SE522563C2 - Kalibreringsmetod för en adaptiv gruppantenn - Google Patents

Description

5222 563 f: _ u . » . n u . » . o ~ . - nu och det totala antalet tillgängliga frekvenser resulterar i ett prestandavärde för kapaciteten i ett cellulärt nät.

Det är uppenbart att om effekten från interfererande basstationer som tas emot av mobiler (och även mottagen effekt vid basstationen) kunde reduceras på ett annat sätt än att fysiskt omlokalisera basstationerna kunde kapaciteten ökas i nätet. Frekvenser kunde då återanvändas mer ofta i ett givet fysiskt område för att på detta sätt betjäna fler abonnenter.

Begränsning av utsänd effekt kan uppnås med hjälp av en antenn som har en smalare öppningsvinkel. Förutom detta måste antennstrålen vara i stånd att kontinuerligt följa mobilen inom sin arbetssektor. Huvudsakligen två realiseringar finns: den lösningen med omkopplad stråle och den fullt adaptiva lösningen. I båda fallen används en grupp av antennelement, men i det senare fallet kan varje element individuellt styras, medan i det förra fallet endast en av ett flertal strålar kan väljas. I det förra fallet används på förhand inställda strålar, medan i det senare en enda stråle används, men som kontinuerligt följer mot mobilen. Detta hänvisas till i detta dokument som en "fullständigt adaptiv antenn".

Ett nödvändigt förhållande är att varje antennväg kalibreras så att möjliga irregulariteter kan tas med i beräkningen och kompenseras för. Både upplänk och nedlänk måste normalt kalibreras. Problemet är emellertid mer uttalat i nedlänksriktningen (basstation till mobil) medan i upplänken (mobil till basstation) kan stålformningsalgoritmer fås att autokorrigera för fasfel.

Den mest använda realiseringen av adaptiva antenner är att använda omkopplade strålar. Strålformaren placeras lämpligen vid toppen av masten nära antenngruppen, och innebär inte några större fasfel. En anslutning vid ingången av strålformaren ger den riktiga excitationen till alla antennelementen samtidigt. Detta ger en stråle i en viss riktning. Val av en annan ingångsanslutning ger en stråle i ännu en annan riktning. Så beroende på till exempel den starkast mottagna signalen väljs den riktiga strålen och på detta sätt behövs ingen kalibrering eftersom det endast É':É":".:' :":'É 1": 'i un u u-øøunu n~n.~| 1.- u: o. . a se. n nu I HI 0 3 . .... ... ... . .- n av: « - a - ø | - - . | - Q » f. betyder en enda RF-väg till antennen. Den ovan omkopplade strål- realiseringen ger emellertid inte friheten med styrning av strålen till ett godtyckligt läge, inte heller nollning av interfererande signaler.

Den mest uppenbara lösningen för kalibrering av ett antennsystem skulle vara att införa en signal vid ett lämpligt ställe (i sändningsvägen) och sedan följa signalen när den utbreder sig genom systemet. Signalen måste detekteras vid någon punkt nära till antennen och sedan jämföras med den införda signalen. Vid en första blick behöver detta ytterligare hårdvara och detektorer för att realiseras. Vanligen tillämpas en yttre källa på utrustningen och ingångs- till utgångssignaler jämförs sedan. Skillnaden mellan de två kommer sedan att ge den nödvändiga fasen och amplituden som skall kompenseras för. Proceduren i mottagningsriktningen skulle bli liknande som för sändningsfallet. Det är uppenbart att tillvägagångssättet behöver ytterligare generator- och detektorutrustning och det är svårt att göra en sådan kalibrering när basstationen är i drift.

Vanligen görs kalibrering på laboratoriebänken före installationen, eller genom kalibrering av varje del av RF-kedjan separat. Kalibrering av en gruppantenn endast i fabriken är inte tillfredsställande med hänsyn till användning vid en plats. Kalibrering måste göras under drift på något speciellt sätt och övervakas kontinuerligt. Detta stöds normalt inte fullt ut idag. Om installerad skulle ett sätt vara att använda en yttre separat generator för att mäta signalvägen både i sändningsgrenar och mottag- ningsgrenar. Detta kräver ytterligare mottagare avstämda till den rätta frekvensen tillsammans med viss mjukvarurealisering för att beräkna amplitud- och fasavvikelser. Vidare måste signalinförings- och uttagspunk- ter vara realiserade i basstationen.

