確定空間特徵以便校準具有天線陣的通信站的方法和設備的製作方法
2023-06-13 15:57:56 3
專利名稱：確定空間特徵以便校準具有天線陣的通信站的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信系統領域，更具體而言，涉及用於校準包括天線單元陣的通信站的方法和設備。
背景技術：
智能天線系統
可將天線陣用於任何利用一個或多個天線發送或接收射頻信號的無線通信接收機或發射機或收發機(在此是指在"通信站"之下)中。在這樣一種通信站中使用天線陣比起使用單元件天線在天線性能上有改進。這些天線性能改進對於所接收的信號來說包括改進方向性，信號噪聲比，和抗幹擾度，對於所發送的信號來說包括改進方向性，安全性，和降低發射功率要求。可將天線陣只用於信號接收，只用於信號發送，或既用於信號接收又用於信號發送。
天線陣通信站的 一種典型應用是在無線通信系統中。例子包括一種蜂窩通信系統，由一個或多個通常稱為基站的通信站組成，每個與其用戶單元(也稱為遠程終端和手機)通信。在蜂窩系統中，遠程終端可以是移動的或在固定的位置，當處於固定位置時，這樣的一種系統經常被稱為無線本地環路系統。天線陣典型情況下位於基站。對於通信方向的術語來自傳統的衛星通信，用基站代替衛星。因此從遠程終端到基站的通信被稱為上行，從基站到遠程終端的通信被稱為下行。因而，基站天線陣在下行方向上發送，在上行方向上接收。也可將天線陣用於無線通信系統，以增加空分多址(SDMA)的容量，這^|_在相同的"傳統的"(FDMA， TDMA，或CDMA)信道上，每次與若干用戶通信的能力。以前我們已經公開過利用天線陣增加SDMA和非SDMA系統的譜效率的自適應智能天線處理方法(包4舌空間處理)。見共同擁有的美國專利5,515,378 " SPATIAL DIVISION MULTIPLE ACCESSWIRELESS COMMUNICATEON SYSTEM",美國專利5，592，490 "SPECTRALLYEFFICIENT HIGH CAPACTIY WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS,"美國專利5，828，658 " SPECTRALLYEFFTOENTHIGHCAPACTTY WIRELESSCOMMUNICATION SYSTEMS WTTH SPATEO-TEMPORAL PROCESSING"，和美國專利申請序號08/729,390 "METHOD AND APPARATUS FOR DECISION DIRECTEDDEMODULATION USING ANTENNA ARRAYS AND SPATIAL PROCESSING "。將利用於線陣改進通信效率和/或提供SDMA的系統有時稱為智能天線系統。利用線性空間處理作為自適應智能天線處理的智能天線通信系統，在上行通信期間，在基帶中對在天線陣元件處接收到的每個信號進行幅度和相位調節，以選擇(也就是優先接收)感興趣的信號，同時使任何不感興趣的信號或噪聲-也就是幹擾，為最小。這樣的基帶幅度和相位調節可用複數值的權來描述，即接收權，天線陣所有元件的接收權可用複數值向量，接收權向量來描述。同樣，通過調節由天線陣的每個天線發送的基帶信號的幅度和相位對下行信號進行處理。這樣的幅度和相位的控制可用複數值的權，即發送權來描述，天線陣所有元件的權可用複數值向量，發送權向量來描述。在某些系統中，接收(和/或發送)權包括時間(temporal)處理，被稱為用於空時(spatio-temporal)處理的空時參數。在這樣的情況下，接收(和/或發送)權可以是頻率的函數並應用於頻域中，或者等效地，是作為巻積核應用的時間函數。另一種方案是，如果對於被採樣的信號，每個巻積核本身可用一組複數來描述，則可將巻積核向量改寫為複數值的權向量，對於有M個天線，每個核有K個表項(entry)的情況，將是KM個表項的向量。
接收空間特徵(spatial signature)表徵基站天線陣在不存在任何幹擾或其他用戶單元的情況下是如何從特定用戶單元接收信號的。可利用不同的技術來確定用於特定用戶的接收權向量。例如，可根據空間特徵來確定。也可根據在天線陣接收到的來自該遠程用戶的上行信號，利用關於這些上行信號的某些知識，例如，所用的調製類型來確定。特定用戶的發送空間特徵表徵遠程用戶在不存在任何幹擾的情況下是如何從基站接收信號的。用於在下行與特定用戶通信的發送權向量或者根據接收權向量(見以下"對校準的需要"欄目)來確定，或者根據特定用戶的發送空間特徵和其他用戶的發送空間特徵以這樣的 一種方式確定，使得對特定用戶的能量最大和對其他用戶的能量最小。
