基于快速开关的解决相噪问题的多天线测量信号发送方法

摘要

本发明涉及基于快速开关的解决相噪问题的多天线测量信号发送方法，属于无线与移动通信技术领域，包括以下步骤：确定所要发送的原始信号序列c(t)的时间长度t

说明书

技术领域

本发明属于无线与移动通信技术领域，特别涉及一种基于快速开关的解决相噪问题的多天线测量信号发送方法。

背景技术

随着无线通信与网络技术的不断发展，广大用户对移动通信的需求也逐渐从单一的语音服务转向多媒体业务，从而对通信系统的速率和可靠性都提出了更高的要求。在新的通信系统中，采用新的通信频段和新的关键技术，需要对该频段的信道传播特性进行详细的研究和刻画，进而建立该系统的信道模型。多天线(MIMO，Multiple-InputMultiple-Output)技术作为利用空间维度的资源来提高频谱效率的一种解决方案，是下一代无线通信系统实现高数据速率传输、提高频谱效率的关键技术之一。对于MIMO无线信道的测量与建模一直是多天线技术的研究热点，只有通过实际测量，掌握无线信道的关键参数，并根据测量结果建立相应的信道模型，才能为MIMO等下一代移动通信关键技术提供理论和测试依据。

信道测量仪(Channel Sounder)设计是对MIMO无线信道进行测量的基础，一般来说，不同的信道测量研究组织会根据自己的实际测量需要设计或选取符合自己测量需要的信道测量仪。多天线系统的信道测量仪设计方案可以分为两种：第一种设计方案是利用独立射频器件搭建不同的射频通道，由于射频元器件的价格比较昂贵，这种设计方案的成本较高，而且由于采用的是独立射频通道，需要校正各个射频单元之间的载频偏差和射频通道之间的不平衡性，以消除对测量数据的影响。

第二种设计方案的组成结构如图1所示，该系统的发端1共用一个射频通道3，在发端1通过高速开关依次将天线阵元5切换连接到射频通道，即时分复用切换(TDMS，Time-division Multiplexed Switching)方式；该系统的收端2同样可以采用时分复用切换方式，即收端2共用一个射频通道4，收端2通过高速开关依次将天线阵元6切换连接到射频通道上。在这种方式的发端中，一路基带信号通过数模转换器(DAC)，与本地振荡器(LO)产生的载频信号相乘，上变频到转换到射频信号，再通过射频(RF)模块进行滤波、放大。各发射天线共用同一个射频通道，通过发端开关控制使用哪一根发射天线进行发送，发端开关切换到某个发射天线，则射频信号通过该发射天线进行发送，其他发射天线处于闲置状态，不发送信号。收端的结构类似发端，由收端开关控制使用哪一根接收天线进行接收，收端开关切换到某个接收天线，则该接收天线对无线信号进行接收，其他接收天线处于闲置状态，不发送信号。接收到的信号通过射频(RF)模块的滤波放大，与本地振荡器(LO)产生的载频信号相乘，经过中频带通波器(BPF)和模数转换器(ADC)之后，就可以得到数字中频信号。收发端使用时钟参考源(如铷钟等设备)进行同步。采用时分复用切换方式的好处在于可以节省测量系统的成本，而且由于各天线使用同一射频通道，不需对射频通道进行校准。因此，国内外大多数商用的信道测量仪都采用第二种设计思路，如德国MEDRV公司RUSK矢量信道探测器、Elektrobit公司的Propsound CS等。该信道测量仪的传统开关切换时序为时分复用切换方式，其开关切换时序如图2所示，即天线阵列共用一个射频通道，各天线阵元完整切换一次的时序图，以7发7收的多天线系统为例，图中四个相连的斜线框表示在一个快拍周期内相应发射天线(T_x1、T_x2、T_x3、T_x4)选通，每一个灰色框表示相应接收天线(R_x1、R_x2、R_x3、R_x4)选通。

在测量过程中，天线阵列共用一个射频通道。在一个快拍(Snapshot)周期内，发端开关在发送天线间按顺序切换一遍；每个发送天线发送测量信号的过程中，收端开关在收天线间按顺序切换一遍。将切换一周的数据与原始发送序列进行互相关运算，就可以得到信道冲激响应样本h_mn(m＝1，2，…，M；n＝1，2，…，N)，按照发、收天线切换顺序进行排列，就可以得到信道M×N维信道冲激响应矩阵：

