专利名称：校准相位阵列天线的射频路径的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及通信系统，更具体地涉及无线通信系统。
背景技术：
无线通信系统典型地包括基站，用于提供无线连接以覆盖诸如小区或小区的扇 区之类的地理区域。基站通过空中接口与小区或扇区内的移动单元进行通信。空中接口 支持从基站至移动单元的下行链路(或前向链路)通信以及从移动单元至基站的上行链路 (或后向链路)通信。上行链路和下行链路通信使用相应的上行链路和下行链路信道，上 行链路和下行链路信道可以通过使用载波频率、调制、编码、频率/时间复用、多天线 技术或其组合来实现。用于定义上行链路和/或下行链路信道的标准和协议的示例包括 时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、多输入多输出(MIMO)、码分多址(CDMA)、 正交频分多址(OFDMA)、空分多址(SDMA)、单载波频分多址(SOFDMA)等。天线阵列可以用于使波束转向前向链路中的目标移动台，并控制由基站所服务 的扇区的覆盖区域。例如，包括紧密分隔的天线的相位阵列系统可以用于控制天线阵列 的波束宽度(例如，波束成形)并控制天线主瓣的指向方向(例如，波束方向控制)。基 站可以使用天线阵列来使前向链路业务信号的波束转向扇区中的目标移动台，从而降低 发射功率并且提高其扇区以及相邻扇区中的整体同信道干扰水平。在使用波束方向控制 来使包含业务信息在内的各个窄波束定向至不同的移动台时，来自基站的公共广播信道 由扇区内的所有移动台同时接收，并且必须具有比各个业务波束更宽的波束宽度，以便 覆盖整个扇区覆盖区域。公共广播信道的波束是固定的，并且指向扇区的中心线。天线阵列发射的公共广播信道的波束宽度通常比阵列中的任何单个天线的波束 宽度更窄。例如，在具有半波长天线间隔的天线阵列中，垂直极化天线的波束宽度为大 约110°，而横向极化天线的波束宽度为大约90°然而，针对配置有三页小区布局的三 扇区基站，希望的扇区波束宽度典型地为65°。尽管具有65°波束宽度的单个天线已经 商业化，但是，在紧密间隔的天线阵列中难以实现波束宽度这么小的天线。为了使用紧 密间隔的天线阵列来实现公共广播信道的希望扇区波束宽度，需要通过波束成形，使用 两个或多个天线来使公共广播信道变窄。这还有助于在功率放大器之间共享公共信道的 发射功率。总而言之，针对从基站到移动台的传输，存在两种类型的波束成形(1)包 含业务和移动台专用信息在内的转向目标移动台的单个窄波束，(2)包含公共广播信道 在内的指向扇区的中心线以覆盖在扇区覆盖内的所有移动台的较宽的扇区宽度的固定波 束o为了使用紧密间隔的多天线来形成波束，需要进行校准以使幅度和相位在无线 电装置和天线之间的路径中的所有天线分支之间相等。由来自无线电装置的数字信号之 间的相位差确定天线阵列的出射角度。通常在无线电装置中通过使用校准信号来测量适 当路径中的幅度和相位差来数字地执行校准。然后可以将校准系数或权重应用于接收或 发射信号，以补偿路径差。在更一般的频分双工(FDD)系统中，前向和反向链路中的载波频率是不同的。因此，必须以不同的频率在前向链路和反向链路中执行分离的校准。 然而，在时分双工(TDD)系统中，前向链路和反向链路通过占用不同的时隙而共享相同 的载波频率。理想地，按照互易性，天线处的前向链路增益和无线电接收机处的反向链 路增益是彼此互为倒数的。如果无线电装置对反向链路中从移动台接收的信号的幅度和 相位进行估计，则该幅度和相位等于接收信号的倒数。在实际实现中，放大器的相位响应可以根据不同单元而变化，并且变化也可以 是频率相关的。由于针对接收(低噪声放大器)和发射(功率放大器)路径使用分离的 放大器，因此互易性并不针对所有分支都成立。因此，需要在所有分支之间校准发射/ 接收放大器环路。该校准可以实现针对移动台的业务信号的适当波束方向控制。互易性 针对主要包括接地设备与塔台顶部的天线之间的RF缆线在内的从放大器到天线的部分仍 然成立。因此，针对TDD系统中的业务信号，不需要针对该RF缆线部分的校准。然 而，如果需要固定波束成形以发射公共广播信道，则需要RF缆线部分的校准。出射角度 通常在视轴处或0°。针对OFDM TDD系统所提出的一种校准技术使用一个移动单元天线来测量从 基站的天线阵列中的每个天线发射的导频信号的相位和幅度或者复合增益。例如，移动 单元可以测量基站无线发射的前向链路导频信道的复合增益。前向链路导频信道可以使 用不同的子载波来识别发射导频的分支，使得移动单元可以分离来自天线的信号。移动 单元将所有分支的复合增益反馈回基站。