7美國專利5，592，490 "SPECTRALLY EFFICIENT HIGH CAPACITYWIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS"描述空間特徵和它們的使用，美國專利5,828,658 " SPECTRALLY EFFiaENT HIGH CAPACITY WIRELESSCOMMUNICATEON SYSTEMS WTIH SPATIO-TEMPORAL PROCESSING"，虧1入於此作為參考，它描述利用空時特徵如何將此擴展為空時處理。
因此，當在此的描述通過空間特徵提供時，增加時間均衡以提供空時處理是容易提供的，例如，當時間處理是利用帶有K個抽頭(tap)的均衡器(也就是在權巻積函數中巻積核的長度是K)時，通過增加可由MK向量(既有上行已有下行)描述的空時特徵的概念來提供。因而，如何修改本發明以適應空時處理和空時特徵，對於本領域的技術人員來說將是清楚的，例如考慮到以上被參考並引入於此作為參考的美國專利5,828,658。因此，本領域的技術人員將理解，在任何時候使用術語空間特徵，都可認為是將本發明應用於裝備有空時處理裝置的通信站的情境內的空時特徵。
對校準的需要
對於特定的用戶來說，根據接收權向量確定發送權向量是所希望的。更一般而言，根據從該用戶接收到的信號確定適當的發送信號用於發送到特定的用戶是所希望的。對於特定的用戶來說，實際的問題可能難以根據接收權向量來確定發送權向量。頻分雙工(FDD)系統是這樣的，其中與特定遠程用戶的上行和下行通信是發生在不同的頻率上。時分雙工(TDD)系統是這樣的，其中與特定遠程用戶的上行和下行通信發生在相同的頻率但在不同的時隙中。在TDD系統中，由於眾所周知的互易原理，可以預料，根據接收權向量確定發送權向量是直截了當的。但是，在上行上，與天線陣的每個天線元件相關聯的接收電子設備(接收設備鏈)可能會使得正被處理的接收信號略微失真。接收電子設備鏈包括天線元件，電纜，濾波器，RF接收機和其他部件，物理連接，和模數轉換器("ADC"),如果處理是數字方式的話。在多元件天線陣的情況下，典型做法是，對於每個天線陣元件有單獨的接收電子設備鏈，因此，在每個天線元件處每個接收到的信號的幅度和相位由每個接收設備鏈引起的失真可能是不同的。另夕卜，在用戶單元和特定的接收天線之間的上行發生的RF傳播效應，這樣的效應包括無限度的路徑損失，衰落和陰影效應，多徑，和近場散射，這些效應可以是因天線元件的不同而各不相同的。注意，接收電子設備鏈和RF傳播效應一起組成遠程用戶的上行空間特徵。不考慮這些接收電子設備鏈
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和RF傳播效應的接收權向量將有差錯，使得在基站低於最佳接收。然而，實
際上，通信仍然是可能的。當利用接收信號的特徵的某些知識，例如，所用 的調製類型，來確定接收權向量時，這樣一種的方法已經考慮到上行接收電
子設備鏈和RF傳播效應。當通過天線陣發送下行信號時，由天線元件輻射的 每個信號通過不同的發送電子設備鏈，因此，可能在所發送的信號中引起不 同的幅移和相移。另外，還存在RF傳播效應。如果發送權向量從接收權向量 導出，不考慮在接收電子設備鏈和RF傳播中的差別，則從基站的發送可能 很難實現。如果發送權向量並不考慮發送電子設備鏈和發送RF傳播效應中 的差別，可能導致進一步的困難，可能使利用這樣的發送權向量的通信成為 不可能。
校準的目的是確定校準因數，用以補償在接收鏈和上行RF傳播的信 號中產生的不同的幅度和相位誤差，用以補償在發送鏈和下行RF傳播中 產生的不同幅度和相位誤差，在通信站中所用的校準因數用以根據從遠程 用戶接收到的信號組來確定供發送到遠程用戶的發送權向量。應該補充的 是，因為在接收和發送設備鏈中產生的相移和幅移通常是與頻率有關的， 所以通常校準因數是與頻率有關的。
在TDD系統的情況下，上行和下行RF傳播效應抵消，使得校準因數 與用戶單元的位置無關。
眾所周知，通過將由天線元件接收或發送的M個信號中的每一個與校 準函數(也就是複數值時間序列)巻積可以實現補償，其中每個校準函數 描述為補償當信號通過發送和接收設備鏈時信號經受的增益和相位誤差所 需的傳遞函數校正。在某些系統中，這可被簡化為乘法校正，其中每個校 準函數是校準因數一複數值的數，其描述為補償所需的幅度和相位校正。 一般，校準函數組限定校準向量函數，每個元件一個校準函數。在乘法校 正的情況下，校準因數組限定校準向量，每個元件一個校準因數。