Följaktligen är idag kalibrering av gruppantenner ett problem utan en riktig lösning. Därför finns det behov för ett förfarande för att kalibrera grupp- antenner på platsen med ett minimum av hårdvarukrav och vilket gäller för basstationer som har realisering med "fullt adaptiv antenn". 522 563 4 . . : | | 1 . o .n SUMMERING Föreliggande presentation föreslår ett förfarande och ett system för att erhålla kalibrering med ett minimum av hårdvarurealisering och gäller för basstationer som har realisering med "fullt adaptiv antenn". Det tar med i beräkningen irregulariteter från generatorkällan via kanalisatorer, uppkon- verterare, blandare, effektförstärkare och filter. En föreslagen belysande utföringsform av uppställningen och rutinen åstadkommer både kalibrering vid sändningsvägen och mottagningsvägen. Arrangemanget i enlighet med uppfinningen använder den interna basstationens radiodelar genom Sekventiell omkoppling av signalvägar från sändare till mottagare och behöver därigenom ingen yttre utrustning. De nödvändiga omkopplarna kombineras då med duplexfiltren lämpligen nära basstationen. Förfarandet kan helt enkelt visualiseras genom ett grundläggande flödesdiagram som visar de tre huvudstegen som är ett första steg med en mottagnings- kalibrering som upprepas för alla tillgängliga mottagningsfrekvenser, ett andra steg med kalibrering före sändning och ett tredje steg med en sändningskalibrering som upprepas för alla tillgängliga sändningsfrekvenser.

Ett förfarande i enlighet med den föreliggande uppfinningen fastställs genom det oberoende patentkravet 1 och de beroende patentkraven 2 - 4. Ett system för kalibrering av en apadaptiv gruppantenn fastställs genom det oberoende patentkravet 5 och ytterligare utföringsformer fastställs genom de beroende patentkraven 6 till 9.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen tillsammans med ytterligare ändamål och fördelar med denna kan bäst förstås genom hänvisning till följande beskrivning tillsammans med de medföljande ritningarna i vilka: FIG. 1 är en koncentrerad skiss av en basstation med fyra RF-antenn- grenar och inkluderar en sändare, en mottagare och ett duplexfilter, FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG.

FIG. 10 522 šóš » » u . . - ø - If illustrerar en RX-kalibrering varvid mottagargrenarna matas genom en av såndarna avstämd till mottagningsfrekvens (RX), visar en signalväg vid RX-kalibrering, visar RX-kalibreringsblockschemat inkluderande en signalkorrela- tionsmatrisberäkning, illustrerar en för-kalibrering för TX, vilken åstadkommer kalibrering av mottagningsgrenar men vid en sändningsfrekvens med en sändare avstämd till sändningsfrekvens och signalen uppdelad till alla mottagargrenar, illustrerar signalvägen vid TX för-kalibrering med duplexfiler förbikopplade i denna operation när mottagargrenarna kalibreras vid TX frekvens för att erhålla värden att subtrahera från de slutliga sändningskalibreringsresultaten, illustrerar TX-kalibrering när varje sändare avstäms till sändnings- frekvens och återkopplas till sin respektive antennmottagargren, visar signalvägen vid TX-kalibrering när sändningsfrekvenssignalen återkopplas från sändaren till varje mottagare, visar layout för TX-kalibreringsblockschemat för TX-kalibrering med varje sändare äterkopplad till sin respektive radiogren samt kovariansmatrisen för beräkning av relativ fas och amplitud för grenarna indikerade, visar signalkorrelation från alla antenngrenar sammanställd i en matris för lagring, samt 5226563 FIG. 11 är ett grundläggande flödesdiagram som illustrerar det föreliggande förfarandet för kalibrering av en adaptiv gruppantenn.

