УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КАЛИБРОВКИ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
DEVICE AND METHOD OF ANTENNA ARRAY CALIBRATION

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для управления передачей и/или приемом сигналов в системе радиосвязи, в частности для применения в базовых станциях систем мобильной радиосвязи.
Предшествующий уровень техники
В системах радиосвязи осуществляется обмен сигналами между терминалами радиосвязи и базовыми станциями через так называемый радиоинтерфейс или эфирный интерфейс. Терминалы радиосвязи являются в общем случае мобильными или стационарными пользовательскими терминалами (UE), в то время как базовые станции (узлы В) являются станциями доступа, связанными с наземной сетью связи. Примерами известных систем радиосвязи являются системы цифровой мобильной радиосвязи второго поколения, такие как GSM (Глобальная система мобильной связи), основанная на множественном доступе с временным разделением каналов (TDMA) и обеспечивающая скорости передачи данных до 100 кбит/с, и системы цифровой мобильной радиосвязи третьего поколения, такие как UMTS (Универсальная телекоммуникационная система), основанная на множественном доступе с кодовым разделением каналов (CDMA) со скоростями передачи данных до 2 Мбит/с.
Антенные решетки могут использоваться в системах любого типа, которые передают и/или принимают радиочастотные сигналы с использованием одной или более антенн. Использование антенных решеток в вышеописанных системах обеспечивает улучшение рабочих показателей антенны по сравнению с одноэлементной антенной, в том числе улучшение направленности, отношения сигнал/шум и режекции помех для принимаемых сигналов, а также улучшение направленности, защищенности и снижение требований по мощности для передаваемых сигналов. Антенные решетки могут использоваться только для приема сигналов, только для передачи сигналов или как для приема, так и для передачи. Большинство систем антенных решеток состоят из антенной решетки и процессора сигналов, который обрабатывает сигналы, поступающие на отдельные элементы решетки и исходящие от них.
Таким образом, антенная решетка состоит из ряда так называемых антенных элементов, каждый из которых соединен с радиочастотным (РЧ) приемопередатчиком (передатчиком/ приемником). В режиме приема приемники получают РЧ-сигналы от каждого антенного элемента и применяют преобразование с понижением частоты принимаемых сигналов для получения сигналов базовой полосы. В базовой полосе демодулированные сигналы затем сравниваются друг с другом по амплитуде и фазе. Информация о направлении прихода (DOA) поступающего сигнала, то есть о направлении передающей станции, содержится в соотношении между принятыми сигналами. В режиме передачи эта информация затем используется для формирования луча (BF) в направлении принимаемого сигнала путем корректного взвешивания сигналов базовой полосы для различных передатчиков, соединенных с антенными элементами.
Процедура, описанная выше, может быть реализована только с некоторой точностью, если характеристики отдельных передатчиков и приемников известны, так что эти характеристики должны быть приняты во внимание для алгоритмов DOA и BF. Более точно, передаточные функции (по амплитуде и фазе) от антенных элементов до выходных сигналов базовой полосы приемников, а также передаточные функции от входных сигналов базовой полосы передатчиков до антенных элементов должны быть известны. В процессе работы эти передаточные функции подвергаются изменениям параметров (дрейфу) активных и пассивных элементов в приемопередатчиках и кабелях. Поэтому передаточные функции должны постоянно или, по меньшей мере, периодически определяться в процессе работы передатчика.
В технике известны два различных подхода к проблеме калибровки. В соответствии с первой процедурой известный сигнал вводится в тестовую антенну (калибровочную антенну), которая размещается по возможности близко или представляет собой часть антенной решетки (известно из документа US-А-6236839) или отделена от антенной решетки (известно из документа US-A-5546090). Сигналы базовых станций несут информацию о передаточных функциях отдельных каналов приема, которые могут затем сравниваться и настраиваться. Эта процедура называется RX-калибровкой.