$H=\left(\begin{array}{cccc}{h}_{11}& h_{12}& ···& h_{1N}\\ h_{21}& h_{22}& ···& h_{2N}\\ ···& ···& ···& ···\\ h_{\mathrm{MN}}& h_{\mathrm{MN}}& ···& h_{\mathrm{MN}}\end{array}\right).$

但是这种设计方案也有相应的问题，RF通道中的收端和发端的本振之间存在的相位差将由于天线单元之间的切换被转化到空间域。这会引起MIMO信道秩的增加从而导致信道容量等测量结果错误，因此有必要消除。

举个简单的例子，比如一个2发2收的MIMO信道矩阵$H=\left(\begin{array}{cc}1& 1\\ 1& 1\end{array}\right),$该信道秩为1，而如果收发本振引入相位差矩阵为$\Theta =\left(\begin{array}{cc}{e}^{j0}& e^{j0}\\ e^{-j\frac{\pi }{2}}& e^{j\frac{\pi }{2}}\end{array}\right),$即实际测得的信道矩阵变成了$\hat{H}=\mathrm{H\Theta },$对该信道秩的估计变成了2，与实际信道不符。

收发之间的本振相位差由相位噪声和收发本振频差两个部分引起。信道测量设备一般为闭环系统，即使用锁相环(PLL，Phase-locked loop)等相位反馈单元，因此收发之间的相差主要取决于长期的本振自由振荡和短期的PLL相位噪声。在时分复用切换的信道测量设备中，由于切换一周所需时间比较短(多在微秒量级)，起决定作用的是相位噪声的影响。

要降低相位噪声的影响，就要加快开关在天线之间切换的速度，使得各天线发送的测试信号受到相噪的影响基本不变。但是该切换速度取决于收发端天线数、最大多径时延τ_max、开关电平转换所需时间等固定的物理参数。

传统的测量信号发送方法中，在每根发射天线上的信号c(t)持续时间为t_q，在每个快拍周期内，发端开关在发送天线之间切换一周。所以相邻发射天线的发送的测量信号之间有t_q的时间差，而时间差t_q受到最大可测传输时延和收天线数的限制，一般要大于相位噪声的相干时间，会导致相位噪声引起的相位差扩散到空间域，对信道矩阵的估计会出现误差，从而使得测量得到信道冲激响应样本与实际值不符，对MIMO信道空间秩产生过估计。

发明内容

本发明的目的是针对现有信道测量仪中所使用的时分复用切换方法中存在的相位噪声导致对信道矩阵估计出现误差的问题，提出一种基于快速开关的解决相噪问题的多天线测量信号发送方法。可以使不同天线发送信号受到相位噪声影响基本一样，解决相位噪声对信道矩阵估计的影响。

本发明提出的基于快速开关的解决相噪问题的多天线测量信号发送方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

步骤1：确定所要发送的原始信号序列c(t)的时间长度t_p；设发送天线数为M，M为正整数；

步骤2：每M个时间间隔t_p构成一个时间块，每M个时间块构成一个快拍周期，在第i(i＝1，2，…，M)个时间块内，发端开关依次在发送天线k(k＝1，2，…，M)之间切换，发送天线k的发送序列为p_kic(t)，其中p_ki为长度为M的正交序列p_k的第i个元素；

步骤3：在接收端，使用第k根发射天线的发送序列的本地样本{p_k1c(t)，p_k2c(t)，...，p_kic(t)，...，p_kMc(t)}和接收序列r(t)在一个快拍周期之内进行互相关运算，得到第k根发射天线所发送序列所经历的信道冲激响应$h_k\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\int p_{\mathrm{ki}}c\left(t\right)r_i\left(t\right)\mathrm{dt}.$

本发明的特点及效果：

本发明提供的多天线测量信号发送方法，与传统的测量信号发送方法相比，可以在不改变天线配置和最大可测传输时延的条件下，加快开关在不同天线之间的切换速度，开关的切换次数是传统的测量信号发送方法的M倍(M为发射天线个数)。因此可以使不同天线发送信号受到相位噪声影响基本一样，解决相位噪声对信道矩阵估计的影响。