DETALJERAD BESKRIVNING I enlighet med den föreliggande uppfinningen är den föreslagna lösningen på kalibreringsproblemet att använda existerande sändare och mottagare i basstationen för att utföra kalibrering. Sändarna kommer att äterkopplas till mottagarna och därmed eliminera behovet av extra hårdvara. Antaget att varje antenngren har en realisering med en fullständig uppsättning av härdvaruutrustning (Figur 1) utförs kalibreringen i tre steg.

Steg 1: Först utförs kalibrering av mottagargren genom att avstämma en av sändarna till en mottagningsfrekvens och sändningssignalen matad vid lika effekt av en effektdelare till alla mottagningsgrenarna vilka i sin tur avslutas genom mottagningskanalisatorer. Jämförelser av mottagna signaler på en kanal-till-kanalbasis ger de sökta skillnaderna mellan mottagningsgrenar vid en mottagningsfrekvens. (Se figurerna 2 till 4). Sändningsdelen för duplexfiltren DPX förbikopplas i detta steg.

Steg 2: En för-kalibrering vid sändning utförs i vilken steg 1 upprepas, men nu med sändarna avstämda till en ordinär sändningsfrekvens. Mottagna signaler i mottagarna jämförs, vilket ger kalibreringsdata för mottagnings- grenarna vid sändningsfrekvens. Detta kommer att behövas för kalibrering av sändningsgrenarna. (Se figurerna 5 och 6). Duplexfiltren DPX är alla förbikopplade i detta steg.

Steg 3: Kalibrering av sändningsgrenar utförs slutligen genom anslutning av varje sändningsgren till en av mottagningsgrenarna pä en ett-till-ettbasís.

Jämförelse av de av mottagarna mottagna signalerna (vid sändningsfrekvens) ger kalibreringsdata för sändningsgrenarna. Notera att mottagningsgrenarna redan har kalibrerats för sändningsfrekvens i steg 2,. (Se figurerna 7 till 9).

Duplexfiltrens DPX mottagningsdel förbikopplas i detta steg. 522 565 7 Det skall emellertid noteras att i denna kalibrering är antennmatningskablar mellan duplexfilter, DPX, och antennelement inte inkluderade i den före- liggande diskuterade kalibreringsuppsättningen.

Beräkning av kalibreringsdata görs allmänt med användning av ett huvud- byggblock för adaptiva antennalgoritmer, kovariansmatrisen (Se även figur 10). En subrutin för kovariansmatrisen är till stor del en integrerad del av alla algoritmer som har att göra med adaptiv strålformning. Därför är en minimum tillagd mjukvarurealisering nödvändig för detta kalibrerings- förfarande.

Kovariansmatrisen, som är av samma storleksordning som antalet antenn- element, består av signalkorrelationsfaktorer mellan alla antenngrenar.

Därför, till exempel, genom division av egenkorrelationen för en signalväg med korskorelationen för en annan signalväg kommer att erhållas vägskillnaden mellan dessa två specifika grenar. Både amplitud och fasskillnad kommer att erhållas på detta sätt.

Figur 1 visar en koncentrerad skiss av en belysande utföringsform av en basstation som innefattar fyra antenner. De fyra antennerna är via ett respektive duplexfilter, DPX, kopplade till mottagare RX1-RX4 och sändare TX1-TX4. Mottagar-/ sändardelarna kan vidare som väl känt av fackmannen inkludera annan radioutrustning såsom filter, förstärkare, kanalisatorer och blandare.

I Figur 2 illustreras en mottagarkalibrering. De föreliggande fyra mottag- ningsgrenarna matas alla via en signaldelare från en av sändarna (TX1) avstämd till mottagningsfrekvens. Alltså är mottagningsdelen i varje duplexfilter inbegripen och kommer följaktligen att bli kalibrerad. Som indikerat i Figur 2 är de fyra antennerna lämpligen urkopplade från duplexfiltret DPX under kalibreringssekvensen för RX-vägen för att undvika att yttre signaler registreras av mottagarna. Uppställningen för mottagar- 5228 565 u~ o.. vägskalibreringen illustreras ytterligare i Figur 3, vilken mer i detalj illustrerar signalvägen. I Figur 3 anger XSW en sändaromkopplare, RSW anger en mottagaromkopplare, DPX är som förut duplexfiltret och ASW anger en antennomkopplare.

