無線通信系統(tǒng)通道校準(zhǔn)算法研究

1、無線通信系統(tǒng)通道校準(zhǔn)算法研究摘要多通道無線通信系統(tǒng)中各通道的校準(zhǔn)是關(guān)鍵技術(shù),通過設(shè)計特定的訓(xùn)練序列,并采用高效的快速算法,在線實時校正陣列天線系統(tǒng)多個通道的幅度和相位。分析了發(fā)射通道和接收通道的性能,理論分析和計算機(jī)仿真結(jié)果表明,該算法能校正通道之間的幅度和相位誤差,而且實現(xiàn)簡單,具有較好的校準(zhǔn)性能。關(guān)鍵詞B3G/ 4G,MIMO ,智能天線,多通道,校準(zhǔn)1 引言在B3G/ 4G系統(tǒng)中,為了達(dá)到超高傳輸速率和高的頻譜利用率,MIMO(多輸入多輸出) 1 、智能天線2 13 14 等被認(rèn)為是核心關(guān)鍵技術(shù)。MIMO 通過采用空時(或空時頻) 編碼,提高系統(tǒng)的性能。為了保證系統(tǒng)性能的實現(xiàn),工程上要求

2、MIMO 系統(tǒng)天線陣列及射頻通道之間的幅度和相位與理論設(shè)計相比,具有較小的誤差;而作為核心技術(shù)的智能天線對天線陣列和通道也有同樣甚至更高的要求。但是,由于加工、器件老化、溫度變化等原因,天線、饋線和由模擬器件組成的射頻通道(統(tǒng)稱為通道) 往往需要校正才能滿足要求。因此,已經(jīng)對多通道的天線陣列的校準(zhǔn)技術(shù)展開了廣泛的研究,并取得了豐碩成果3 11 。文獻(xiàn) 12 提出了一種利用訓(xùn)練序列進(jìn)行信道估計的快速算法,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合工程問題,將該快速算法首次用于無線通信系統(tǒng)天線陣列校準(zhǔn),并通過大量的計算機(jī)窮舉,找到一組合適的特定訓(xùn)練序列。通過仿真,證明該算法在通道校準(zhǔn)應(yīng)用中具有較好的性能。通道校準(zhǔn)方法可分為

3、兩大類,離線校準(zhǔn)和在線校準(zhǔn)。離線校準(zhǔn)是指在系統(tǒng)調(diào)試和上電初始化階段所采取的通道校準(zhǔn)措施,主要針對非時變誤差。這時由于不考慮對通信的影響,可根據(jù)實際需要選擇校準(zhǔn)算法、參考信號的功率和形式。在線校準(zhǔn),也稱為實時校準(zhǔn),是指系統(tǒng)正常工作階段所采取的通道校準(zhǔn)措施,代寫碩士論文 主要針對時變誤差。這時所選擇的校準(zhǔn)算法、參考信號的功率和形式、以及參考信號的獲得方式等,都應(yīng)該是在不影響正常通信的前提下進(jìn)行。在線校準(zhǔn)是實際通信系統(tǒng)中必須采用的通道校準(zhǔn)措施。在此重點研究在線校準(zhǔn)方法。結(jié)合實際系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在線校準(zhǔn)方法可分為基于校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的方法和無校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的方法,其中基于校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的方法又可進(jìn)一步分為基于校準(zhǔn)通道和基于耦合

4、網(wǎng)絡(luò)兩種方法。無校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的方法是采用工作通道輪換發(fā)射信號、其它通道接收的方式,從而得到通道之間的補(bǔ)償系數(shù),該方法由于操作時間較長,而且對通道陣列形式要求較高,因此目前在實際系統(tǒng)中主要采用基于校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的方法。在基于校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的方法中,基于校準(zhǔn)天線的方法主要應(yīng)用于均勻圓陣或圓弧陣中,即工作天線均勻分布在圓周上,而校準(zhǔn)天線位于圓心。該方法可以對收發(fā)通道的所有部分(天線、饋線、射頻前端、線性功放和收發(fā)信機(jī)等) 進(jìn)行校準(zhǔn),有利于工程實現(xiàn);基于耦合網(wǎng)絡(luò)的方法,可以沒有校準(zhǔn)天線,而是通過耦合器將信號注入,因此無法校準(zhǔn)工作天線的幅相誤差,但是該方法適用范圍更廣。2 通道陣列校準(zhǔn)算法2. 1 基本原理通道陣列校準(zhǔn)