本方法可以用于各种信道测量设备和无线定位设备中。

附图说明

下面参照附图并结合实例来说明本发明的信号发送方法。

图1为已有的基于时分复用切换方案的信道测量仪结构示意图。

图2为图1的测量仪在测量过程中，其开关切换时序示意图。

图3为基于传统的测量信号发送方法，发端(以四根发射天线为例)开关切换一周的时序图。

图4为根据本发明提出的基于快速开关的信号发送方法，发端(以四根发射天线为例)开关切换一周的时序图。

具体实施方式

本发明提出的基于快速开关的解决相噪问题的多天线测量信号发送方法，结合实施例详细说明如下：

本实施例中，系统结构与使用传统测量信号发送方法的时分复用切换系统结构相同，如图1所示，信号发生器输出一路射频信号，发端开关在不同发射天线之间切换，同一时刻只有一根发射天线发送数据。本实施例与传统方法的区别技术特征是发端的开关切换不同。本实施例的方法包括以下步骤：

步骤1：设有M＝4根发送天线，所要发送的原始信号发送序列为c(t)，发送序列只需满足自相关特性c(t)*c(t)＝δ(0)，其具体形式与发送步骤无关，因此可以是为Chirp序列、PN序列或Multitone等常用的信道测量序列之任一种。在本实施例中，采用Chirp序列作为发送序列，将发送Chirp序列c(t)的离散化表示记为c(l)，c(l)通过数模转换即可得到c(t)，c(l)的数学表达式为：

$c\left(l\right)=w\left(l\right)e^{\frac{j2\mathrm{\pi B}{(l-L/2)}^2}{L}},l=\mathrm{0,1}...L-1---\left(3.1\right)$

$B=\frac{B_0}{f_S}---\left(3.2\right)$

$w\left(l\right)=\left(\begin{array}{cc}1& {\alpha }_L\le l\le L-{\alpha }_L\\ \frac{1}{2}[1-\cos \left(\frac{\mathrm{l\pi }}{{\alpha }_L}\right)]& 0\le l\le {\alpha }_L-1\\ w(L-l)& L-{\alpha }_L+1\le l\le L-1\end{array}\right)---\left(3.3\right)$

其中，L为周期序列的长度，f_s为时钟源提供给A/D的采样频率，B₀为测量信号带宽。在本实施例的测量系统中取L＝2048，B₀＝25MHz，f_s＝80MHz。w(n)为时域窗函数，用来抑制测量信号相关运算波形的旁瓣。本实施例选用升余弦函数作为时域窗函数w(n)，α_L＝α*L，α为升余弦滚降系数，取α＝0.05。

确定发送序列的时间长度为t_p，t_p取决于最大可测传输时延τ_max和收端天线数，本实施例接收天线数为N＝4，最大可测传输时延为τ_max＝L/f_s＝25.6us(微秒)，所以选取t_p＝N*τ_max*2，乘以2是因为开关切换过程也需要一定时间，以及测量系统本身器件有一定的时延，所以需要预留一定的保护时间。

步骤2：测量信号发送过程中，发端开关依次在M个(本实施例为4个)发射天线之间切换，开关在天线间切换一周的时间(一个时间块)为M*t_p。整个快拍周期共有M个时间块，其总的时间长度为M×M×τ₀，发送天线k的发送序列为p_kic(t)，其中p_ki为长度为M的正交序列p_k的第i个元素，k为发射天线的序号；

本实施例的正交序列p_k可以为PN序列或Walsh函数序列。在本实施例中，选取Walsh函数序列，序列长度为M＝4，序列形式如下：

p₁＝{1，1，1，1}

p₂＝{1，-1，1，-1}

p₃＝{1，1，-1，-1}

p₄＝{1，-1，-1，1}

以第1个时间块为例，第1个时间块之内，开关依次在发射天线k(k＝1，2，…，M)上切换，即0~t_p时间内，开关接到发射天线1上，由发射天线1发送测量信号，发送的测量信号序列为p₁₁c(t)，其中p₁₁为长度为4的正交序列p₁的第1个元素，p₁₁＝1。

t_p~2t_p时间内，开关接到发射天线2上，开关接到发射天线2上，由发射天线2发送测量信号，发送的测量信号序列为p₂₁c(t)，其中p₂₁为长度为4的正交序列p₂的第1个元素，p₂₁＝1。