根據接收權向量確定發送權向量，在FDD系統的情況下對於特定用 戶來說是比較困難的，因為可能不再可假定互易性。需要另外考慮在上行 和下行上傳播中的差別。 一旦考慮到這些差別，仍然需要確定校準因數， 用於補償在接收鏈和上行RF傳播中的信號中產生的不同幅度和相位誤差， 和補償在發送鏈和下行RF傳播中產生的不同的幅度和相位誤差。 一般， 與遠程用戶的位置無關的單個校準因數是不可能的。在這樣一種情況中， 需要能夠確定上行和下行空間特徵。在沒有可能獨立於遠程用戶位置的校正因數的情況下，當存在某些函 數關係，使得能夠根據接收到的信號和某些參數(例如，到達的角度)來 確定發送權向量供使用時，仍然需要確定一組校準函數，用於補償在接收 鏈和上行RF傳播的信號中產生的不同的幅度和相位誤差和在發送鏈和下
行RF傳播中產生的不同的幅度和相位誤差，這些函數與遠程用戶的一個 或多個參數有關，例如到達的角度。 對特徵估計的需要
當簡單的校準(如以上所定義的)不可能時，仍然需要補償在接收鏈 和上行RF傳播的信號中產生的不同的幅度和相位誤差，和在發送鏈和下 行RF傳播中產生的不同的幅度和相位誤差。特徵估計的目的是確定表徵 這些差別的上行和下行空間特徵。因此，當或者l) RF傳播效應抵消，使 得下行權可根據上行信號或權來確定，或2)存在某些簡單的RF傳播效應的 函數關係，使得上行權可根據上行信號和遠程用戶的某些參數(例如上行 信號的到達角度)來確定時，校準是特徵估計的特例。
其他方法
已知的用於確定天線陣校準的方法，每種都有一個或多個相關的缺點。 大多數已知的方法需要外部測量設備，它們可能是昂貴的，對於重複使用 來說，顯得笨重和麻煩。其次，傳統的校準方法對系統參數中的漂移敏感， 例如，在測量進行的延續時間上的頻率參考，這些漂移導致所測量的天線 陣校準的不準確。另外，某些已知技術只確定乘法校準而不是巻積核校準， 不管對校準天線陣中頻率有關分量的需要。為了消除這種頻率依賴關係， 並仍然使用乘法校準，有必要為每個通信的頻率信道校準天線陣。第三， RF電子設備的傳遞特性取決於變化的環境條件，例如溫度和溼度，這就使
重複地在它們的周圍環境中校準天線陣是必不可少的。
Harrison等在美國專利號5，274，844 (1993年12月28曰)中公開了一 種方法，用於在兩個實驗中分別校準發送和接收鏈(作為複數值向量傳 遞函數)，該實驗涉及用於將資源控制器連到遠程終端的數據總線。在第一 個實驗中，數據總線向遠程終端指示發送已知信號到基站。這就確定了接 收設備鏈的校準。在第二個實驗中，將在遠程終端接收到的信號通過數 據總線發回資源控制器，使得確定發送設備鏈的校準。
1996年8月13日授權的，並轉讓給本發明的受讓人的共同擁有的美國 專利5,546,090,公開了一種校準方法，其能夠利用與遠程終端共處一處(co-located)的簡單的轉發器(transponder)(所述轉發器將在遠程終端處 從基站接收到信號重發到基站)來確定發送和接收校準這二者，這樣的方 法並不需要Harrison等發明的有線的數據總線。但仍需要附加的轉發器設備。
PCT專利申請公開WO 95/34103(1995年12月14日出版)，標題是"ANTENNA ARRAY CALIBRATION",發明人Johannisson等，公開了 一種方法和設備， 用於校準天線陣的發送(和接收)。對於發送校準，將輸入發送信號每次輸 入到一個天線的每個天線元件。在輸入發送信號已經通過各自的功率放大 器後，通過校準網絡對每個天線元件所發送的信號進行採樣。將所得到的 信號送入接收機，並且計算裝置將接收到的信號與每個天線元件的原始發 送信號相聯繫。然後可為每個天線元件構成校正因數。可以利用校正因數 來調節天線元件(幅度和相位，或者同相I和正交Q分量)，以保證每個 元件在發送期間被正確地校準。對於接收校準，產生已知的輸入信號並利 用校準網絡(無源的分布式網絡)注入天線陣的每個天線元件。來自天線 元件的信號通過各自的低噪聲放大器，因此通過波束形成設備對每個天線 元件所接收到的信號進行測量。然後，波束形成設備可通過將被注入的信 號與所測量的信號作比較來產生校正因數，以便單獨地校準每個天線元件。 可將該校正描述為幅度和相位校正，或同相I和正交Q分量的校正。
Wachs等人的美國專利5,530,449，標題為"PHASED ARRAY ANTENNA MANAGEMENT SYSTEM AND CAIIBRATEON METHOD"(在此用"Wadns"表示)描 述一種管理系統和校準方法，用於相控陣天線，其採用在波節操作期間 進行的系統級的幅度和相位的測量，以逐個元件地確定天線的各個鏈路的 跟蹤性能。該系統和方法利用探查載波來測量各個無件鏈的幅度和相位。 根據測得的幅度和相位數據為每個鏈路確定所需的校正係數，單獨地補 償每個單獨的元件鏈以糾正幅度和相位誤差。系統在位於衛星上的相控 陣天線通信站上分別校準前向和回程鏈^備的相控陣天線。在一種實施方案 中，使用分離的遠程校準站。為了校準發送路徑，將探測信號交替地從 一個元件(參考元件)和待測元件發送到校準系統處的天線。將在該校 準站處接收到的信號比較以確定校正。