多通道无线通信系统通道校准算法分析1引言在B3G/4G系统中,为了达到超高传输速率和高的频谱利用率,MIMO(多输入多输出)[1]、智能天线[2][13][14]等被认为是核心关键技术。MIMO通过采用空时(或空时频)编码,提高系统的性能。为了保证系统性能的实现,工程上要求MIMO系统天线阵列及射频通道之间的幅度和相位与理论设计相比,具有较小的误差;而作为核心技术的智能天线对天线阵列和通道也有同样甚至更高的要求。但是,由于加工、器件老化、温度变化等原因,天线、馈线和由模拟器件组成的射频通道(统称为通道)往往需要校正才能满足要求。因此,已经对多通道的天线阵列的校准技术展开了广泛的研究,并取得了丰硕成果[3]～[11]。文献[12]提出了一种利用训练序列进行信道估计的快速算法,在此基础上,结合工程问题,将该快速算法首次用于无线通信系统天线阵列校准,并通过大量的计算机穷举,找到一组合适的特定训练序列。通过仿真,证明该算法在通道校准应用中具有较好的性能。通道校准方法可分为两大类,离线校准和在线校准。离线校准是指在系统调试和上电初始化阶段所采取的通道校准措施,主要针对非时变误差。这时由于不考虑对通信的影响,可根据实际需要选择校准算法、参考信号的功率和形式。在线校准,也称为实时校准,是指系统正常工作阶段所采取的通道校准措施,主要针对时变误差。这时所选择的校准算法、参考信号的功率和形式、以及参考信号的获得方式等,都应该是在不影响正常通信的前提下进行。在线校准是实际通信系统中必须采用的通道校准措施。在此重点研究在线校准方法。结合实际系统结构,在线校准方法可分为基于校准网络的方法和无校准网络的方法,其中基于校准网络的方法又可进一步分为基于校准通道和基于耦合网络两种方法。无校准网络的方法是采用工作通道轮换发射信号、其它通道接收的方式,从而得到通道之间的补偿系数,该方法由于操作时间较长,而且对通道阵列形式要求较高,因此目前在实际系统中主要采用基于校准网络的方法。在基于校准网络的方法中,基于校准天线的方法主要应用于均匀圆阵或圆弧阵中,即工作天线均匀分布在圆周上,而校准天线位于圆心。该方法可以对收发通道的所有部分(天线、馈线、射频前端、线性功放和收发信机等)进行校准,有利于工程实现;基于耦合网络的方法,可以没有校准天线,而是通过耦合器将信号注入,因此无法校准工作天线的幅相误差,但是该方法适用范围更广。2通道阵列校准算法2.1基本原理通道阵列校准(CC)的功能在于补偿各通道发射(TX)或接收(RX)信号之间幅度和相位不一致性,同时检测某些物理故障。通道校准算法的基本原理可以等同于信道估计的处理过程。通过估计各个通道的冲激相应,得到相互之间的幅度差异和相位差异,其中,所选择的基本训练序列应该自相关性较强,互相关性较弱。K个工作天线通道冲激响应组合成一个矢量,h=[(h(1))T,(h(2))T,?,(h(K))T]T总长度KW,W为窗长。K个工作通道对应的训练序列为m(k)=(m(k)1,m(k)2,?,m(k)P+W-1)T,k=1,?K,其中P是基本训练序列的长度,接收端利用训练序列估计K个工作通道的冲激响应,可表示为em=(m1,m2,?,mP)T=Gh+n(1)其中n=(n1,n2,?,nP)T是长度为P的加性高斯白噪声序列,h为通道冲击响应矢量,G=[(G(1))T,(G(2))T,?,(G(K))T]T,G(k)为P×W阶矩阵,表示为G(k)=[Gkij](2)Gkij=m(k)W+i-j,k=1,?,K,i=1,?,P,j=1,?,W根据矩阵G的表达式,得到h的最大似然估计^h为^h=[GHG]-1GHem(3)窗长W=[P/K]。如果各工作通道对应的训练序列具有循环特性,则估计通道冲激响应可借用信道估计中FFT的方法[12],即h′=IFFT[FFT(m)(R))/FFT(m)](4)式中m表示基本训练序列,m(R)取决于接收的训练序列。可以证明,在没有噪声的情况下,该估计是无偏的。h′是长度为KW的通道冲击响应估计矢量。无论是基于校准通道的方法,还是基于耦合网络的方法,采用的通道校准算法原理相同,研究结论均适用于上述两种校准方法。因此,下面以基于校准通道的方法为例,对通道校准算法进行研究。为分析方便,不失一般性,对8个通道的系统进行分析。设天线阵列为8天线单元的均匀圆阵,校准天线位于圆心。在B3G/4G系统中,TDD为一种很有前途的工作方式,此时可选用非盲算法。在FDD系统,由于上下行频段不同,需要...
