在發(fā)射天線陣校準(zhǔn)時，可以將發(fā)射的校準(zhǔn)射頻信號轉(zhuǎn)換為合適的接收中頻，基帶可以接收到此校準(zhǔn)信號；發(fā)信機(jī)本振必須能提供合適的頻率，使在接收天線陣校準(zhǔn)時，發(fā)射的校準(zhǔn)射頻信號頻率和本基站工作的接收頻率相同。
圖5中，設(shè)任一接收鏈路的接收機(jī)為303x，接收天線單元為301x，任一發(fā)射鏈路的發(fā)信機(jī)為313j，發(fā)射天線單元為311j，收發(fā)信機(jī)間連接一耦合電路，該耦合電路主要包括第一、第二、第三耦合器325、324、322，第一、第二、第三射頻開關(guān)326、323、328和匹配負(fù)載327、321。
接收天線單元301x與收信機(jī)303x間連接第一耦合器325。第一耦合器325再接至第一射頻開關(guān)326的1端，此射頻開關(guān)326的2端接匹配負(fù)載327，此開關(guān)326與第二射頻開關(guān)323串聯(lián)。開關(guān)323的1端接匹配負(fù)載321，2端接至第三射頻開關(guān)328。此第三射頻開關(guān)328的1端通過第二耦合器324接至發(fā)信機(jī)功率放大器338的輸出端和發(fā)射天線單元311j，2端通過第三耦合器322接至發(fā)信機(jī)337的輸出端。所有射頻開關(guān)326，323及328的動作均由基站自動控制，所有耦合器325、324、322均為普通的射頻耦合電路，控制其耦合量在-20至-40dB之間均可。
在基站正常工作條件下，第一射頻開關(guān)326接至2端；第二射頻開關(guān)323接至1端；第三射頻開關(guān)328接至2端。以保證系統(tǒng)有良好的收發(fā)隔離性。
當(dāng)發(fā)信天線單元的數(shù)量m＞n時，還須對圖5所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動。對此，熟悉微波技術(shù)的工程師都可以做，在本專利申請中，不再給出所有可能的具體方法。
圖6、圖7示出FDD智能天線系統(tǒng)的實時校準(zhǔn)過程。此過程含對接收天線陣的校準(zhǔn)和對發(fā)射天線陣的校準(zhǔn)兩部分。為簡化起見，圖中以含三條鏈路的智能天線系統(tǒng)的實時校準(zhǔn)為例說明。
對接收天線陣的校準(zhǔn)過程如圖6所示。此時，如果將第1條鏈路(a)設(shè)為參考(可以將任何一條鏈路設(shè)為參考)鏈路，則只需要對第2和第3條鏈路的耦合電路進(jìn)行控制開關(guān)326接至1端；開關(guān)323接至2端；并關(guān)閉所有功率放大器338。然后，依次將第2和第3條鏈路設(shè)為發(fā)射狀態(tài)，工作于接收頻率，并在基帶輸入一個單位發(fā)射數(shù)據(jù)，同時將所有接收機(jī)打開，即有(n-1)條鏈路處于接收狀態(tài)，并接收前述鏈路發(fā)射的數(shù)據(jù)，則可得到從第i鏈路發(fā)射時，其他接口(x)所接收到的信號為Rxi＝Y(jié)i*CRxi*Sx x≠i(10)由此可得到2×(n-1)個接收信號的讀數(shù)。Rxi可由收信機(jī)測得，由于CR矩陣是已知的(予校準(zhǔn)數(shù)據(jù))，此時的接收鏈路傳輸系數(shù)矩陣S就能夠簡單地計算出來，達(dá)到了校準(zhǔn)的要求。
圖6所示步驟說明如下步驟501，基站系統(tǒng)首先確定接收校準(zhǔn)時隙，并設(shè)定鏈路2處于發(fā)射狀態(tài)，將射頻開關(guān)326接至1端和將射頻開關(guān)323接至2端，該鏈路中，發(fā)信機(jī)通過耦合電路與收信機(jī)耦合；步驟502，讓鏈路2的發(fā)信機(jī)工作于接收頻率，但關(guān)閉其他鏈路的發(fā)信機(jī)；步驟503，讓所有x≠2鏈路中的收信機(jī)處于接收狀態(tài)；步驟504，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在各天線系統(tǒng)接口測量接收矩陣Ri2，(i是x≠2的任一收信機(jī))；步驟505，基站系統(tǒng)確定接收校準(zhǔn)時隙，通過將射頻開關(guān)326接至2端和將射頻開關(guān)323接至1端來設(shè)定鏈路2，和通過將射頻開關(guān)326接至1端和將射頻開關(guān)323接至2端來設(shè)定鏈路3；步驟506，讓鏈路3的發(fā)信機(jī)工作于接收頻率，并關(guān)閉其它鏈路的發(fā)信機(jī)；步驟507，讓所有x≠3鏈路的收信機(jī)處于接收狀態(tài)；步驟508，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在各天線系統(tǒng)接口測量接收矩陣Ri3，(i是x≠3的任一收信機(jī))；步驟510計算校準(zhǔn)結(jié)果Si/S1；步驟511，結(jié)束實時校準(zhǔn)，系統(tǒng)恢復(fù)工作狀態(tài)。