將分離的通信鏈路用於提供校準 站和衛星之間的通信。在接收方向上，將遠程校準站用於向相控陣的所 有天線元件進行發送。但只有兩個元件被交替地採樣以形成校準載波。 然後將該校準載波在Ka頻段上下行傳送到網關中樞站供計算。在一種替代的實施方案中，將在衛星通信站處的本地辨向天線用於對發送天線 元件的輸出進行採樣。在這兩種實施方案中，對接收和發送路徑分別實 施校準，需要附加設備，或者是分離的遠程校準站，具有附加的鏈路， 或者是分離的辨向天線系統。Wachs系統的幾個特徵是明顯的。首先， 在分離的校準站或探測天線的形式中需要附加的硬體。其次，就該校準 而言需要使用特殊的波形，而不是原先由標準的空中接口支持的通信波 形。這意味著通信站需要附加的石更件用於形成和發送這樣的波形。校準 站需要特殊的接收/解調硬體，無法再使用標準硬體。因此，有這樣的可 能性，被適配成在無線通信系統中使用的類似Wachs的系統可能不被允 許在某些國家中運行。
因此，這些已知的方法為接收和發送路徑分別提供校準。這些方法需 要專門的校準設備。某些已知的方法和系統使用專門的波形，因而需要附 加的^5更件來處理這樣的波形，並且也不符合任何已建立的空中接口標準， 所以面臨著不被允許在某些國家中運行的風險。將那些也為基站天線元件 和用戶單元之間的不同空中^ 各徑進行校準的已知系統更適當地歸類為在此 所採用的校準定義下的空間特徵估計技術。
Parish等在共同擁有的美國專利申請08/948,772 "METHOD AND APPARATUS FOR CALIBRATING A WIRELESS GOMMUNICATIDN STATEON HAVING AN ANTENNA ARRAY"中，描述了一種校準方法，用於帶有天線元 件陣的基站，它不需要任何附加的校準設備。 一方面包括利用天線元件的 發送電子設備，從每個天線元件發送規定的信號，同時在至少一個與該天 線無關聯的接收機電子設備鏈中接收所發送的信號。將這個過程重複，利 用其他的發送設備鏈從其他的天線元件發送規定的信號，直到所規定的信 號已經從需要校準因數的所有的天線元件發送為止。用於每個天線元件的 校準因數根據相關聯的發送電子設備鏈和接收電子設備鏈傳遞函數來確 定。當下行和上行通信發生在相同頻率的信道中時，對於任何天線元件確 定單個校準因數。在Parish等的發明的一種版本中，單個校準因數在相位
上是與特定天線元件相關聯的發送設備鏈傳遞函數的相位與接收設備鏈傳 遞函數的相位之間的差的函數。在Parish等的發明的另一方面中，將這 樣確定的校準因數用於根據一 組接收權確定一組發送權。
雖然Parish等的發明能夠為基站確定單組的校準因數，其使得在不 需要某些附加設備(如轉發器)的情況下能夠根據上行的權組確定下行的
12權組，並校準基站電子設備路徑中的差別，Parish等的方法不可能適合於 估計空間特徵，以便處理可能發生的RF傳播路徑差別。另外，為了實施 校準試驗，基站需要進入空間校準模式，因此在此期間不可能被用於任 何其他目的。
在現有技術中也沒有提到通過組合來自多個遠程收發機的測量進行校 準的能力。
期望的特徵
校準過程的主要目的是為基站取得校準信息。這可包含測量上行和下 行信道之間的增益和相位差。在這個步驟期間準確性和高精度是十分重要 的。如果校準信息不準確，那麼在下行上的波束型式將會嚴重畸變。將較 少的能量朝目標用戶輻射，將過多的幹擾朝向共信道用戶輻射。這將對下 行信號質量和下行範圍有負面的影響。最終， 一個壞的校準策略可能大大 地降低無線網的容量。
校準方法的 一 個期望的特徵是為校準只需要一 個基站和 一 個用戶單 元，不需要另外的設備，如信號發生器，轉發器，校準站，附加的天線， 探測器，或其他的設備。這樣的系統理想情況下應該能夠校準接收和發送 電子設備中的差別。這些系統也應該使用通常的通信波形，所述通信波形 基本上符合它們於其中運行的無線通信系統的特定空中接口標準。這就能 再使用標準石更件，並且也保證不違背標準，並且保持與對標準的任何進一 步修改的兼容性。我們用"符合空中接口標準"的意思是符合空中接口的 信道結構和調製，其中"信道結構"在FDMA的情況下是頻率隙，在TDMA 的情況下是時間和頻率隙，在CDMA的情況下是碼信道，"調製"是在該標 準中所規定的特定的調製方案。
另一個期望的特徵是該方法可用於特徵估計，以便也計算出RF路徑 中的差別。
校準方法的另一個期望的特徵是容易使用，能夠快速地，頻繁地實施 校準，甚至例如，頻繁到一分鐘若千次。這最終增加下行的處理準確度， 這對信號質量，容量，覆蓋，和可能的其他參數有深遠的影響。 校準方法的另 一個期望的特徵是每個用戶單元支持校準。 就校準系統而言另 一個期望的特徵是能夠在用戶單元內針對校準實施 某些或全部對接收數據的處理，因此不需要用戶單元將接收到的數據送回 到基站並且不需要基站實施全部的處理。因而通過將負載"分配"到智能