5、(CC) 的功能在于補(bǔ)償各通道發(fā)射( TX) 或接收(RX) 信號之間幅度和相位不一致性,代寫職稱論文同時檢測某些物理故障。通道校準(zhǔn)算法的基本原理可以等同于信道估計的處理過程。通過估計各個通道的沖激相應(yīng),得到相互之間的幅度差異和相位差異,其中,所選擇的基本訓(xùn)練序列應(yīng)該自相關(guān)性較強(qiáng),互相關(guān)性較弱。K 個工作天線通道沖激響應(yīng)組合成一個矢量,h = ( h(1) ) T , ( h(2) ) T , , ( h( K) ) T T 總長度KW , W為窗長。K 個工作通道對應(yīng)的訓(xùn)練序列為m( k) =( m( k)1 , m( k)2 , , m( k)P + W - 1 ) T , k = 1 ,

6、 K, 其中P 是基本訓(xùn)練序列的長度,接收端利用訓(xùn)練序列估計K 個工作通道的沖激響應(yīng),可表示為em = ( m1 ,m2 , ,mP) T = Gh + n (1)其中n = ( n1 , n2 , , nP) T 是長度為P 的加性高斯白噪聲序列, h 為通道沖擊響應(yīng)矢量, G = ( G(1) ) T ,( G(2) ) T , , ( G( K) ) T T , G( k) 為P W 階矩陣, 表示為G( k) = Gkij (2)Gkij = m( k)W + i - j , k = 1 , , K, i = 1 , , P , j = 1 , ,W根據(jù)矩陣G的表達(dá)式,得到h 的最大似

7、然估計h 為h = G H G - 1 GH em (3)窗長W = P/K。如果各工作通道對應(yīng)的訓(xùn)練序列具有循環(huán)特性,則估計通道沖激響應(yīng)可借用信道估計中FF T 的方法12 ,即h= IFFTFF T(m) ( R) )/FF T( m) (4)式中m 表示基本訓(xùn)練序列,m( R) 取決于接收的訓(xùn)練序列。可以證明,在沒有噪聲的情況下,該估計是無偏的。h是長度為KW 的通道沖擊響應(yīng)估計矢量。無論是基于校準(zhǔn)通道的方法,還是基于耦合網(wǎng)絡(luò)的方法,采用的通道校準(zhǔn)算法原理相同,研究結(jié)論均適用于上述兩種校準(zhǔn)方法。因此,下面以基于校準(zhǔn)通道的方法為例,對通道校準(zhǔn)算法進(jìn)行研究。為分析方便,不失一般性,對8 個通

8、道的系統(tǒng)進(jìn)行分析。設(shè)天線陣列為8 天線單元的均勻圓陣,校準(zhǔn)天線位于圓心。在B3G/ 4G系統(tǒng)中,TDD 為一種很有前途的工作方式,此時可選用非盲算法。在FDD 系統(tǒng),由于上下行頻段不同,需要作一定的補(bǔ)償。訓(xùn)練序列長度P 取32 。2. 2 發(fā)射( TX) 通道校準(zhǔn)算法TX 校準(zhǔn)的功能是補(bǔ)償各工作TX 通道的不一致性。工作天線同時發(fā)射各自對應(yīng)的訓(xùn)練序列,校準(zhǔn)天線接收到訓(xùn)練序列后,就可計算各工作天線TX 通道之間的幅度差異和相位差異。TX 校準(zhǔn)的訓(xùn)練序列長度為M chip s ,其中基本訓(xùn)練序列為N chip s ,所有工作天線對應(yīng)的訓(xùn)練序列由N chip s 基本序列循環(huán)移位而得到。作為有價值的

9、實例,又不失一般性,取M = 36 , N = 32 。設(shè)實基本訓(xùn)練序列m = ( m1 ,m2 , ,m32 ) ,對應(yīng)的復(fù)基本訓(xùn)練序列m = (m1 ,m2 , ,m32 ) ,即mi = ( j) i- 1 mi (5)根據(jù)循環(huán)特性,工作天線18 發(fā)射的訓(xùn)練序列依次為m( T ,1) = ( m29 , m30 , m31 , m32 , m1 , m2 , , m32 )m( T ,2) = ( m25 , m26 , , m32 , m1 , m2 , , m28 )m( T ,3) = ( m21 , m22 , , m32 , m1 , m2 , , m24 )m( T ,4)

10、= ( m17 , m18 , , m32 , m1 , m2 , , m20 )m( T ,5) = ( m13 , m14 , , m32 , m1 , m2 , , m16 )m( T ,6) = ( m9 , m10 , , m32 , m1 , m2 , , m12 )m( T ,7) = ( m5 , m6 , , m32 , m1 , m2 , , m8 )m( T ,8) = ( m1 , m2 , , m32 , m1 , m2 , , m4 )設(shè)校準(zhǔn)天線接收的訓(xùn)練序列為m( CA) = ( m( CA)1 , m( CA)2 , , m( CA)36 )(6)由此構(gòu)造序列m