Figur 4 illustrerar kalibrering av RX-vägen med hjälp av ett enkelt blockschema som indikerar en styrenhet CU använd för att förse mottagarna RXl till RXn med signal från en vald sändare, i detta fall TX1. Från de mottagna kalibreringssignalerna beräknas en kovariansmatris.

För-kalibrering vid sändning illustreras sedan i Figur 5. Detta möjliggör kalibrering av mottagningsgrenarna men vid sändningsfrekvens. En sändare, TX1, avstäms till sändningsfrekvens och signalen delas till alla mottagningsgrenar för att erhålla en kalibrering av mottagargrenarna att användas för subtraktion från de slutliga sändningskalibreringsresultaten.

Notera att alla duplexfilter DPX är förbikopplade i denna operation. Som indikerat i Figur 5 är de fyra antennerna lämpligen urkopplade från duplex- filtret DPX även under för-kalibreringssekvensen för TX för att undvika att starka yttre signaler registreras av mottagarna. Uppställningen vid för- kalibrering för sändning illustreras ytterligare i Figur 6, vilken mera i detalj illustrerar signalvägen.

Vidare illustrerar Figur 7 sändningskalibrering när varje sändare TX1 - TX4 avstäms till sändningsfrekvens och återkopplas till sin respektive antenn- grensmottagare RX1 - RX4. Den totala signalvägen kalibreras och kalibrering av sändningsvägen görs med användning av för-kalibreringssändningsdata för mottagningsgrendelen. Som även indikerat i Figur 7 är de fyra antennerna lämpligen urkopplade från duplexfiltret DPX under kalibrerings- sekvensen för TX-vägen för att undvika att starka yttre signaler kommer att registreras av mottagarna. Liksom Figurerna 3 och 6 illustrerar Figur 8 mera i detalj signalvägen vid sändningskalibrering. Signalen på sändnings- frekvensen återkopplas från sändaren till varje mottagare. Den slutliga sändningsgrenkalibreringen erhålls som restvärdet för amplitud och fas efter 522 563 9 | | v | o « Q ~ 1» subtraktion av för-kalibreringen vid sändning erhållen från mottagargrenen (vid sändningsfrekvens) i det diskuterade för-kalibreringssteget 2 vid sändning.

Liknande Figur 4 illustreras i Figur 9 ett schematiskt blockdiagram av TX- kalibreringen i steg 3. Varje sändare återkopplas till sin respektive mottag- ningsradiogren. Kovariansmatrisen är indikerad för beräkning av relativ fas och amplitud för grenar.

Korrelationsfaktorer mellan signaler från alla antenngrenar sammanställs i en matris för lagring som illustrerat i Figur 10. Korrelationsproceduren ger en viss grad av medelvärdesbildning och brusreduktion för mera noggranna resultat. Beräkning av korrelation mellan signaler sammanfattas kort nedan.

Huvudstegen i det föreliggande kalibreringsförfarandet i enlighet med uppfinningen indikeras även i det förenklade flödesschemat enligt Figur 1 1.

Kalibreringsrealisering för digital signalprocessormiukvara I en belysande utföringsform kommer signalkorrelation att registreras för mottagnings- och sändningsantenngrenarna och sändas till styrenheten (CU) och/eller en digital signalbearbetningsenhet (DSP). Det behöver inte vara nödvändigt att beräkna de verkliga fas- och amplitudskillnaderna mellan grenar, utan snarare att använda korrelationsberäkningar direkt. Nedan beskrivs sättet detta kan realiseras.

