基带拉远技术的智能天线校准系统及其方法

具体实施方式

本发明的核心是在拉远技术下对智能天线校准模块位置的设计及在这种设计下的一种校准系统和方法的实现，即：将智能天线校准的校准单元由基站的室内单元中移到室外拉远装置中来实现，其中，在室外拉远装置中不但实现了基站中射频的初始化校准，也实现了对智能天线的实时校准功能，而校准功能是由微处理器及其可编程门陈列来实现的。所述校准系统是实现上述校准模块位置改变后的硬件设计方案，与传统的方案相比，此方案结构清晰，校准通路设计简单，使用起来稳定可靠。所述校准方法是在室外拉远装置上实现实时校准功能，与传统的在基带单元上进行实时校准的方法相比，不但可以对处于正常工作运行中的智能天线进行实时校准，而且可以节省基带拉远光纤上的带宽资源，同时在实现上具有简单可靠成本低的优点。另外，本发明所述技术方案可以同时应用于在时分双工(TDD)和频分双工(FDD)的工作方式下对智能天线的实时校准。

下面结合附图对本本发明做详细的说明。

请参阅图2，为本发明所述所述基于基带拉远技术的带智能天线校准功能的基站系统结构示意图。所述系统包括：基站室内装置21和室外拉远装置22，其中，所述基站室内装置21，用于实现基站的物理层软件、高层协议以及操作维护软件以及相应的硬件平台，这三部分软件完成了基站的主要软件功能，实现第三代合作伙伴(3GPP)定义的Iub和Uu协议接口的功能以及网络管理的功能；所述室外拉远装置22，通过光纤与所述基站室内装置21相连，用于实现智能天线的收发信机和校准的功能，其中收发信机主要包括：数字中频、模拟中频和射频的功能，实现、下行方向上从基带数据到空口数据的处理和上行方向上空口数据到基带数据的处理，其中校准包括：初始化校准、周期实时校准两个功能，实现对硬件通道上的频率、增益、时延和相位的校准。

所述基站室内装置21包括：数字信号处理单元211，第一处理单元212，第一数字接口213。所述数字信号处理单元211，用于完成物理层软件的功能；第一处理单元212，与数字信号处理单元211相连，根据处理结果实现高层协议和操作维护的控制功能；第一数字接口213，与数字信号处理单元211相连，通过第一数字接口213连接拉远光纤，实现数据的合分路功能，该功能可以使用现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)来实现。

所述室外拉远装置22包括：第二数字接口221、硬件处理单元222、第二处理单元223和带有智能天线阵的天线耦合盘224。其中，所述第二数字接口221，通过光纤与第一数字接口213连接，用于实现数据的合分路功能，该功能也可以使用FPGA来实现；所述硬件处理单元222，与第二数字接口221相连，用于实现基站的收发信机功能和校准功能；所述第二处理单元223，与硬件处理单元222相连，用于实现拉远光纤协议、硬件的监控和操作维护，同时实现智能天线的校准，其中所述第二处理单元223还包括校准子单元2231，用于校准智能天线阵列中天线之间的幅度和相位的差异；所述带有智能天线阵的天线耦合盘224，通过电缆与硬件处理单元222相连，用于耦合接收和发送工作天线的校准数据，同时对于工作天线的空口数据进行直接传输。

所述室外拉远装置22中的硬件处理单元222和天线耦合盘224之间使用同轴电缆连接，共有N+1根天线馈线，其中N根为工作天线，1根是校准天线，N根天线阵元组成智能天线阵。所述室外拉远装置实现了基站的校准功能、数字中频功能、模拟中频和射频的功能。其中微处理器除了实现控制功能外，还实现了校准功能。因为在微处理器中设有校准子单元，以便于对智能天线中天线阵元的实时校准。

还请参考图3，为本发明所述室外拉远装置的一种硬件结构示意图。在该图中，室外拉远装置包括了第二数字接口31，使用FPGA来实现；中频处理单元32，实现了数字中频和模拟中频的功能，具体包括在下行处理方向上对基带数据的数字上变频功能，数模转换功能，模拟放大，衰减和滤波的功能；在上行处理方向上对中频信号进行模拟放大，衰减和滤波的功能，模数转换功能，数字下变频功能。即每一路工作天线有自己独立的通路，校准天线和工作天线0共用同一个通路，使用开关进行切换；射频处理单元33，实现了中频和射频信号之间的处理功能，具体包括在下行处理方向上的上混频功能，功率放大功能和天线滤波功能；在上行处理方向上的天线滤波功能，低噪声放大功能和下混频功能。即每一路工作天线有自己独立的通路，校准天线也有自己独立的通路；第二处理单元34，实现控制功能和校准功能，校准功能为校准天线阵列中的天线之间的幅相差异，用于实现智能天线功能，也就是说，所述第二处理单元34包括校准子单元341，用于校准智能天线阵列中天线之间的幅度和相位的差异；天线耦合盘和天线阵列35，由N根工作天线和1根校准天线构成。