同时，基站测量通过所有基站天线接收的反向 链路信号的复合增益。以前向链路增益与反向链路增益的比值，来计算复合校准系数集 合。由于TDD的互易性，该校准系数集合与移动台在扇区内的位置无关，这是因为前向 和反向链路的信道传播的空中部分是相同的，并且(理论上)它们在计算比值中抵消。通 过将校准系数与目标移动台的对应反向链路复合增益相乘，来计算每个移动单元的最终 前向链路波束方向控制权重。由于校准系数与移动台的位置无关，所以从一个移动单元 导出的系数可以应用于在相同扇区的不同位置处的其它移动单元。这种移动台辅助的校准方法具有三个主要缺点。首先，尽管仅需要在良好RF条 件下来自一个移动单元的增益值，但是所有移动单元都必须具有反馈属性，以便它们能 够向基站发送回增益信息。从不只一个移动单元接收的信息是冗余的。其次，该校准方 法并不校准RF缆线以使得基站可以在视轴中发射固定波束宽度的公共广播信道；在三扇 区系统中波束宽度通常为65°。第三，放大器之间的相位和幅度无法在较宽的带宽(例 如，20MHz)上彼此跟踪。因此，需要将带宽划分为小的子带，并且必须在较小的带宽 上对每个子带进行校准。一种备选校准方法依赖于紧密间隔天线之间的耦合。在该方法中，从一个天线 发射校准信号，同时阵列中的其它天线接收与发射的校准信号相对应的耦合信号。耦合 信号由对应的无线电接收机接收并处理。在天线处，从每个耦合信号的相位和幅度减去 对应的耦合因子，来导出校准系数。因此，校准路径包括所有的缆线和RF组件，但是 并不包括天线耦合。该方法有两个缺点，首先，一对天线之间的耦合因子必须在一定的 容限范围内是已知的。不利地，耦合因子通常并不可靠地知晓。例如，由于近场条件的 高灵敏度和制造精度，尤其是在较高的载波频率下，耦合值可能在不同单元之间变化很 大。此外，耦合值可能由于随着时间的衰减和天气条件和/或其它效应而变化。耦合值的变化会损害校准的精度。在制造过程中需要天线阵列单元之间的耦合匹配。其次，一 个天线必须处于发射模式而其它天线处于接收模式，因此，在校准过程期间波束方向控 制将中断。
发明内容
所公开的主题涉及解决上述一个或多个问题的影响。下面给出了所公开主题的 一种简化概括，以便提供对所公开主题的一些方面的基本理解。该概括并不是所公开主 题的详尽论述。该概括并不意在识别所公开主题的关键或重要的元素、或者描绘所公开 主题的范围。其唯一目的在于以简化形式呈现某些概念，作为将在后面进行描述的更加 具体的说明的前序。在一个实施例中，提供了一种用于校准包括多个天线在内的、并操作在OFDM TDD模式下的基站的方法。该方法的一个实施例包括一种校准TDD无线通信系统中的 包括多个天线在内的基站的方法，用于针对目标移动台来对前向链路业务数据进行波束 方向控制。每个天线经由发射/接收开关与对应无线电装置相连，发射/接收开关被配 置为在接收路径和发射路径之间切换。该方法包括经由与第一无线电装置和第二无线 电装置耦合的第一跨接缆线，从第一无线电装置发射第一信号，使得该第一信号由第二 无线电装置接收。该方法还包括经由耦合在第一和第二无线电装置之间的第二跨接缆 线，从第二无线电装置发射第二信号，使得该第二信号由第一无线电装置接收。该方法 还包括基于第一或第二信号中的至少一个，确定可以应用于从第二无线电装置发射的 业务信号的相对权重。
参考下面的说明，结合附图，可以理解所公开的主题，在附图中，类似的参考 数字标识类似的元件，在附图中图1在概念上示意了使用具有两个天线的天线阵列来支持无线通信的基站的第 一示例性实施例；图2在概念上示意了使用具有以菊花链式(daisy-chained)校准配置的四个天线的 天线阵列来支持无线通信的基站的第二示例性实施例；以及图3在概念上示意了使用具有以并联校准配置的四个天线的天线阵列来支持无 线通信的基站的第三示例性实施例。尽管所公开的主题可容许各种修改和替换形式，但是作为示例在附图示出并且 在这里详细描述了其特定实施例。然而，应该理解，这里的特定实施例的描述并不意在 将所公开的主题限制于公开的特定形式，相反，其意在涵盖落入所附权利要求的范围内 的所有修改、等同和替换。