13用戶單元，可大大地降低基站的計算負擔。這個特徵是特別希望的，例如， 對於服務許多用戶單元的基站，或在每次呼叫以前校準，或在每次呼叫期 間甚至有若干次的校準。
另 一 個期望的特徵是能夠在基站上任何可用的傳統信道上啟動校準，
例如，FDMA/TDMA系統的任何載波和任何時隙。這種特徵增強靈活性，因 為可以選擇在使用時刻可得到的任何時隙和任何載波。
就校準方法而言另 一 個期望的特徵是能夠在不是必須讓基站為校準脫 機的情況下對基站進行校準，因而能夠在基站服務於成百個呼叫的同時使 基站校準得以實施，例如，在FDMA/TDMA/SDMA系統中其他載波(頻隙) /時隙/空間信道上進行。這種特徵對於同時服務於許多傳統信道(例如， 對於FDMA/TDMA系統的載波)的寬帶基站特別重要。
就校準方法而言另 一 種期望的特徵是能夠實施快速校準，甚至在 一 個 現有呼叫期間進行若干次。
就校準方法而言另 一個期望的特徵是在進行中的呼叫期間能夠以無接 縫的方式實施校準，使得基站能夠在若干呼叫期間連續地校準自己。
就校準方法而言另 一個期望的特徵是能夠通過組合測量利用幾個遠程 收發機來實施校準，其中的每一個可能是只見到通信站天線陣的一個子集， 或者其中的每一個可能面對不同的幹擾環境。
就校準方法而言另 一個期望的特徵是能夠確定是否校準是準確的，例 如通過實施統計測量，連同能夠將這樣的信息反饋到通信站以確定，是否 從幾個遠程站進行組合是必要的。
另 一個期望的特徵是高準確性，以及對在典型情況下與廉價的用戶單 元通信中可能發生的頻率偏置，定時不一致，I/Q失配，和相位噪聲的抵 抗能力。
因此，對於包括所有或大多數以上特徵的校準方法和設備，在技術 上仍然有需要。例如，需要一種系統和方法，它是準確的並且無論就必 要的設備還是所需的時間來說都是簡單的，以致校準能夠被在所期望的 無論何地，無論何時，重複地，快速地實施。在技術上也需要一種簡單 的校準技術，它只利用現有的基站電子設備，並不需要專門的校準硬體。 在技術上也需要一種方法，能夠根據接收權向量確定發送權向量，包括 對接收電子設備和發送電子設備的校準，利用簡單技術來獲得校準，所 述簡單技術使用現有的基站和用戶單元電子設備，並不需要專門的校準硬體。
因此，在技術上仍需要高效率的方法，以確定上行空間特徵，用於校
正在上行RF路徑和接收電子設備中的差別，和確定下行空間特徵，用於 校正在下行RF路徑和發送電子設備中的差別。
發明內容
本發明的一個特徵是能夠校準具有天線陣的通信站在電子設備路徑中 的差別，所述校準只利用通信站和用戶單元。
本發明的另 一 個特徵是提供能夠利用已校準的發送權向量的校準，發 送權向量本質上根據接收權向量來確定，所述校準考慮了電子設備路徑中 的差別。
本發明的另 一個特徵是確定能夠利用已校準的發送權向量的空間特 徵，發送權向量本質上根據接收權向量來確定，所述校準考慮了電子設備 路徑和RF傳播3備徑中的差別。
本發明的另 一個特徵是能夠確定與通信站通信的用戶單元的上行空間 特徵，所述確定只利用通信站和用戶單元。
本發明的另 一個特徵是能夠確定與通信站通信的用戶單元的下行空間 特徵，所述確定只利用通信站和用戶單元。
還是本發明的另 一個特徵是校準具有天線陣的通信站，校準容易並且 對於那些當前不被校準的傳統信道，未使通信站脫離空中接口 。
還是本發明的另 一個特徵是校準具有天線陣的通信站，校準能夠部分 地或全部地在用戶單元上^皮實施。
還是本發明的另 一個特徵是校準通信站，該校準方法提供高準確度， 並對典型情況下與廉價的用戶單元通信中可能發生的頻率偏移，定時不一 致，1/Q失配，和相位噪聲有抵抗能力。
本發明的另一個特徵是提供一種校準方法和設備，能夠容易地在射頻 系統中被實施並使執行經常的和日常例行的系統校準切實可行。校準能夠 使用已校準的發送權向量，該發送權向量本質上根據接收權向量來確定， 校準包括校正在電子設備路徑中的差別和RF傳播效應中的差別。
還是另 一個特徵是能夠快速校準，甚至在現有呼叫期間進行若干次。
還有另 一個特徵是在進行中的呼叫期間能夠以一種無縫的方式實施校 準以使得通信站能夠在特定的呼叫期間連續地校準自己。
還是另一個特徵是能夠通過組合測量利用幾個遠程收發機實施校準，其中每一個可能只"看見"通信站的天線陣的一個子集，或者其中的每一 個可能面對不同的幹擾環境。
還是另一個特徵是能夠確定是否校準是準確的，例如，通過實施統計 測量，以及能夠將這樣的信息反饋到通信站以確定，例如，是否從若干個 遠程站進行組合是必要的。
通過閱讀在此以下所提供的本發明的優選實施方案詳述，這些和其他 的特徵將更為清楚。