Kalibrering - korrelation Genom beräkning av korrelationen mellan signaler detekteras enkelt fasskillnaden mellan antenngrenar. Amplitudskillnaden är också detekter- bar, men kan behöva viss förklaring. Betrakta två antenngrenar RXl och RX2 med fas- och amplitudobalans som: RXl = a, -ej'"' RX2 = az -ej'"1 ,- 522 563 10 ø - » u ø » . ~ . o | « u nu Den fullständiga korrelationsmatrisen mellan dessa två signaler beräknas som: pz, = [RXl - í = a1~ä2-ej"(°"°2)] p" = RXl-Éïl plz = p'21 = lïX-l-RXZ p" = íXï-Rxz Kovariansmatrisiustering Uttrycket ovan kan vara associerat med kovariansmatrisen för gruppantennen och signalerna som infaller mot denna vid en vinkel 61.

Betrakta en tvåelements gruppantenn med elementavstånd "I", där en (för enkelhets skull) signal infaller. Kovariansmatrisen med antennport- spänningar (V1, V2) kan skrivas: V1 = RX1-e1"2'"'°°*(°fl> V2 = Rxz - e1"2'"'°°Sf°-> V. v,- ~<| _<| ~< ~< ~'<| _'<| L.._____I C _ Rxi -ñx-T Rxz - ñïï ~ e1*2~"'1^°°"°fl> _ RX1-RX2-e-1"2""'*'°°S<°fl> Rxz - Rxz från vilken om korrekt kalibrerad vi kommer att erhålla: 1 ej~2-n-l-cos(6,-) Cflfllib = e-j-z-n-l-wflei) 1 Som kan ses ovan kunde kalibrering realiseras genom multiplikation av varje element med den motsvarande korrelationsfaktorn i enlighet med: f 522 lfióš 1 l C :__ RXl-RXI RX2-RXl canb 1 1 RXl-RX2 RX2-RX2 OI' 1 l p _"'C11 '_'C12 I C11 *lkcu C _ P11 P12 ___ P12 calib" 1 1 _ p p *C21 _.C22 P11 _l_1.C2l _1¿.C22 P21 P22 P21 P22 Följaktligen inses det enkelt att de verkliga amplitud- och fasskillnaderna inte nödvändigtvis måste beräknas. Det är tillräckligt att beräkna korrelationen mellan alla antennportarna för en viss kalibreringssignal. Det är bara en fråga om multiplicering av vart och ett av matriselementen med inversen av korrelationsmatrisens element.

Intern basstationskalibrering Samma procedur som beskrivet ovan kan användas för den interna kalibreringen av basstationen, och därmed bara byta mellan en av signalerna (RXl eller RX2) med till exempel TXl - TX4. Alltså, för kalibreringssteget l har vi: RX1=1<1-TX1 RX1- XT=1<,TX1-TYT RX2=1<2 -TX1 => RX2-TT=1<2TX1 TYT RX3=1<3 -TX1 Rxæïßkflxrïíï RX4 = 1<4 -TX1 RX4T>Ü= 1<4TX1 -Ûšï Vilket ger: :> kalibreringsdata k] = kg = Tx1-Tx1 TX1-TX1 Liknande uttryck erhålls för steg 2 och steg 3 i kalíbreringsproceduren.

Multiplikationerna i ovanstående uttryck skall ses som korrelations- operationer istället för bara multiplikationer. Resultatet kommer snarare bli en skalär än en vektor. TX1 tolkas som signalen som sänds till alla :nu o n oo n av n I I' ' - :flo .u u 1 o n a u «o n u z II'- | , »n u u: v o u o o n n I . | | » c n n . n u en o n o o 12 . . . . . . . - - ; , , . n u. u nu mottagningsgrenar RX1 - RX4. Den föreliggande notationen skall betraktas som en korrelationsoperation i ekvationen ovan snarare än en ren multiplikation.

Det kommer att inses av fackmannen att olika modifikationer och ändringar kan göra av den föreliggande uppfinningen utan att avvika från dess omfattning, vilken definieras genom de bifogade patentkraven.