具体实施例方式下面描述示意性实施例。为了简明起见，在该说明书中并不描述实际实现的所 有特征。当然可以认识到，在开发任意这类实际实施例中，可以进行各种实现特定的决 定来实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的限制，这些限制在不同实现中是不同的。此外，可以认识到，开发努力也许是复杂并且费时的，然而对于受益于 本公开的本领域技术人员而言，仅仅是常规的。现在参考附图来描述所公开的主题。仅仅为了解释的目的而在附图中示意性地 示出了各种结构、系统和设备，并且不以对于本领域技术人员而言公知的细节来使得本 发明模糊。然而，包括附图以描述和解释所公开主题的示意性示例。这里使用的词语和 短语应该被理解和解释为具有与相关技术领域的技术人员对这些词语和短语的理解相同 的含义。这里，术语或短语的特殊定义(即与本领域技术人员理解的通常和习惯的含义 不同的定义)并不意在由这些术语或短语的惯常使用表示。在术语或短语意在具有特殊 含义的情况下(即与本领域技术人员所理解的含义不同的含义)，这种特殊定义将在说明 书中以定义的方式明确给出，直接地、毫无疑义地提供术语或短语的特殊定义。图1在概念上示意了使用在塔台顶部105处部署的天线阵列来支持无线通信的基 站100的第一示例性实施例。在所示意的实施例中，基站100包括无线电装置110 (无线 电装置0和无线电装置1)，用于产生信号以通过空中接口发射并且通过空中接口接收其 服务的移动台发射的信号。天线阵列中的天线115以特征载波波长的半波长分隔。然 而，受益于本公开的本领域技术人员应该认识到，备选实施例可以包括附加的天线阵列 分支，这将在这里进行描述。每个天线115通过RF缆线125与基站100中的带阻滤波器(block filter) 120相
连。带阻滤波器120与发射/接收开关130相连。当发射/接收开关130处于发射模式 时，从无线电装置110至天线115的路径包括由功率放大器135及其相关缆线组成的发射 部分。当发射/接收开关130处于接收模式时，从天线115至无线电装置110的路径包括 由低噪声放大器(LNA) 140和相关缆线组成的接收部分。一对跨接的长度匹配的缆线145 用于经由两端的定向耦合器147，将发射信号功率的一小部分从发射路径耦合到其它分支 的接收路径。跨接缆线145的添加创建了包括无线电发射机、功率放大器、跨接缆线、 低噪声放大器和无线电接收机的校准环路。如这里所使用的，“长度匹配的缆线”指代 具有相同设计和材料的缆线，被切割为几乎相同长度以使得信号相位在几度内匹配。例 如，跨接的长度匹配的缆线145可以在PCS波段内在几千米内匹配。基站100还包括信号发生器150，用作整个操作波段上的校准信号的源。信号发 生器150可以用于产生与特定子载波或在载波频率的范围内分布的多音频相对应的单音 频。外部产生的校准音频可以与来自移动单元的反向链路OFDM数据重叠，但是具有更 高的功率，例如比该数据强>20dB。重叠的移动台子载波可能受损，但是仅在一个或两 个符号的持续时间上受损。期望每天仅执行校准几次。信号发生器150与功分器155相 连，以经由长度匹配的缆线160将所产生的信号分配给天线115。可以针对收发机部分和缆线部分分离地执行系统的幅度和相位校准。收发机部 分包括无线电装置110的发射和接收子系统以及用于进行发射的功率放大器135和用于进 行接收的低噪声放大器(LNA)140。缆线部分可以包括从RF缆线125顶部起至无线电接 收机110的路径。在所示意的实施例中，收发机部分被设计用于向各个移动单元进行时 分双工(TDD)波束方向控制，并且缆线部分被设计用于向天线阵列所服务的扇区或小区 内的所有移动单元发射公共广播信道。可以确定校准环路的收发机部分和/或缆线部分的分支的增益并将其用于校准
7不同的发射路径。在所示意的实施例中，针对无线电装置0和无线电装置1，功率放大器 135以及与无线电装置110和开关130相连的短缆线的组合增益分别表示为％和Tlt)类 似地，LNA 140以及与无线电装置110和开关130相连的短缆线的增益分别表示为礼和 民。在天线0和天线1处接收的来自移动单元的反向链路信号分别表示为入和Alt)信 号入和冬包括信号幅度、到达角度和天线增益。从TDD开关130起至塔台顶部105处 的天线115的RF缆线125的增益表示为Q^nq。所有变量都是复值。在无线电装置0 和无线电装置1处的接收信号是S0 = A0C0Ro (1)以及Si = AiCiRi (2)为了向移动单元发射前向链路信号，如果两个功率放大器135是相同的，分支1 中无线电装置处的基带信号应该由以下权重加权
权利要求