從本發明的優選的和某些替代的實施方案的詳述將會更充分的理解本 發明，然而，不應該將本發明限於任何特定的實施方案，它們只是用於解 釋和更好的理解而已。藉助於以下的圖依次解釋這些實施方案。
圖l示出在基站上的上行和下行信號流；
圖2示出將上行和下行信道分解為"傳播"和"電子"的因數；
圖3示出一種典型的TDD系統的幀結構；
圖4示出接收信號處理器和上行權的計算；
圖5示出上行和下行信號路徑之間的對稱性；
圖6示出發送權發生器的內部結構；
圖7示出校準期間的協議順序；
圖8示出將6元件圓形陣分解為2元件子陣；
圖9示出在基站處的上行特徵估計；
圖IO示出在用戶單元處的下行特徵估計；
圖11示出用於利用正常的TCH脈衝串穿插的校準脈衝串實現下行特 徵確定的 一種方法的 一種實施方案的流程圖13示出用於下行特徵估計的兩天線元件實施方案的測試結果；
圖14示出用於利用單發射機和天線元件進行下行特徵估計的方法 的一種實施方案的測試結果；和
圖15示出利用單發射機和天線元件，但與用於得到圖14的結果不同 的頻率組，進行下行特徵估計的方法的 一種實施方案的測試結果。
具4本實施方式
對附圖標記的註解
在附圖標記中的頭一個或兩個數字指示附圖標記首先在哪個圖上被引入。在100和199之間的附圖標記首先在圖1 #皮引入，在200和299之間的 附圖標記首先在圖2中被引入，依次類推。例如，附圖標記lll首先在圖 1中被引入，909首先在圖9中被引入，1009首先在圖10中被引入，I2" 首先在圖12中被引入。 一般系統描述
本發明優選地在無線蜂窩通信系統中實施，該系統包括具有多重天線 陣的基站(也就是，收發機，通信站)，利用智能天線技術供上行或下行 或兩者通信。優選實施方案是在利用個人手持電話(PHS)空中接口通 信協議運行的系統中進行的。兩種實施方案 一種是用戶單元在位置上是 固定的，另一種是用戶單元可以是移動的。以上提到的，引入於此作為參 考的共同擁有的美國專利申請08/729,390詳細描述了移動系統基站的硬二 件，基站優選地具有四個天線單元。雖然本發明對於移動和固定的用戶單 元的狀況都是有用的，但是在此被提供的詳細情況是對於將本發明引入帶 有固定位置的用戶單元的系統而言的。固定位置的無線系統有時被稱為無線 本地環路(WLL)系統。本發明的某些方面被引入的一種WIX基站被描# 美國專利申請09/020,049 "POWER CONTROL wnHSEGNALQUAUlYESIlMATION FORSMMTANIENNAGOMMDMCAIIONSYSTEMS"中，引入於此作為參考，而 供在這樣一種WLL系統中使用的用戶單元被描述在美國專利申請08/907,594 "METHOD AND SYSTEM FOR RAPID INITIAL CONTROL SIGNAL DETECTION IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM"中，在以上被參 考的美國專利申請09/020,049中所描述的WLL基站包括SDMA，並可擁有任何 數量的天線元件，在此所描述的許多模擬將假定是六天線陣。對於本領域的 技術人員將很清楚的是，本發明可在任何基於智能天線的系統中實施，利 用帶有就每個傳統信道而言的一個或多個空間信道的任何空中接口，並具 有移動的，固定的，或移動的和固定的用戶單元的組合。這樣的系統可以 是模擬的或是數字的，並可利用頻分多址(FDMA),碼分多址(CDMA)，或時 分多址(1DMA)技術，後者通常與FDMA組合(TDMA/FDMA)。
注意，雖然優選實施方案將本發明應用到具有基站(每個基站具有用 戶單元)的無線通信系統中，本發明也適用於從一個無線電站到另一無線 電站的對等通信。並沒有內在的需要來限定基站或用戶單元的概念，如何 修改本描述使適合對等情況對本領域的技術人員是清楚的。因此，雖然本 發明被描述為在通信站和用戶單元中實施，在本文中的通信站可以是任何
17裝有天線陣的無線電收發機，用戶單元可以是任何遠離裝有天線陣的收發 機的其他無線電收發機，並能夠利用某種調製方案與裝有天線陣的收發機 通信。雖然優選實施方案描述了這樣的基站，其具有既用於上行(接收) 處理又用於下行(發送)處理的單個天線陣，利用在上行和下行上進行自 適應智能天線處理的裝置，本發明也適用於這樣的基站，其只具有供發送 處理的天線陣，也適用於這樣的基站，其對上行處理和下行處理使用單獨 的天線陣。當單天線僅用於接收信號時，校準因數就是下行特徵，這是因 為所有接收到的信號通過相同的接收電子設備鏈。很清楚天線的"數量" 就是"有效的(active)"天線的數量，也就是，用於通信的天線的數量。 雖然在此所描述的實施方案中校準旨在用在自適應智能天線處理中， 但是校準可用於任何其他目的，以致裝有天線陣的收發機甚至不需要包括 用於自適應智能天線處理的裝置。