2t_p~3t_p时间内，开关接到发射天线3上，由发射天线3发送测量信号，发送的测量信号序列为p₃₁c(t)，其中p₃₁为长度为4的正交序列p₃的第1个元素，p₃₁＝1。

3t_p~4t_p时间内，开关接到发射天线4上，由发射天线4发送测量信号，发送的测量信号序列为p₄₁c(t)，其中p₄₁为长度为4的正交序列p₄的第1个元素，p₄₁＝1。

之后的发送过程和第一个时间块类似，即在第i(i＝1，2，…，M)个时间块内，开关依次在发射天线k(k＝1，2，…，M)上切换，发射天线k发送的序列为p_kic(t)，其中p_ki为长度为M＝4的正交序列p_k的第i个元素。

步骤3：在接收端，接收得到的序列设为r(t)；要得到第1根发射天线发出的信号所经历的信道冲激响应，只要在一个快拍周期之内，使用本地发送样本{p₁₁c(t)，p₁₂c(t)，...，p_1ic(t)，...，p_1Mc(t)}和接收序列r(t)进行互相关运算：

$\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\int p_{1i}c\left(t\right)r_i\left(t\right)\mathrm{dt}$

$=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\int p_{1i}c\left(t\right)\underset{k=1}{\overset{M}{\Sigma }}{p}_{\mathrm{ki}}{q}_k\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

$=\int c\left(t\right)\underset{k=1}{\overset{M}{\Sigma }}{q}_k\left(t\right)\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{p}_{1i}{p}_{\mathrm{ki}}\mathrm{dt}$

其中r_i(t)为r(t)在第i个时间块内的数据，$r_i\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\Sigma }}{p}_{\mathrm{ki}}{q}_k\left(t\right),$q_k(t)＝c(t)*h_k(t)其中h_k(t)为第k根发射天线发出的信号所经历的信道冲激响应。

由于正交序列p_k的正交性，有$\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{p}_{1i}{p}_{\mathrm{ki}}=\mathrm{M\delta }(k-1)$

所以(1)式＝∫Mc(t)q₁(t)dt

考虑到c(t)*c(t)＝δ(0)，所以(1)式的结果即等于第1根发射天线所发出信号所经历的信道冲激响应h₁(t)。

对第k根发射天线，可以使用本地发送样本{p_k1c(t)，p_k2c(t)，...，p_kic(t)，...，p_kMc(t)}和接收序列r(t)在一个快拍周期之内进行积分，即可得到其发出信号所经历的信道冲激响应h_k(t)。

使用本实施例进行发送之后，可以看到开关在一个快拍周期(M×M×t_p)内切换的更加频繁了。在整个快拍周期内对信号进行相关运算，即可得到信道冲激响应。由于一个快拍周期内，发射天线k所发送的序列总长度为M×M×t_p，与传统的测量信号发送方法的快拍周期相同，因此不需要降低天线个数或者最大可测传输时延。

传统的测量信号发送方法中，发端开关切换方式如图3所示，以4发4收为例。在每根发射天线上的信号c(t)持续时间为t_q，在每个快拍周期内，发端开关在发送天线之间切换一周。所以相邻发射天线的发送的测量信号之间有t_q的时间差，而时间差t_q受到最大可测传输时延和收天线数的限制，一般要大于相位噪声的相干时间，会导致相位噪声引起的相位差扩散到空间域，对信道矩阵的估计会出现误差，从而使得测量得到信道冲激响应样本与实际值不符，对MIMO信道空间秩产生过估计。

与传统的测量信号发送方法相比，发端开关切换方式如图4所示，开关在天线间的切换次数增加了M倍，因此开关在第k根天线上的持续时间被缩短了，t_p＝t_q/M，t_p和t_q分别为采用本发明方法和传统发送方法时开关在第k根天线上的持续时间，从而各发送天线发送的数据之间的相差也被减小，如果此时t_p小于相位噪声的相干时间，那么就可以消除相位噪声的影响。

尽管已参照附图对本发明进行了描述，这里的描述只是说明性的，而完全不应认为是限制性的。因此所有落在权利要求范围内的各种变型和等效形式(即本领域技术的人员来说，显而易见的是，可在不背离由所附权利要求限定的本发明宗旨和范围的情况下，对本发明的思想应用到不同的具体实例中去)，都应属于本发明的专利保护范围之内。