作為例子，下面給出了天線陣天線單元數(shù)目分別為3、4、6、8時的計算公式(設(shè)第一鏈路為參考鏈路，S1為參考鏈路的接收傳輸系數(shù)矩陣)，根據(jù)相同的實現(xiàn)原理，實施時還可采用其它計算式進(jìn)行計算3單元天線陣時的待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)時，除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的接收(S)傳輸系數(shù)矩陣計算公式S2/S1＝R23CR13/R13CR23S3/S1＝R32CR12/R12CR23(11)4單元天線陣時的待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)時，除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的接收(S)傳輸系數(shù)矩陣計算公式S2/S1＝R23CR13/R13CR23S3/S1＝R32CR12/R12CR23S4/S1＝R42CR12/R12CR24(12)6單元天線陣時的待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)時，除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的接收(S)傳輸系數(shù)矩陣計算公式S2/S1＝R23CR13/R13CR23S3/S1＝R32CR12/R12CR23S4/S1＝R42CR12/R12CRS5/S1＝R52CR12/R12CR23S6/S1＝R62CR12/R12CR26(13)8單元天線陣時的待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)時，除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的接收(S)傳輸系數(shù)矩陣計算公式S2/S1＝R23CR13/R13CR23S3/S1＝R32CR12/R12CR23S4/S1＝R42CR12/R12CR24S5/S1＝R52CR12/R12CR2S6/S1＝R62CR12/R12CR26S7/S1＝R72CR12/R12CR27
S8/S1＝R82CR12/R12CR28(14)參見圖7，是對發(fā)射天線陣的實時校準(zhǔn)過程。此時，如果將第1條鏈路(a)設(shè)為參考(可以將任何一條鏈路設(shè)為參考)鏈路，則必需對所有鏈路的耦合電路進(jìn)行控制射頻開關(guān)326接至1端；射頻開關(guān)323接至2端；射頻開關(guān)328接至1端。然后，依次將每一條發(fā)射鏈路設(shè)為發(fā)射狀態(tài)，并在其基帶輸入一個單位發(fā)射數(shù)據(jù)，而將其他發(fā)射鏈路，包括發(fā)信機(jī)及功率放大器全部關(guān)閉。同時將除與此發(fā)射鏈路耦合的接收機(jī)外的所有接收機(jī)打開并工作于發(fā)射頻率。此時有(m-1)條鏈路處于接收狀態(tài)，并接收前述鏈路發(fā)射的數(shù)據(jù)，則可得到從第i鏈路發(fā)射時，其他接口(x)所接收到的信號為Rxi＝Y(jié)i*CTxi*Sx x≠i(15)由此可得到m×(m-1)個接收信號的讀數(shù)。Rxi可以測量獲得，由于CT矩陣是已知的(予校準(zhǔn)數(shù)據(jù))，此時的發(fā)射鏈路傳輸系數(shù)矩陣Y就能夠簡單地計算出來，達(dá)到了校準(zhǔn)的要求。
圖7所示步驟說明如下步驟601，基站系統(tǒng)首先確定發(fā)射校準(zhǔn)時隙；步驟602，設(shè)第一條鏈路為參考鏈路，設(shè)變量j＝1步驟603，讓所有x≠j鏈路的收信機(jī)工作于發(fā)射頻率，并處于接收狀態(tài)，它們耦合電路中的射頻開關(guān)326置于1端，射頻開關(guān)323置于2端，射頻開關(guān)328置于1端；步驟604，第j鏈路的發(fā)信機(jī)發(fā)射，其它鏈路發(fā)信機(jī)關(guān)閉；步驟605，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測量m-1個收信機(jī)測量接收矩陣Rxj(x是m中除j以外的任一條鏈路)；步驟606，判斷j＝m？，若j＝m轉(zhuǎn)步驟608執(zhí)行，若j≠m轉(zhuǎn)步驟607執(zhí)行；步驟607，讓變量j加1并返回步驟603循環(huán)執(zhí)行直至j＝m；步驟608，計算Yj/Y1(除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的發(fā)射(Y)傳輸系數(shù)矩陣計算公式)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)