流。基站101包括天線元件陣105。基站與一個或多個用戶單元，如用戶單 元141和用戶單元143通信。在優選實施方案中，基站具有單個天線元件 陣，既用於接收又用於發送，所以使用接收/發送單元107。對於頻域，雙 工單元107是頻率雙工器，對於時域，如優選實施方案中所用的那衝羊，雙 工單元107是開關。在下行上，來自用戶單元的信號在天線陣被接收。那 些信號106通過被設置到接收位置的開關107，而這些信號通過接收RF電 子設備109。在本說明書中，所有接收RF電子設備的特徵，包括所有的電 纜和開關特徵及RF接收機，和其他接收^各徑的特徵全糹皮組合在一起。接 收RF電子單元109將RF信號轉換為基帶信號110。在優選實施方案中， 接收RF電子單元109包括模擬RF部件，包括模擬下變頻，模擬數字轉換 器，和數字下變換器部件以產生數字基帶天線信號110，這些基帶接收到 的天線信號被接收信號處理器111處理，產生從特定用戶單元，例如用戶 單元141,接收到的信號。接收信號處理器包括以最佳方式確定複數值(同 相I和正交Q)天線信號的加權和，其中加權是在幅度和相位中進行，其 中所述的最佳的意思是所期望的信號成分被最大量地增強，不希望的成分 被最大量地抑制。
通過鎖定在已知的訓練序列上，或利用某種決策引導(decision directed)的技術，或者"盲目地(blindly)"利用信號中某種其他的特殊結 構來計算複數值接收權。 一般，為了實施上行(也就是接收)權的計算，20091000 並非一定要了解接收電子設備的相位和幅度關係。對於這些權如何被計算
的更詳細情況見以下和以上參考過的共同擁有的美國專利申請08/729,390 ， 提交日期為1996年10月11日。
圖1示出基站接收機部分的輸出是帶有指向網絡接口單元(NIU)的 信號的數據或話音113的情形。因此如圖1中所示，接收信號處理器111 也包括所有的解調功能。
在下行，基站從圖1被標記為121的NIU接收話音/數據。信號被 按照系統的技術規格進行調製。發送信號處理器123包括分配的已調基帶 信號的複數值加權的複製124 (根據一組複數值發送權進行加權)，加權的 發送天線信號被送到發送RF電子單元125,產生一組RF發送信號127, 目的地是天線陣105的每個天線元件的一個信號。這些RF天線信號被通過 設置在發送位置的TX/RX開關107送到相應的天線陣元件。發送權被選取， 使得天線陣朝特定的用戶單元("波束形成")輻射大部分的能量，朝同信 道的用戶發送最少的能量("空置")。在優選實施方案中，發送權組118 直接根據由接收信號處理器111所產生的接收權組115來計算，計算是由 發送權發生器117實時進行的。然而，在此計算期間，發送權發生器117 必須考慮上行和下行傳播信道之間的增益和相位差，其中信道既包括來自 和到達用戶單元的空中i 各徑，又包括在接收RF電子設備內和也在發送RF 電子設備內不同信號部件之間的變化。在優選實施方案中，這種信息被以 校準向量133的形式存儲在校準存儲單元131中，正如將在以下要描述的 那樣。確定這種校準信息是本發明的主要目的。
上行和下行信號路徑描述
在本說明書中，在基站天線陣105中的元件數將標記為M。因此，在 上行上有M個來自用戶單元的信號路徑，接收信號處理器111的M個輸入 中每個輸入對應一條信號路徑。同樣，在下行上，有M個信號路徑，從發 送信號處理器123的M個輸入中每個輸入到用戶單元對應一條信號路徑。 這些信號路徑中每一個在此用表徵基帶信號的相位和幅度畸變的複數值數 來描述。作為一種緊湊的表示法，在本描述中，上行和下行信道的數學上 分別用標記為a^和^的M維複數值向量來描述，其中M是基站天線陣 105中的元件數，在向量中的每個元素代表與陣105中天線元件中的一個 元件相關聯的路徑。當來自(或到達)遠程用戶單元和各個天線元件(延 時擴展)的傳播時間上的差別遠小於利用數字調製方案的系統(如優選實
19施方案的系統)的符號周期時，這樣的描述尤期準確。向量& 和&&可被 分別認為是用戶單元和此基站的(非標準化的)上行空間特徵和下行空 間特徵。
整個說明書中，上行和下行特徵，上行和下行權，將全在基帶中描述。 對於本領域的技術人員將是清楚的，自適應智能天線處理，包括在幅度和 相位中的任何加權，可交替地在某個其他頻段中實施，例如，在中頻或通 帶中。在這樣的情況下，特徵和所有其組分同樣將在該頻段中限定。
本發明的主要目的是校準基站。假定在上行和下行上的RF傳播相同， 單個用戶單元可與它的基站一起進行校準。這也將很清楚，本方法能夠針
對任何用戶單元分別確定上行和下行特徵。利用這種方法這樣 一 些數據可 容易獲得，使我們能夠為任何(甚至每個)活動的用戶單元取得完全的特 徵信息。因此，除了通過利用用戶單元之一進行簡單的校準試驗來校準基 站以外，本方法能夠為任何用戶單元確定用戶有關的上行和下行特徵，這 些特徵包括在基站硬體中電子信號路徑的影響，和用戶單元的上行和下行 電子信號路徑之間的任何差別。當去往和來自用戶單元的RF傳播不同時， 利用這樣的信息為每個用戶單無確定單獨的校準。