11、( R) = ( m( R)1 , m( R)2 , , m( R)32 ) (7)其中m( R)i = m( CA)i+3 , i = 1 ,2 , ,32 估計天線通道沖激響應(yīng)可采用式(4) 的方法,則天線通道k 的沖激響應(yīng)估計為h( k) = max h( i) , i = ( k - 1) W + 1 , , kW , k= 1 , , K 此處式中max 表示從每個用戶的沖激響應(yīng)中取最大值,這是因為,在校準(zhǔn)環(huán)境下,每個通道總是存在一條最強(qiáng)的直達(dá)路徑。論文出處(作者):2. 3 接收( RX) 通道校準(zhǔn)算法RX 校準(zhǔn)的功能是補(bǔ)償各工作天線RX 通道的不一致性。校準(zhǔn)天線發(fā)射訓(xùn)練序列,工作

12、天線同時接收到訓(xùn)練序列后,就可計算各工作天線RX 通道之間的幅度差異和相位差異。RX 校準(zhǔn)的訓(xùn)練序列長度為36chip s ,其中基本訓(xùn)練序列為32chip s。設(shè)實訓(xùn)練序列為m = ( m1 ,m2 , ,m32 ) ,對應(yīng)的復(fù)訓(xùn)練序列為m = (m1 ,m2 , ,m32 ) ,即mi = ( j) i- 1 mi(8)校準(zhǔn)天線發(fā)射的訓(xùn)練序列為m( CA) = (m2 9 , m30 , m31 , m32 , m1 , m2 , , m32 )工作天線k 接收的訓(xùn)練序列表示為m(WA , k) = (m(WAk)1 , m(WA , k)2 , , m(WAk)36 ) , k = 1

13、, , Km( R , k) = ( m( R , k)1 , m( R , k)2 , , m( R, k)32 ) , 其中m( R , k)i= m(WA k)i + 3 , i = 1 , 2 , , 32 , k = 1 , , K 同樣,估計接收通道沖激響應(yīng)可采用FF T 的方法,即h( k) = IFF TFF T(m( R , k) )/FFT( m), k = 1 , , K(9)類似地,接收通道k 的沖激響應(yīng)估計為h = max h( k) , k = 1 , , K (10)3 仿真研究選擇基本訓(xùn)練序列,要求自相關(guān)性較強(qiáng),互相關(guān)性較弱。假設(shè)環(huán)境為高斯白噪聲的通道校準(zhǔn)算法的

14、性能仿真:設(shè)通道幅度不一致(設(shè)方差為0. 1) 時校準(zhǔn)算法的統(tǒng)計性能分析。仿真參數(shù): P = 32 , K = 8 。K 個TX 和RX 通道沖激響應(yīng)隨機(jī)生成,幅度服從均值為1 、方差為0. 1 的正態(tài)分布,相位服從0 ,2的均勻分布,相位的單位為0 。TX 和RX 通道校準(zhǔn)幅度估計均方根誤差隨信噪比的變化情況以及相位估計均方根誤差隨信噪比的變化情況分別如圖1 到圖4 所示, Monte2Carlo仿真結(jié)果如下:由圖1圖4 可見,隨著信噪比的增大,通道校準(zhǔn)算法的幅度和相位估計性能均明顯提高。代寫工作總結(jié) RX 通道校準(zhǔn)算法的估計精度明顯優(yōu)于TX 通道校準(zhǔn)算法。這與TX/ RX 通道校準(zhǔn)的實現(xiàn)方

15、法有著密切關(guān)系。通道幅度方差為0. 1 、信噪比約為10dB 時,在TX 通道校準(zhǔn)中,相位估計均方根誤差約為5;而RX 通道校準(zhǔn)中,相位估計均方根誤差約為4. 5。4 結(jié)論通過對上述仿真結(jié)果進(jìn)行分析,可以得到如下結(jié)論:在無噪聲環(huán)境中,通道校準(zhǔn)算法能夠準(zhǔn)確地估計出各通道的沖激響應(yīng);在高斯白噪聲環(huán)境中,信噪比越大,通道校準(zhǔn)算法的性能越高。本文提出的算法,對傳統(tǒng)的智能天線和下一代寬帶無線通信系統(tǒng)的MIMO 天線陣列的實現(xiàn)都具有重要的指導(dǎo)意義。 參考文獻(xiàn)1 GJ Foschini. Layered space-time architecture for wire-less communication

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