步驟609，記錄校準(zhǔn)計算結(jié)果，系統(tǒng)結(jié)束實時校準(zhǔn)狀態(tài)，恢復(fù)工作狀態(tài)。
作為例子，下面給出接收天線陣天線單元數(shù)目為3、4、6、8時的實時校準(zhǔn)計算公式(根據(jù)相同的實現(xiàn)原理，實施時也可采用其它計算式進(jìn)行計算)3單元天線陣時的待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)時，除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的發(fā)射(Y)傳輸系數(shù)矩陣計算公式Y(jié)2/Y1＝R32CT13/R31CT23Y3/Y1＝R23CT12/R21CT23(16)4單元天線陣時的待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)時，除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的發(fā)射(Y)傳輸系數(shù)矩陣計算公式Y(jié)2/Y1＝R32CT13/R31CT23Y3/Y1＝R32CT13/R31CT23Y4/Y1＝R32CT13/R31CT23(17)6單元天線陣時的待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)時，除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的發(fā)射(Y)傳輸系數(shù)矩陣計算公式Y(jié)2/Y1＝R32CT13/R31CT23Y3/Y1＝R32CT13/R31CT23Y4/Y1＝R32CT13/R31CT23Y5/Y1＝R32CT13/R31CT23Y6/Y1＝R32CT13/R31CT23(18)8單元天線陣時的待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)，實現(xiàn)實時校準(zhǔn)時，除參考鏈路以外的鏈路相對于參考鏈路的發(fā)射(Y)傳輸系數(shù)矩陣計算公式Y(jié)2/Y1＝R32CT13/R31CT23Y3/Y1＝R32CT13/R31CT23Y4/Y1＝R32CT13/R31CT23Y5/Y1＝R32CT13/R31CT23Y6/Y1＝R32CT13/R31CT23
Y7/Y1＝R32CT13/R31CT23Y8/Y1＝R32CT13/R31CT23(19)本發(fā)明方法的特點是先對天線陣本身在出廠前進(jìn)行予校準(zhǔn)，獲得其天線單元間的傳輸系數(shù)矩陣；再將此傳輸系數(shù)矩陣存儲在無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備中，和將此傳輸系數(shù)矩陣加載到安裝完畢的無線基站內(nèi)；然后在基站運(yùn)行前或運(yùn)行中的任何希望進(jìn)行校準(zhǔn)的時候，先確定一個時隙，順序由一條發(fā)射鏈路發(fā)射一個固定電平的信號(數(shù)據(jù))，同時在其它鏈路接收此信號(數(shù)據(jù))。根據(jù)此接收信號的幅度和相位信息，就可計算出待校準(zhǔn)的天線陣系統(tǒng)的、相對于參考鏈路的接收和發(fā)射傳輸系數(shù)矩陣，達(dá)到實時校準(zhǔn)的目的。
本發(fā)明的實時校準(zhǔn)智能天線陣的方法，既可以用來校準(zhǔn)TDD方式工作的收發(fā)信合并的天線陣，也可以用來校準(zhǔn)FDD方式工作的收發(fā)信分開的天線陣。不需要任何信標(biāo)天線、天線陣耦合結(jié)構(gòu)及專門的校準(zhǔn)鏈路。
以上實例主要針對說明的是碼分多址無線通信系統(tǒng)智能天線陣的實時校準(zhǔn)方法，但本發(fā)明所提出的方法和裝置，在經(jīng)過簡單改變后，完全可以使用于頻分多址和時分多址無線通信系統(tǒng)。
任何從事無線通信系統(tǒng)研究開發(fā)的工程師，只要知道智能天線的基本原理，并閱讀了本專利說明書，都可以實現(xiàn)智能天線的實時校準(zhǔn)，從而使智能天線系統(tǒng)實用化。
權(quán)利要求