基站室内装置侧的多载波和多天线的数据串行通过光纤传输后经过数字接口(FPGA)实现数据合分路的功能。数据下行时实现的是分路功能，这时实现了载波和天线的数据分离，经过不同的通路从天线发射出去；数据上行时实现的是合路功能，这时将来自不同天线和载波的数据合并为串行发送给基带处理。

由此可见，本发明所述技术方案与现有技术(如图1所示)的逻辑结构相比，本发明所述校准单元放在了室外拉远装置的微处理器中来实现。由于校准的目的是校准智能天线阵中天线阵元之间的幅度和相位误差，所述误差主要来源于不同的天线经过了不同的数据传输通路，其中，所述数据传输通道包括：数字中频和模拟传输两部分。由于在基站室内装置和室外拉远装置之间光纤传输的所有天线的数据是串行传输的，经过的通路是一样的，不会在此通路上产生天线之间的幅相不一致性。因此，本发明把校准单元放在室外拉远装置上，由该单元上的处理器上实现基带的实时校准功能。本发明所述的实时校准功能包括：收发通路的幅度和相位校准、增益的温度补偿校准、数字中频重同步校准和下行导频输出功率检测校准。但不限于所公开的实时校准方式。也可以包括其它的实时校准功能。

另外，本发明还提供一种基于基带拉远技术的智能天线实时校准的方法，该方法在室外拉远装置中实现基带的实时校准，所述方法的流程图详见图4。所述方法包括步骤：

步骤S11：对上电后室外拉远装置中的射频参数进行初始化校准；

步骤S12：当满足实时校准的触发条件时，室外拉远装置中的微处理器开始做周期实时校准，并标识出校准类型；

步骤S13：根据相应的校准类型，实现室外拉远装置中基带的实时校准；

步骤S14：根据校准结果实时控制天线相关状态，包括打开或关闭状态；

步骤S15：所述天线相关状态的信息由拉远单元通过拉远协议中的操作维护通道上报到基站室内装置。

在步骤S11中所述初始化校准，是指在室外拉远装置上电后，室外拉远装置上的微处理器配置射频硬件的频率、增益和时延等参数，完成射频的初始化校准功能。由此可知，所述基站的射频的初始化校准可以不在基站的室内单元中完成，而是在室外拉远装置上完成，这样不但可以节省拉远光纤的带宽资源和提高系统的可靠稳定性，而且配置给室外拉远装置的参数可以通过基站侧的操作维护单元来查询，同时该方案也可以减少维护人员的工作量。

在步骤S12中，当室外拉远装置上的处理器满足校准的触发条件时，比如，接收到来自基站室内装置上的建立小区消息，就是每次建立小区时触发一次周期实时校准；周期校准触发消息，这个消息来自室内处理单元中的操作维护单元，定期发送给室外拉远装置，每接收到一条这样的消息，进行一次周期实时校准；本地的定时器中断消息，定时器到时会产生一个中断，调用中断处理函数发送一条触发消息，每接收到一条这样的消息，进行一次周期实时校准。即微处理器将校准序列写到存储器中，通知室外拉远装置上的FPGA做校准，并标识出校准类型为收发通路的幅度和相位校准、增益的温度补偿校准、数字中频重同步校准和下行导频输出功率检测校准中的任意一种或多种校准类型。以便与根据相应将的校准类型，实现室外拉远装置中基带的实时校准。

在步骤S13中，如果所述校准类型为收发通路的幅度和相位校准，其具体的校准过程为：

在发射校准时，FPGA控制工作天线发射，校准天线接收。在校准帧时，将校准数据送到所有的工作天线的相应载波通道上发射出去，由校准天线在相应的载波通道上同时接收，再由FPGA将接收到的数据写到存储器中，室外拉远装置上的微处理器读取后根据现有的算法，比如使用名称为“一种对智能天线阵系统进行实时校准的方法”的发明专利(申请号为02158623.3)中提供的算法等，计算出每个载波上的所有发射天线的发射校准系数。

