无线信道互异性校准算法

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无线信道互异性校准算法
    现阶段，基于获取校准矩阵的方法不同，对天线互异性进行补偿的方法可分为基于硬件检测的自校准方法、基于天线自检测反馈的自校准方法、基于校准天线检测反馈的互校准方法。

自校准算法
    自校准算法实现单基站的多天线互异性校准，分为硬件自校准和反馈自校准。

硬件自校准算法
    基站的硬件自校准是指在基站中配置专用的硬件校准电路实现硬件测量各天线的耦合参数和射频收发模块模拟参数，得到各天线和射频收发模块的校准矩阵，实现互异性校准。通常的硬件自校准算法将天线的校准和射频收发模块的校准分开进行。

    由天线互耦合造成的天线的非对称性误差通常在基站运行过程中被视为常数。天线的校准采用离线校准，即为在基站正常工作之前进行校准。

    由于射频收发模块模拟参数是时间、功率、温度的函数。所以其校准必须采用实时校准，即为在基站正常工作中不间断地进行校准。硬件自校准算法如图3所示。以射频接收模块模拟参数校准为例，校准信号在基站内部产生，并通过功率分配器插入到多路接收模块。检测多路接收模块输出信号，利用已知的校准信号和天线互耦合的非对称性误差参数，可估计出基站射频接收模块的复增益对角阵R BS。

    其中y (t )为射频多路接收模块输出信号，c (t )为校准信号。a (qi )为经天线校准后的理想天线耦合参数。a =[a1,a2…an]为功率分配器到耦合器的校准信号链路响应系数。在基站系统运行前，a通过检测获得，在此视为已知参数。

    显然基站射频接收模块的校准矩阵为RBS-1。同理基站射频发送模块的硬件自校准算法与上述类似，本文不再累述[15]。

反馈自校准算法
    尽管硬件自校准算法能实现较为准确的天线射频模块校准，但也付出了相当的代价。不仅需要在射频电路中添加独立的硬件校准模块，同时还要较为精确控制校准信号的功率，避免其对接收信号的影响。

    因此为了降低复杂度和成本，反馈自校准算法被提出。反馈自校准算法如图4所示，其中eNB为演进型基站。在基站端的反馈自校准算法中，选取本基站多根天线中的第i根天线作为校准天线，通过设置校准天线的射频收发开关，以实现与剩余基站天线的校准参考信号(CS)收发和信道检测。不同天线向校准天线发送的CS通常为正交校准参考序列。该基站同时获取基准天线到剩余天线的上行实际信道向量和剩余天线到校准天线的下行实际信道向量。

    反馈自校准算法存在的问题在于它受到非线性功放和射频模块功率特性的限制。由于自校准信号的功率通常远远低于实际的信息传输功率。所以尽管经过了反馈自校准，但当基站在传输实际的信息时仍然会存在非对称误差[16]。

    由于反馈自校准算法针对的是单基站，所以参考天线的非对称参数em-1在单基站的系统中对信道的互异性不产生影响。但在CoMP系统中，由于多个协作基站的引入，不同基站的非对称参数em-1仍会大幅度降低CoMP的JP的性能。

互校准算法
    对单基站而言，互校准算法能克服功率对自校准的影响。在多基站协作的CoMP中，通过自校准过后，多基站的互异性校准参数cm相互独立且不相同，仍然不能满足JP类算法对CSIT的要求，互校准算法为CoMP的实际应用提供了切实可行的技术方案。

互校准算法描述
    基站端的互校准算法如图5所示，首先选取适当的校准参考天线。该校准参考天线通常为区域内某移动终端q的某根天线i。校准参考天线根据各基站发射的校准参考信号(RS)进行实际下行信道向量的估计。其中RS需处于与上行的探测参考信号(SRS)相同的相关时间间隔。参考天线所在的终端在发送SRS的同时将下行信道向量的估计反馈给需校准基站。同时各校准基站根据SRS信号进行上行信道向量的估计。

    在互校准算法中，参考天线数通常会大于1，并且来自于不同的终端。所以为了摆脱参考天线自身的非对称参数的对基站校准矩阵的影响，基站的校准矩阵通常需对校准参数进行标准化，即：

    互校准算法的校准参考信号功率与实际的信息传输功率保持一致，因此克服了自校准算法对非线性功放和射频模块功率特性的缺陷。同时在CoMP系统中，尽管单个基站内的天线可通过自校准反馈算法进行校准，但基站间的天线仍处于非对称的状态。互校准算法可实现基站间天线的对称性校准。

    尽管互校准算法克服了反馈自校准算法的缺点，但它受限于信道估计和参考天线端的反馈。通常信道估计采用最小均方误差估计(MMSE)，反馈通常采用6 bit I/Q量化或者8 bit幅度10 bit相位量化。显然量化反馈的误差和信道估计误差会对互校准算法带来影响。由于本文内容有限，不在此展开，该问题留作后续研究讨论。本文中假设信道估计和反馈均为理想条件。

校准参考天线选择
    互校准算法需要校准基站与参考终端之间相互通信，所以校准基站与参考终端之间的信道条件成为影响反馈互校准算法的因素。

    在单基站的系统中，参考终端的选择基于下行信道SINR的强度。只有当基站到某终端的SINR强度大于某门限Г时，该终端才会成为候选的参考终端。通常反馈互校准算法的参考天线来自于区域内拥有SINRmax的终端。为了更为精确的获取校准矩阵，通常会选取多个不同的终端参考天线取平均。

    在CoMP的系统中，参考终端的选择变得较为复杂。由于协作基站的位置不同，区域内终端的SINR通常无法满足各基站的门限Г(m)。若达到门限要求，也很难同时达到各基站的最大信干噪比要求SINRmax(m)。选中的参考天线需满足以下条件：单个参考终端对应两个校准基站；满足SINR m1>Гm1，SINR m2>Гm1；maximize
∑SINRmq。同时，在CoMP系统中，由于多校准终端天线的存在，及不同的互校准矩阵KDm带有不同的非对称参数eqi，为实现基站间的统一校准，要消除不同的eqi。整个信道互易性的影响，各基站与各参考终端对应关系需构成连通图[17]。

宽带互校准算法
    LTE采用正交频分复用(OFDM)技术，支持的最大带宽为20 MHz，信道的非对称存在频率选择性。前文讨论的各类校准算法均基于窄带系统，对于实际系统的运用是远远不够的。在实际的系统中，在频点f的基站端第j根天线校准参数可表示为幅度和相位的函数。由前文无线信道校准模型所述，幅度为时间、功率、温度的函数，在互异性校准的时域间隔内和整个带宽的频域间隔内可看作常数。相位随频率做线性的相位偏转，旋转速度由上下行链路之间的时延非对称和频点决定。

    为了获取基站m的第j天线整个带宽的校准参数kDmj (f )，须为天线j选择L个校准频点(fj (1),fj (2)…fj (L ) )，在每频点分别用互校准算法获取各频点的校准参数kDmj (fj (1)),kDmj (fj (2))…kDmj (fj (L))，最后用适合的插值算法来获取参数kDmj (f ) [18]。

    互校准算法，需校准终端将估计的下行信道反馈给校准基站。若选择8 bit幅度10 bit相位量化反馈，照上述的宽带互校准算法，设CoMP基站数为M=2，各基站的天线数N=4，单天线校准频点数L=22，则总的反馈数据为2×4×22×16=2 816 bit。假设反馈校准的间隔时间为100 s，则对高速的无线系统而言28 bit/s的负载显然是可以接受的。