1.一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于包括以下處理步驟A.在智能天線陣現(xiàn)場安裝前，對天線陣進(jìn)行予校準(zhǔn)，獲得天線陣中各天線單元之間的傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；B.在智能天線陣安裝到工程現(xiàn)場后，將對該智能天線陣的傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)加載到與此智能天線陣所連接的無線基站內(nèi)；C.在此無線基站開始運(yùn)行或運(yùn)行過程中，在各一個工作時隙內(nèi)，順序讓每一條發(fā)射鏈路發(fā)射單元校準(zhǔn)信號，同時將智能天線陣中除該條發(fā)射鏈路以外的其他鏈路都置于接收狀態(tài)，并記錄接收鏈路所接收到的單元校準(zhǔn)信號；D.利用所接收到的全部單元校準(zhǔn)信號和傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，分別計算出各待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)接收鏈路的接收傳輸系數(shù)矩陣與參考鏈路接收傳輸系數(shù)矩陣之比，和發(fā)射鏈路的發(fā)射傳輸系數(shù)矩陣與參考鏈路發(fā)射傳輸系數(shù)矩陣之比，實現(xiàn)智能天線陣的實時校準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于所述步驟A中的予校準(zhǔn)，是利用射頻/微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，一端連接發(fā)射鏈路中的天線單元接口，另一端分別連接接收鏈路中的接收天線單元接口進(jìn)行的；所述步驟C的實時校準(zhǔn)，是利用射頻/微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，一端連接發(fā)射鏈路中的發(fā)射天線系統(tǒng)接口，另一端分別連接接收鏈路中的接收天線系統(tǒng)接口進(jìn)行的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于所述的發(fā)射、接收天線系統(tǒng)接口是發(fā)射鏈路和接收鏈路的射頻收發(fā)信機(jī)與數(shù)字信號處理器之間的接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于所述的步驟A是在給定的頻率范圍內(nèi)，對天線陣中各天線單元之間的耦合特性進(jìn)行測試，獲得所述的各天線單元之間的傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于所述的步驟B，是將天線陣中各天線單元之間的傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入到移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備中，再由網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備將它們加載到與此智能天線陣所連接的無線基站內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于在所述智能天線陣的天線單元有N個時，所述的步驟C執(zhí)行N次，占用同一幀或不同幀的共N個工作時隙，N為正整數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于所述的工作時隙是空閑時隙。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于所述的步驟C，對于第三代移動通信的時分-同步碼分多址(TD-SCDMA)系統(tǒng)，是使用其幀結(jié)構(gòu)中處于上下導(dǎo)引時隙(DwPTS和UpPTS)之間的保護(hù)時隙(G)作為實時校準(zhǔn)的工作時隙。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于對于時分雙工碼分多址(TDD-CDMA)移動通信系統(tǒng)，所述的步驟A與C，是對每一條收發(fā)信鏈路共用的智能天線陣分別進(jìn)行予校準(zhǔn)和實時校準(zhǔn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于對于頻分雙工碼分多址(FDD-CDMA)移動通信系統(tǒng)，所述的步驟A，是分別對收信天線陣的收信天線單元和發(fā)信天線陣的發(fā)信天線單元進(jìn)行予校準(zhǔn)；所述的步驟B是將收信天線陣和發(fā)信天線陣的傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)加載到基站；所述的步驟B還包括在每一對接收天線單元、發(fā)射天線單元和收信機(jī)、發(fā)信機(jī)之間設(shè)置一個可相互耦合的耦合電路，使在校準(zhǔn)發(fā)射天線陣時