В соответствии со второй процедурой известные сигналы подаются в отдельные антенные элементы и принимаются тестовой антенной. Тестовая антенна может при этом располагаться так, как описано выше. Принимаемые сигналы несут информацию об индивидуальных передаточных функциях каналов передачи, которые могут затем сравниваться и настраиваться. Эта процедура называется ТХ-калибровкой.
Обе калибровочные процедуры могут быть реализованы либо одновременно, что является предпочтительным решением в системах, использующих дуплексный режим с частотным уплотнением (FDD), либо последовательно, что является предпочтительным в системах, использующих дуплексный режим с временным уплотнением (TDD).
Конфигурации, реализующие вышеописанные процедуры, показаны на фиг. 2 и 3. В соответствии с этими конфигурациями калибровочная антенна соединяется посредством дуплексора или коммутатора со схемами калибровочного передатчика (TXc) и приемника (RXc), работающими в радиочастотном диапазоне. Сигналы от калибровочной антенны и к калибровочной антенне обрабатываются в калибровочном процессоре, работающем в базовой полосе. Калибровочный процессор соединен с процессором формирования луча, который обрабатывает сигналы от/к отдельным антенным элементам (#1… #n) антенной решетки, например, базовой станции. Коэффициенты, представляющие определенные вариации, сохраняются в таблицах преобразования.
В процедуре RX-калибровки (фиг. 2, поток сигнала показан пунктирными линиями) калибровочный процессор инициирует передачу тестовых сигналов от калибровочной антенны через радиоинтерфейс на индивидуальные антенные элементы антенной решетки. Принятые тестовые сигналы затем вводятся назад в калибровочный процессор посредством процессора формирования луча. В калибровочном процессоре передаточные функции отдельных каналов приема определяются, оцениваются и сохраняются в таблице преобразования, чтобы учитывать их в обычной операции определения направлений прихода.
В процедуре ТХ-калибровки (фиг. 3, поток сигнала представлен пунктирными линиями) калибровочный процессор инициирует передачу тестовых сигналов от каждого из антенных элементов, которые принимаются калибровочной антенной. Принятые сигналы, содержащие информацию о передаточных функциях отдельных каналов передачи, затем оцениваются в калибровочном процессоре и сохраняются в таблице преобразования, чтобы учитывать их в обычной операции формирования луча.
Недостатком описанных процедур является то, что специальные калибровочные средства должны встраиваться в каждую базовую станцию, обуславливая тем самым дополнительные затраты и требования к месту для размещения.
Поэтому целью изобретения является обеспечение калибровочных средств, которым не свойственны вышеуказанные недостатки. Эта цель достигается устройством и способом, характеризуемым признаками независимых пунктов.
Сущность изобретения
В соответствии с первым и вторым аспектами изобретения предусмотрены устройство и способ для управления передачей и/или приемом сигналов в системе радиосвязи. При этом устройство состоит из приемопередающих средств и антенных элементов, причем, по меньшей мере, одно из приемопередающих средств дополнительно соединено с калибровочной антенной. Кроме того, устройство содержит калибровочный процессор для определения вариаций тестовых сигналов в приемопередающих средствах и процессор формирования луча для учета определенных вариаций для формирования луча и/или определения направления прихода радиосигналов, соответственно переданных и принятых антенными элементами.
Использование приемопередающих средств, обычно связанное с передачей и приемом радиосигналов к/от других радиостанций для передачи и/или приема тестовых сигналов через калибровочную антенну в калибровочных процедурах, позволяет сэкономить дополнительное пространство и затраты, требуемые для отдельных калибровочных приемопередающих средств, использовавшихся в предшествующем уровне техники.
Дополнительные аспекты изобретения раскрыты в последующем описании и на чертежах.