在接收校准时，FPGA控制校准天线发射，所有工作天线接收。在校准帧时，将校准数据送到所有校准天线的相应载波通道上发射出去，由工作天线在相应的载波通道上同时接收，再由FPGA将接收到的数据写到存储器中，室外拉远装置上的微处理器读取后根据现有的算法计算出每个载波上的所有接收天线的接收校准系数。其具体的算法与发射校准时的算法相同，在此不再赘述。

在室外拉远装置上的即微处理器计算出每个载波上的所有发射天线的发射校准系数和接收天线的接收校准系数后，把所述发射和接收的校准系数应用到智能天线中不同的天线阵元上，校准系数在FPGA中使用，对天线间的幅相差异进行补偿，补偿处理后的天线数据再送到基站室内装置进行基带数字信号处理。具体算法为：

在基站发射数据时，假设所述计算出的发射校准因子为T_ij，(其中i＝1～N，表示第i根天线，j表示第j个载波)，每根天线的发射数据为TXDATA_ij(k)，(其中i表示第i根天线，j表示第j个载波，k表示第k个发射码片)；然后将所述发射校准因子相乘发射数据，处理后得到最终发射的数据为TXDATA_ij(k)×T_ij。在基站接收数据时，假设所述算出的接收校准因子为R_ij，(其中i第i根天线，j表示第j个载波)，每根天线的接收数据为RXDATA_ij(k)，(其中i，第i根天线，j表示第j个载波，k表示第k个发射码片)，然后将所述发射校准因子相乘发射数据，处理后的得到最终的接收数据为RXDATA_ij(k)×R_ij。

如果所述校准类型为增益的温度补偿校准，其具体的校准过程为：

室外拉远装置上微处理器周期的读取硬件的温度，在温度发生变化时，即根据本次读出的温度和上次读出的温度之差，微处理器计算出温度的变化量，再根据测试得到的温度曲线，使用插值的方法计算出变化后的增益。然后将其配置给室外拉远装置上的射频通路，对收发方向上的增益进行补偿。

如果所述校准类型为数字中频重同步校准，其具体的校准过程为：

每隔一段时间，数字中频还需要进行重新同步，保证所有发射天线的通路同步，所有接收天线的通路同步，以及收发之间的同步。室外拉远装置上的微处理器向数字中频芯片发出同步命令，对数字中频进行同步的操作。

如果所述校准类型为下行导频输出功率检测校准，其具体的校准过程为：

为了保证天线输出口的功率准确，需要在天线输出口实现功率检测功能。室外拉远装置上的微处理器周期的读取功率检测芯片的结果，得到下行导频的功率值，与建立小区的要求值进行比较，然后在射频通路上将差异补偿，假设差值为G₁，原射频通道上的增益为G₂，则射频通道上新的增益为G₂+G₁。

此外，本发明还可以对天线状态的进行相应的维护功能，即：

当室外拉远装置上的校准模块根据数据接收功率发现天线异常时，会将相应的天线系数置为0，并及时把天线有效状态上报给室内单元的操作维护单元，所述操作维护单元及时将当前的有效天线状态通知到基带物理层进行更新天线状态，同时通知室外拉远装置上的FPGA，在做数字自动增益控制(AGC，automatic gain control，automatic volume control)时只对有效天线进行计算，具体计算过程对于本领域的技术人员已为公知技术，在此不再赘述，从而保证AGC的正确。

在步骤S14中，根据校准结果实时控制天线相关状态，所述状态包括打开或关闭；其具体的实现过程为：基站拉远单元上的微处理器在做完收发通路的幅度和相位校准后，得到校准补偿因子，计算出补偿因子的幅度值，和预定的门限值进行比较(由于校准时自发自收，门限值的可以根据收发通路增益计算出来)，当补偿因子的幅度值大于预定的门限值时，将相应的天线状态置为有效，当补偿因子的幅度值小于预定的门限值时，将相应的天线状态置为无效，实时控制天线相关状态。

在步骤S15中，所述天线相关状态的信息由基站拉远单元通过拉远协议中的操作维护通道上报到基站室内装置。其具体的实现过程为：基站拉远单元上的微处理器计算出天线相关状态后，将天线状态值封装到消息中，通过拉远协议中的操作维护通道上报到基站室内装置中的微处理器中，室内单元及时得到最新的天线状态并传给基带信号处理单元使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。