无线宽带通信系统中的射频校准技术研究

朱庆华 朱恭生 常莹

摘要：随着无线通信系统的宽带化，以及大规模MIMO技术的应用，射频通道校准技术得到广泛关注。本文分析了宽带无线通信系统中的射频通道校准技术，包括校准序列的选取，发射校准算法，接收校准算法，以及利用射频通道在短时内的平稳特性，提出了一种多次校准取平均的方法来降低系统噪声，提升校准精度，并给出了响应的仿真结果。

关键词：MIMO，发射校准，接收校准，波束赋形

中图分类号：TN828.6 文献标识码：A 文章编号：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

随着智能手机等智能终端越来越普及，各种基于智能终端的应用越来越多，人们对于无线通信速率的要求也越来高。尽管基于LTE技术的4G时代已经到来，其小区峰值速率也仅为100Mbps，仍然不能满足多用户情况下高清视频等应用，因此更高传输速率（Gbps）就成为无线通信系统的发展目标。众所周知，提高无线通信系统的主要手段就是增加传输带宽，另外基于MIMO的空分复用技术能有效的利用空间资源，实现频谱效率的提升[1，2]。目前，在毫米波段，500MHz传输带宽基础上，利用64阵元以上的Massive MIMO技术[3]，实现空口10Gbps的传输速率已经成为未来5G的研发目标。该目标能够实现的一个前提就是充分利用Massive MIMO的空分复用，实现数据在空间的多流传输。在大规模天线阵列场景下，空分复用主要利用了波束赋形技术，而该技术的一个重要前提就是天线阵元对应的射频通道幅相具有一致性，即实现射频通道的校准。

2 校准原理

在目前的无线通信系统中，基站主要有三个功能模块组成，即基带处理单元（BBU）、射频拉远单元（RRU）和天线。在天线出厂时，其各阵元的幅相一致性据满足行业或企业标准要求，由于天线为无源器件，因此在实际应用过程中，其幅相一致性不随时间、温度等变化而变化，而RRU中的收发通道，会随温度的变化而变化，因此需要周期性的对各收发通道进行幅相一致性的校准。

射频通道校准基于信道估计原理，即在BBU单元发射已知的校准序列，然后利用各通道接收到的接收序列进行信道估计，然后以其中的一个通道为基准，计算出校准系数，以补偿其他通道和校准通道的差异性。

图1 基站功能模块示意图

3 校准序列

在实际的无线通信系统中，由于射频通道的特性会随温度等外界环境的变化而变化，因此需要进行周期性的校准，以确保在该周期内，各通道的幅相一致性基本相同。由于射频通道校准属于在线校准，因此需要校准序列的发射时刻以及校准序列长度均要做合适的选择，以避免与系统（或网内）数据之间形成干扰[4]。另外由于宽带无线系统的射频通道的频选特性不一致，因此射频通道的校准要做到各通道全带宽的幅相一致性，这样就要求校准序列的选择应该满足有限时间窗内的全带宽覆盖。此外，考虑到实际的产品实现，校准序列要求具有较低的峰均比（PAPR）。

3.1校准序列的时频转换

如上所述，对于宽带通信系统，校准序列应该满足有限时间窗内的全带宽覆盖，以下以带宽为20MHz的LTE系统为例进行说明，该系统的fft点数为2048点，对于长度为[N=2048=211]点的时域离散序列[f（n）]，若要从其中的连续[2m]（m<11）个点确定整个序列，从而得出整个序列对应的离散频域信息，其前提条件是此[N=2048]的时域序列是以[2m]点为周期的序列，此条件等价于此2048点序列对应的频域序列中，[k≠l?211-m]（[l]为非负整数）时，[F（k）=0]，也即当且仅当[k=l?211-m]时，[F（k）]有值。其相关推导如下：

设频域序列[F（k）k=0，1，2，…，2047.]，若[k≠l?211-m（l=0，1，2，…，2m-1）]时，[F（k）=0]，则对[F（k）]进行[N=2048]点的IFFT变换得到的时域序列可以表示为

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

此时，由上式可得以下关系

[f（n）=f（n±2m）] （2）

3.2校准序列的选取

从理论上而言，校准序列可以为任意序列，但是考虑到实际系统的实现，校准序列应该具有横模特性，尤其要具有较低的PAPR，因此该序列可以通过计算机仿真的方式寻找。通过将序列元素设为1或-1，利用蒙特卡洛仿真，可以容易得到PAPR<4的序列，满足实际系统的实现。