1.一种校准时分双工(TDD)无线通信系统中的包括多个天线在内的基站的方法， 用于针对目标移动台来对前向链路业务数据进行波束方向控制，每个天线经由发射/接 收开关与对应无线电装置相连，发射/接收开关被配置为在接收路径和发射路径之间切 换，所述方法包括经由与第一无线电装置和第二无线电装置耦合的第一跨接缆线，从第一无线电装置 发射第一信号，使得该第一信号由第二无线电装置接收；经由耦合在第一无线电装置和第二无线电装置之间的第二跨接缆线，从第二无线电 装置发射第二信号，使得该第二信号由第一无线电装置接收；以及基于第一信号或第二信号中的至少一个，确定应用于从第二无线电装置发射的业务 信号的相对权重。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，发射第一信号包括发射第一导频信号信道 上的导频信号或已知内容的校准信号中的至少一个，并且发射第二信号包括发射第二 导频信号信道上的导频信号或已知内容的校准信号中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，经由第一跨接缆线发射第一信号包括经由如下第一跨接缆线发射第一信号，该 第一跨接缆线耦合至通过位于第一无线电装置的功率放大器的输出处的定向耦合器与第 一无线电装置相关联的发射路径、和通过位于第二无线电装置的低噪声放大器的输入处 的定向耦合器与第二无线电装置相关联的接收路径；经由第二跨接缆线发射第二信号包 括经由如下第二跨接缆线发射第二信号，该第二跨接缆线连接通过位于第二无线电装 置的功率放大器的输出处的定向耦合器与第二无线电装置相关联的发射路径、和通过位 于第一无线电装置的低噪声放大器的输入处的定向耦合器与第一无线电装置相关联的接 收路径；以及发射第一信号和第二信号包括经由第一和第二长度匹配的跨接缆线发射第一和第二信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定相对权重包括确定与第一无线电装置相关联的发射路径的增益和与第二无线 电装置相关联的接收路径的增益的第一乘积，确定相对权重包括确定与第二无线电装置相关联的发射路径的增益和与第一无线 电装置相关联的接收路径的增益的第二乘积，确定相对权重包括根据第一乘积和第二乘积的第一比值来确定相对权重，以及所述基站包括连接在每个天线和对应发射/接收开关之间的RF缆线，发射/接收开 关连接至每个无线电装置的接收路径和发射路径，所述方法包括确定应用于由第一和第二无线电装置所产生的分别用第一和第二天 线进行发射的信号的第二相对权重。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定第二相对权重包括确定与第一天线相 连的第一 RF缆线的增益和第一无线电装置的接收路径的增益的第三乘积。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定第二相对权重包括确定与第二天线相 连的第二 RF缆线的增益和第二无线电装置的接收路径的增益的第四乘积。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定第二相对权重包括基于第三乘积和第四乘积的第二比值，确定第二相对权重，确定第二相对权重包括基于第一比值和第二比值的乘积来确定第二相对权重， 确定第二相对权重包括确定应用于第一和第二无线电装置所产生的公共广播信号 的第二相对权重，以及确定第二相对权重包括基于由基站中的单音频发生器或多音频发生器提供给第一 和第二天线的信号来确定第二相对权重。
8.根据权利要求4所述的方法，包括确定应用于由多个无线电装置所产生的通过 多个天线发射的信号的多个第一相对权重，所述多个无线电装置以菊花链式配置或并联 配置中的至少一种耦合。
9.根据权利要求8所述的方法，包括确定应用于由多个无线电装置所产生的通过 所述多个天线发射的信号的多个第二相对权重。
全文摘要
本发明提供了一种用于校准包括多个天线在内并操作在正交频分复用(OFDM)时分双工(TDD)模式下的基站的方法。该方法的一个实施例包括一种校准TDD无线通信系统中的包括多个天线在内的基站的方法，用于针对目标移动台来对前向链路业务数据进行波束方向控制。每个天线经由发射/接收开关与对应无线电装置相连，发射/接收开关被配置为在接收路径和发射路径之间切换。该方法包括经由与第一无线电装置和第二无线电装置耦合的第一跨接缆线、从第一无线电装置发射第一信号，使得该第一信号由第二无线电装置接收。该方法还包括经由耦合在第一和第二无线电装置之间的第二跨接缆线、从第二无线电装置发射第二信号，使得该第二信号由第一无线电装置接收。该方法还包括基于第一或第二信号中的至少一个，确定可以应用于从第二无线电装置发射的业务信号的相对权重。
文档编号H01Q3/26GK102027636SQ200980117553
公开日2011年4月20日 申请日期2009年5月6日 优先权日2008年5月21日
发明者卡姆·H·吴, 苏达姗·A·拉奥, 袁逸飞 申请人:阿尔卡特朗讯美国公司