Краткое описание чертежей
Изобретение, различные его аспекты и признаки поясняются в нижеследующем описании со ссылками на чертежи, на которых
фиг. 1 - блок-схема сети радиосвязи;
фиг. 2 - поток сигналов для RX-калибровки в устройстве, известном из предшествующего уровня техники;
фиг. 3 - другой поток сигналов для ТX-калибровки в устройстве, известном из предшествующего уровня техники;
фиг. 4 - схема устройства, соответствующего изобретению, для процедуры ТХ-калибровки;
фиг. 5 - схема устройства, соответствующего изобретению, для процедуры RХ-калибровки;
фиг. 6 - структура временного кадра TDD-системы радиосвязи;
фиг. 7 - устройство, соответствующее изобретению, с дополнительными усилителями, расположенными вблизи антенных элементов;
фиг. 8 - устройство, соответствующее изобретению, с множеством калибровочных процессоров для одновременной калибровки в различных радиочастотных полосах; и
фиг. 9 - устройство по фиг. 8 с соединением оптического канала между средствами мультиплексирования.
Детальное описание изобретения
На фиг. 1 представлена базовая структура системы мобильной радиосвязи, например системы GSM. Система состоит из центра коммутации мобильной связи (MSC), который соединен с коммутируемой телефонной сетью общего пользования (PSTN) и другими центрами MSC. С центром MSC соединено множество контроллеров базовых станций (BSC), которые, в числе прочего, координируют совместное использование радиоресурсов, обеспечиваемых базовыми станциями (BTS).
Базовые станции BTS осуществляют передачи по нисходящей линии связи (DL) и принимают сигналы восходящей линии связи (UL) соответственно к пользовательским устройствам UE и от пользовательских устройств UE, расположенных в зоне покрытия базовой станции BTS. На фиг. 1 базовая станция BTS содержит антенную решетку А, состоящую из некоторого числа антенных элементов. Антенная решетка, которая в зависимости от конфигурации иногда называется интеллектуальной антенной, используется для формирования луча для сигналов, передаваемых к индивидуальным пользовательским устройствам, чтобы снизить взаимные помехи, обусловленные передачами сигналов параллельных соединений с другими пользовательскими устройствами.
Устройство, соответствующее изобретению, как показано на фиг.4 и 5, основано на структуре по фиг. 2 и 3, описанной выше. В противоположность устройствам, известным в предшествующем уровне техники, одно из приемопередающих устройств TX, RX соединено не только с одним из отдельных антенных элементов (#1,…#n), но и с калибровочной антенной через коммутатор S. В калибровочной процедуре тестовые сигналы коммутируются на калибровочную антенну и от калибровочной антенны, в то время как в обычном режиме работы сигналы передаются и/или принимаются через антенный элемент, соединенный с приемопередающими средствами. Коммутатор реализован на радиочастоте любым способом, известным специалисту.
В нижеследующем описании процедуры RX- и TX-калибровки, использующие устройства, соответствующие изобретению, описаны со ссылками на фиг. 4-9. Эти процедуры могут быть реализованы непрерывным образом или периодически в процессе работы приемопередатчиков.
В процедуре RX-калибровки, то есть калибровки каналов приема приемопередатчиков, калибровочный процессор или индивидуальный источник генерирует тестовые сигналы в базовой полосе, которые преобразуются в сигналы радиочастотной полосы передатчиком ТХ (на фиг. 4 - передатчик, показанный справа) и подаются в калибровочную антенну через коммутатор S. После передачи через радиоинтерфейс тестовые сигналы принимаются индивидуальными антенными элементами (#1…#n) и вновь преобразуются в индивидуальных приемниках RX в сигналы базовой полосы. Процессор формирования луча, соединенный с приемопередающими средствами, выдает принимаемые сигналы, которые содержат информацию о передаточных функциях отдельных сигнальных каналов, на калибровочный процессор, в котором определяются различия в характеристиках приемников. Информация об определенных различиях затем сохраняется в таблице преобразования RX-коэффициентов и вводится назад в процессор формирования луча для их учета в обычной операции определения направлений прихода радиосигналов от пользовательских устройств, осуществляющих связь с базовой станцией. В качестве коэффициентов в калибровочном процессоре определяются, например, максимумы разностей амплитуд и фаз коэффициентов связи.