Claims (9)

52213563 - v u - . 1 » o v. PATENTKRAV

1. Förfarande för kalibrering av en adaptiv gruppantenn ansluten via möjliga filter till mottagare och sändare i en radiobasstation, kännetecknat av stegen utförande av ett första steg med mottagningsgrenskalibrering genom avstämning av en av sändarna till en mottagningsfrekvens och matning av sändarsignalen till alla mottagargrenar via respektive möjliga filter i signalvägen, jämförelse av mottagna signaler på kanalbasis för att erhålla skillnader mellan mottagningsgrenar vid en mottagningsfrekvens, utförande av ett andra steg med för-kalibrering vid sändning genom avstämning av en sändare till en sändningsfrekvens och inmatning av sändningssignalen till alla mottagargrenar avstämda till sändnings- frekvensen medan respektive möjliga filter i signalvägen utesluts, utförande av ett tredje steg med sändningsgrenskalibrering genom anslutning av varje sändningsgren till en av mottagargrenarna via respektive möjliga filter i signalvägen, subtrahering av för-kalibreringen vid sändning frän sändnings- kalibreringsresultatet för att erhålla ett restvärde för amplitud och fas att jämföras på kanalbasis för att erhålla skillnader mellan sändningsgrenar vid en sändningsfrekvens, uppställande av korrelationsfaktorer mellan signaler från alla antenngrenar i en matris för realisering i en styrenhet för att erhålla en förmåga att korrigera fel i fas och amplitud för den adaptiva gruppantennen.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med urkoppling av möjliga filter från dess antennelement för att undvika influens av yttre signaler under kalibreringssekvensen.

3. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med upprepande av det första steget för alla tillgängliga mottagnings- frekvenser samt det andra och tredje steget för alla tillgängliga såndningsfrekvenser. .- 5221§63 u | ~ » » : u | .-

4. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av det ytterligare steget med användning av som styrenhet en digital signalprocessor (DSP) för beräkning av fas- och amplítudkalibreringsvärden som skall användas vid normal drift av den adaptiva gruppantennen.

5. System för kalibrering av en adaptiv gruppantenn ansluten via möjliga filter till mottagare och sändare i en radiobasstation, kännetecknat av organ för utförande av en mottagningsgrenskalibrering genom avstämning av en av sändarna till en mottagningsfrekvens och matning av sändarsignalen till alla mottagargrenar via respektive möjliga filter i signalvägen, organ för jämförelse av mottagna signaler på kanalbasis för att erhålla skillnader mellan mottagningsgrenar vid en mottagningsfrekvens, organ för utförande av en för-kalibrering vid sändning genom avstämning av en sändare till en sändningsfrekvens och inmatning av sändningssignalen till alla mottagargrenar avståmda till sändnings- frekvensen medan uteslutande respektive möjliga filter i signalvägen, utförande av ett tredje steg med sändningsgrenskalibrering genom anslutning av varje sändningsgren till en av mottagargrenarna via respektive möjliga filter i signalvägen, organ för subtrahering av för-kalibreringen vid sändning från sändningskalibreringsresultatet för att erhålla ett restvärde för amplitud och fas att jämföras på kanalbasis för att erhålla skillnader mellan sändningsgrenar vid en sändningsfrekvens, organ för uppställande av korrelationsfaktorer mellan signaler från alla antenngrenar i en matris för realisering i en styrenhet för att erhålla en förmåga att korrigera fel i fas och amplitud för den adaptiva gruppantennen.

6. System enligt krav 5, kännetecknat av ytterligare omkopplings- element för att urkoppla möjliga filter från dess antennelement för undvikande av influens av yttre signaler under kalibreringssekvensen. szgsses .nu v.

7. System enligt krav 5, kännetecknat av att en kalibreringsenhet används för att distribuera en vald sändníngssignalgren till mottagnings- grenarna för gruppantennkalibrering med användning av endast inre signalkällor.

8. System enligt krav 5, kännetecknat av att mottagnings- kalibreringen upprepas för alla tillgängliga mottagningsfrekvenser och för- kalibreringen vid sändning samt sändningskalibreringen upprepas för alla tillgängliga sändningsfrekvenser.

9. System enligt krav 5, kännetecknat av att en digital signalprocessor (DSP) används som styrenhet för beräkning av fas- och amplitudkalibreringsvärden att användas vid normal drift av den adaptiva gruppantennen.