，讓收信機(jī)工作于發(fā)信頻段，收信機(jī)能測量出發(fā)信機(jī)發(fā)射頻率的信號，和在校準(zhǔn)接收天線陣時，讓發(fā)信機(jī)工作于收信頻段，發(fā)信機(jī)能夠發(fā)出收信機(jī)所接收頻率的信號；所述的步驟C，是分別對發(fā)信天線系統(tǒng)進(jìn)行實時校準(zhǔn)和對收信天線系統(tǒng)進(jìn)行實時校準(zhǔn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于所述的步驟C進(jìn)一步包括在進(jìn)行收信天線系統(tǒng)實時校準(zhǔn)時，通過控制耦合電路，逐一地將所選擇的一條發(fā)信鏈路的接收天線單元與本對內(nèi)的發(fā)信機(jī)耦合，并將除此鏈路以外其他鏈路的天線單元與相關(guān)的發(fā)信機(jī)隔離，將除此發(fā)信鏈路以外的所有鏈路設(shè)定為接收狀態(tài)，關(guān)閉除此發(fā)信鏈路以外所有鏈路中發(fā)信機(jī)的發(fā)信功率放大器，將此發(fā)信鏈路設(shè)為發(fā)信狀態(tài)，工作于接收頻率，并發(fā)單元校準(zhǔn)信號，和記錄除此發(fā)信鏈路以外所有鏈路中收信機(jī)接收的單元校準(zhǔn)信號；在進(jìn)行發(fā)信天線系統(tǒng)實時校準(zhǔn)時，通過控制耦合電路，將所有鏈路的收信機(jī)與各本對內(nèi)的發(fā)射天線單元、發(fā)信機(jī)耦合，將所有鏈路依次設(shè)為發(fā)射狀態(tài)，并將此發(fā)信鏈路與本對內(nèi)的收信機(jī)隔離，關(guān)閉除當(dāng)前發(fā)信鏈路以外的其它發(fā)信鏈路的發(fā)信機(jī)及其功率放大器，并由此當(dāng)前發(fā)信鏈路發(fā)射單元校準(zhǔn)信號，和記錄除此發(fā)信鏈路之外所有鏈路中收信機(jī)接收的單元校準(zhǔn)信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于設(shè)置由第一、第二、第三耦合器，第一、第二、第三射頻開關(guān)和第一、第二匹配負(fù)載組成的耦合電路；讓，接收天線單元與收信機(jī)間連接第一耦合器，第一耦合器再接至第一射頻開關(guān)的1端，第一射頻開關(guān)的2端接第一匹配負(fù)載，第一射頻開關(guān)與第二射頻開關(guān)串聯(lián)，第二射頻開關(guān)的1端接第二匹配負(fù)載，第二射頻開關(guān)的2端接第三射頻開關(guān)，第三射頻開關(guān)的1端通過第二耦合器接發(fā)信機(jī)功率放大器的輸出端和發(fā)射天線單元，第三射頻開關(guān)的2端通過第三耦合器接發(fā)信機(jī)的輸出端；由基站自動控制第一、第二、第三射頻開關(guān)的動作。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，其特征在于所述的耦合器是普通射頻耦合器，耦合量控制在-20dB至-40dB之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對智能天線陣進(jìn)行實時校準(zhǔn)的方法，可實時校準(zhǔn)TDD方式與FDD方式、收發(fā)信分開的天線陣。包括在智能天線陣現(xiàn)場安裝前，對天線陣進(jìn)行予校準(zhǔn)，獲得各天線單元之間的傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；在智能天線陣安裝到現(xiàn)場后，將予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)加載到無線基站內(nèi)；在無線基站開始運(yùn)行或運(yùn)行過程中，在各一個工作時隙內(nèi)，順序讓每一條發(fā)射鏈路發(fā)射單元校準(zhǔn)信號，同時將其他鏈路都置于接收狀態(tài)，并記錄接收鏈路所接收到的該單元校準(zhǔn)信號；利用所接收到的全部單元校準(zhǔn)信號和傳輸系數(shù)予校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，分別計算出各待校準(zhǔn)天線系統(tǒng)接收/發(fā)射鏈路的接收/發(fā)射傳輸系數(shù)矩陣與參考鏈路接收/發(fā)射傳輸系數(shù)矩陣之比。無需信標(biāo)天線、天線陣耦合結(jié)構(gòu)及專門的校準(zhǔn)鏈路。
文檔編號H04B7/04GK1446006SQ02131218
公開日2003年10月1日 申請日期2002年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月13日
發(fā)明者李世鶴 申請人:大唐移動通信設(shè)備有限公司