Из фиг. 4 можно видеть, что устройство, соответствующее изобретению, одновременно использует передающий, а также приемный канал приемопередатчика, показанного справа.
В процедуре ТХ-калибровки, то есть калибровки канала передачи приемопередатчиков, калибровочный процессор или отдельный источник генерирует тестовые сигналы базовой полосы, которые подаются в передающие средства ТХ приемопередатчиков посредством процессора формирования луча. Калибровочный процессор при этом реализован в составе процессора формирования луча или как отдельный блок, который соединен с процессором формирования луча.
Тестовые сигналы преобразуются с повышением частоты в сигналы радиочастотной полосы с помощью передающих средств ТХ и подаются на отдельные антенные элементы (#1…#n). После передачи по радиоинтерфейсу тестовые сигналы принимаются калибровочной антенной, подаются в приемник RX через коммутатор S и преобразуются с понижением частоты в приемнике RX снова в сигналы базовой полосы. Из этих принятых тестовых сигналов калибровочный процессор определяет различия в характеристиках передатчика и сохраняет информацию об определенных различиях в таблице преобразования TX-коэффициентов, чтобы учитывать при обычной операции формирования луча радиосигналов для пользовательских устройств процессором формирования луча. В качестве коэффициентов калибровочный процессор определяет, например, максимумы разностей фаз и амплитуд коэффициентов связи.
Фиг. 6 показывает структуру временного кадра TDD-системы, известной из стандарта третьего поколения UMTS TDD-LCR (TDD c низкой скоростью кодовых элементов) и из китайского стандарта TD-SCDMA. Временной кадр состоит из семи временных сегментов TS0…TS6, которые распределены в восходящей линии связи (↑), то есть от пользовательских устройств к базовой станции, или в нисходящей линии связи (↓), то есть от базовой станции к пользовательским устройствам. После первого сегмента TS0, который в соответствии со стандартом всегда используется для передачи прямой линии связи, первый момент коммутации обеспечивается со специальным пилотным временным сегментом DwPTS нисходящей линии связи, пилотным временным сегментом UpPTS восходящей линии связи и расширенным интервалом защитного периода между ними. В соответствии с изобретением этот расширенный интервал защитного периода частично или полностью используется для передачи тестовых сигналов (в так называемом калибровочном кадре) для RX- и TX-калибровки. Преимущество использования расширенного защитного периода для передачи и приема калибровочных тестовых сигналов заключается в том, что оно не снижает ни общие ресурсы передачи временного кадра, ни рабочие показатели системы.
Другая конфигурация, соответствующая изобретению, показана на фиг. 7. В этом случае усилители PA, LNA мощности, работающие в радиочастотном диапазоне, располагаются вблизи антенных элементов (#1…#n) и обычно монтируются на мачте, удаленной от базовой станции. Эти усилители мощности часто называют монтируемыми на мачте усилителями. Соединение между удаленными усилителями мощности и приемопередатчиками, расположенными в базовой станции, реализуется, например, отдельными коаксиальными кабелями, как показано на фиг. 7. Соответственно также калибровочная антенна, расположенная вблизи от антенных элементов, соединена с одним из приемопередатчиков через коаксиальный кабель. Нет необходимости в обеспечении отдельных усилителей мощности для передачи и приема тестовых сигналов, поскольку требуемая мощность передачи ограничена и может быть без труда обеспечена передатчиком TX в приемопередающих средствах. Кроме того, потери в коаксиальных кабелях в основном не оказывают негативного влияния на измерения и, например, коэффициенты шума приемника. В этой конфигурации изменения на трассе передачи и приема, принимая во внимание все приемные и передающие средства, могут быть определены в калибровочном процессоре.