4 发射校准

所谓发射校准，指的是通过校准，保证各发射通道之间的幅相一致性。其流程如图2所示。

图2 发射校准示意图

发射校准需要多个发射通道同时发送校准序列，然后通过耦合网络由校准通道接收经过射频通道的序列，各发射通道可以通过频分的方式实现通道的区分。具体步骤如下：

1） 设置每个通道发送校准时的频域序列[Xi（k）]：

[Xi（k）k=0，1，2，…，2047.]频域序列，设

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

[cn（i）=intlmax-（lmin+i-1）8] （3）

第i个通道发送校准时的频域序列设置如下：

[Xi（k）=标准序列元素k=（lmin+i-1）+8c?211-m0k为其它] （4）

其中，[i]为通道序号，[c=0，1，2，…，cn（i）.]，即令[c]取值满足[lmin+i-1+8c≤lmax]。

2） 确定每个通道发送时域序列

频域序列[Xi（k）]对应的时域序列为

[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）

此时，[xi（n）]是以[2m]为周期的周期序列。由上节证明可知，整个OFDM发送时的接收序列也是以[2m]为周期的周期序列，只需发送并接收[xi（n）]中一个周期的数据即可。考虑可能的通道时延，在一个周期发送数据前加上[Prefix_cyclic]个循环前缀，在发送的一个周期数据后加上[Postfix_cyclic]个循环后缀。于是，第[i]个通道发送序列表达如下：

[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）]计算接收通道对应的频域序列：

接收数据时，只需获取发送序列中的一个周期的[2m]数据对应的响应值，发送序列中循环前缀和后缀数据的响应并不需要。不妨设接收到的此[2m]个点表示如下：

[y（n）n=0，1，…，2m-1.] （7）

代入下式只需求得[k=l?211-m，lmin≤l≤lmax.]的对应值[Y（k）]：

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

4） 获取每个通道的发送校准系数：

由于采用频分法区分各个通道，因此由接收序列对应的频域序列可以直接得出各个通道的发送校准系数。

对于第[i]个发送通道，可以得出发送频率点上的校准系数为

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

5 接收校准

所谓接收校准，指的是通过校准，保证各接收通道之间的幅相一致性。其流程如图3所示。

图3 接收校准示意图

由于接收校准为校准序列经过校准通道发送，每个接收通道各自接收自身的信道响应，因此其频域精度要高于发射校准，其具体处理流程如下：

1） 设置校准通道的频域序列[X（k）]：

[X（k）k=0，1，2，…，2047.]为频域序列，设[lmin=int（424211-m）+1]，[lmax=int（1623211-m）]，设置[X（k）]序列在[k=l?211-m，lmin≤l≤lmax.]时为非零值，其它位置处均为零。因此，[X（k）]序列可以简单设置如下：

[X（k）=校准序列元素k=l?211-m，lmin≤l≤lmax0k为其它] （10）

2） 确定校准通道发送时域序列

[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） 由各个接收通道的接收序列计算其对应的频域序列：

每个通道接收数据时，只需获取发送序列中的一个周期的[2m]数据对应的响应值，发送序列中循环前缀和后缀数据的响应并不需要。不妨设第[i]个接收通道接收到的此[2m]个点表示如下：

[yi（n）n=0，1，…，2m-1.] （12）

可求得各个接收通道接收时域序列对应的频域序列[Yi（k）]在[k=l?211-m]（[lmin≤l≤lmax]）处的值：

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

4） 求取各个频率点处每个通道的接收校准系数：

第[i]个接收通道在子载波[k]处的接收校准系数可以表达如下：

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

6 校准结果优化

以上针对校准序列的选择、发射校准流程、接收校准流程分别进行了详细描述。在实际无线通信系统中，由于射频通道噪声的存在，且受限于射频通达功率控制，校准序列不得发射功率不能很大，因此校准系数的计算精度有限[5-9]。考虑到在较短时间内（比如秒级），射频通道是平稳的，其特性可以认为是恒定的，因此可以通过多次校准，然后对校准系数进行平均的方式提高校准精度。图4和图5的仿真结果显示，通过增加校准次数可以明显降低校准误差。

图4 不同校准次数下接收校准的幅度误差

图5 不同校准次数下接收校准的相位误差

7 结束语

随着基于大规模MIMO的宽带无线通信技术的应用，射频通道校准技术得到越来越广泛的关注，其校准精度深刻地影响着波束赋形等多天线技术的应用，并最终影响到整个无线通信系统的传输速率，因此一个算法合理，且实现复杂度可接受的多通道射频校准技术需要进一步研究。

参考文献：

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