Поскольку приемопередающие средства TX, RX работают в одной полосе частот в каждый данный момент времени, процедура TX-калибровки конфигурируется таким образом, что калибровочный процессор управляет передающими средствами TX так, что только одно передающее средство TX передает тестовые сигналы на калибровочную антенну в каждый данный момент времени, чтобы разделять принимаемые сигналы отдельных передающих средств TX во времени. Согласно фиг. 6, например, различные передающие средства ТХ передают последовательно тестовые сигналы на интервале передачи.
В процедуре RX-калибровки тестовые сигналы передаются от калибровочной антенны в некоторой полосе частот, принимаются всеми приемными средствами RX одновременно и анализируются одновременно в калибровочном процессоре. От одного временного кадра к другому тестовые сигналы передаются в различных частотных полосах, чтобы калибровать каналы передачи и/или приема для всех несущих.
Поскольку процедуры TX- и RX-калибровки для множества частотных полос потребуют использования большого числа последовательных временных кадров, фиг. 8 показывает другой возможный вариант реализации. Вместо одного калибровочного процессора и соответствующих таблиц преобразования для сохранения определенных коэффициентов, реализовано m блоков обработки сигналов базовой полосы, которые соединены с приемопередающими средствами TX, RX, например, через мультиплексор базовой полосы. Предпочтительно число блоков обработки сигналов базовой полосы, содержащих, в числе прочего, процессоры формирования луча и калибровки, а также таблицы преобразования, выбирается в соответствии с числом частотных полос, в которых работают приемопередатчики с множеством несущих.
Использование множества блоков обработки сигналов базовой полосы обеспечивает возможность применения одновременных процедур калибровки в некотором числе частотных полос. Это может быть реализовано тем, что приемопередатчики TX, RX обрабатывают m несущих одновременно, и соответствующие сигналы базовых полос мультиплексируются на разные блоки обработки сигналов, каждый из которых предназначен для обработки конкретной частотной полосы. Блоки обработки сигналов затем реализуют калибровку для отдельных частотных полос соответствующих несущих.
В процедуре TX-калибровки тестовые сигналы различных частотных полос передаются одновременно некоторым числом или всеми приемопередатчиками, например, в зависимости от числа блоков обработки сигналов базовой полосы. Эти тестовые сигналы принимаются калибровочной антенной и приемным каналом одного из приемопередатчиков и мультиплексируются на отдельные блоки обработки сигналов, предназначенные для обработки разных частотных полос. От одной процедуры калибровки до другой индивидуальные приемопередатчики используют разные частоты для передачи тестовых сигналов, так что характеристики каждого передающего канала могут анализироваться для каждой частотной полосы в течение относительно короткого времени.
В процедуре RX-калибровки тестовые сигналы передаются калибровочной антенной и принимаются посредством отдельных приемных каналов приемопередатчиков. Для каждой частотной полосы или несущей, используемой для передачи тестовых сигналов, один из калибровочных процессоров определяет индивидуальные отклонения характеристик приемных каналов.
Согласно другому варианту реализации заявленной конфигурации, показанному на фиг. 9, блоки обработки сигналов базовой полосы соединены с n удаленными приемопередатчиками посредством оптической линии связи. Эта оптическая линия связи может также использоваться вместо коаксиальных кабелей, описанных со ссылкой на фиг. 7. В случае фиг. 9 мультиплексор базовой полосы, описанный со ссылкой на фиг. 8, делится на мультиплексор приемопередатчика базовой полосы, расположенный вблизи смонтированных на мачте приемопередатчиков и антенных элементов, и мультиплексор канала базовой полосы, размещенный вблизи блоков обработки сигналов базовой полосы, предпочтительно в базовой станции. Оптический канал связи при этом реализован оптическими приемопередатчиками, соединенными с мультиплексорами, и одним или множеством оптических кабелей. Преимущества использования оптических линий связи вместо коаксиальных кабелей заключаются, например, в том, что меньшее количество кабелей должно быть установлено для соединения между базовой станцией и удаленными, смонтированными на мачте приемопередатчиками и антенными элементами, и что снижаются вносимые потери.