另 一種用法是用於校準基站，但不是利用基站和單個用戶單元獲得單 個校準向量，而是利用若干用戶單元來確定單個校準向量。在一種實施方 案中，單個校準向量是平均校準向量。在另一種實施方案中，是加權的平
均校準向量。為利用特定用戶單元進行估計給出的權重取決於由該用戶單 元接收到的信號質量的量度，以使得來自具有較好質量的用戶單元的估計 信號在加權平均中權重更高。 一種用於確定信號質量的方法和設備被公開 在以上參考過的U.S.專利申請09/020,049中。現在描述信號質量估計方法 的實施方案。
用N來標記估計所用的脈衝串的樣本數。首先通過組成同相和正交接 收信號的平方和來提取採樣的模信息。然後利用採樣數平均進行期望值運 算來確定平均功率和均方功率。
/ 2-丄》2(0 + (2-(0,
和注意， 一旦瞬時功率R"t)二I、t) + Q、t)被確定，確定平方功率R4(0 =[R力)]2隻需要對每個樣本進行單次的附加乘法，所估計的信號對幹擾加噪 聲之比(SINR)被確定為信號質量估計，優選地利用至少一個平方根運算， 利用
這種優選的信號質量估計方法對頻偏不敏感，所以用於CM方法是特
別有吸引力的方法，CM方法也對頻偏不敏感。
在替代的實施方案中，可以利用幾種確定校準向量的某個其他的函數
來獲得單個校準向量估計，例如，從每個校準向量只取好的元件質量估計， 然後將所有的子集組合得到一個高質量的校準向量。
注意，在以下的描述中，在不同的信號路徑中發生的相位和幅度畸變 分別用單個複數值數的幅度和相位來描述，所以對於1對M或M對1的系統 用M維複數^直向量來描述。對於FDMA或FDMA/TDMA系統，對於每個載波 (每個頻段)可能需要不同的複數來描述相位和幅度畸變。
也注意到，通常雖然電子設備可通過簡單的相位和幅度因數來適當地 描述，但是在載波的每個頻段內的RF傳播部分不適合用複數來描述，而 適合於用傳遞函數來描述。甚至在這樣的情況下，利用上行和下行之間RF 路徑中的互易性，當用於校準時，傳遞函數抵消，所以一個複數適當地描
R4/ R2 之比和量A有時祐_稱為峰態(kurtosis)o
21述針對一個天線的上行-下行信號路徑的校準， 一個複數值M維校準向量 是適當的。
有時，甚至通過接收機電子設備或發送電子設備或兩者的信號路徑並 不適合用複數來描述，而是由傳遞函數來描述。在一種替代的實施方案中， 考慮到了這點，所以，對於基帶信號而言每個上行和每個下行信號路徑用 複數值傳遞函數來描述。如何將在此描述的實施方案延伸到考慮一組頻率 而不是頻率無關的(在載波頻段內)相位和幅度基帶信號路徑的描述，對 於本領域的技術人員將是清楚的，本發明的範圍無疑包括這樣的延伸。
圖2示出上行和下行信道描述如何用以下的方式進一步在數學上^皮分 解為"傳播"和"電子設備"因數之積。在每個基站天線元件(105中的 元件)和用戶單元的天線205之間，存在複數值的數，其描述由於在上行 和下行的上RF傳播效應，在基帶信號中產生的相位和幅度畸變。這樣的 傳播效應包括無限度的路徑損失，衰落和陰影效應，多徑，和近場散射。 對於上行和下行中每一個，M這樣的數可被組合為M維複數值向量。分別將
grx和gtx定義為上行和下行的這些向量。在此gnc和g"被稱為傳播因數。在
一種典型的低移動性的環境中，在若干幀內(也就是幾十到幾百微秒的時 間內)傳播因數保持恆定。
同樣，存在著一個複數值數，其描述在天線陣105的元件和接收信號 處理器111的相應的輸出端之間的接收電子設備引起的，在基帶信號中產 生的相位和幅度畸變，和另一個複數值數，其描述在發送信號處理器123 的輸入端和天線陣105的相應的元件之間的發送電子設備鏈中基帶信號內 發生的相位和幅度畸變。這些電子設備鏈相位和幅度畸變包括由於電纜損 耗，不完善的物理連接，在各種有源的接收或發送RF電子設備的增益變 化，在RF電子設備中所包括的特定部件，例如，表面聲波(SAW)濾波 器和其他部件中群延時所產生的那些相位和幅度畸變。如果基站硬體是 穩定的，則電子因數在被延伸的時間周期上(若干分鐘，小時或天)保持 恆定。對於每個發送和接收電子設備鏈，有M個基於電子設備的因數。對於 每個方向，這些因數可被組合為M維複數值向量。將接收電子設備因數向 量、定義為M個接收電子設備鏈的畸變向量，將發送電子設備因數向量 e^定義為M個發送電子設備鏈的畸變組。
在圖2中，上行傳播因數向量g^被表示為211,上行電子設備因數向 量e^被表示為215,而下行電子設備因數向量e^被表示為217,和下行傳播因數向量gtx被表示為219。
對於每個方向每個天線元件，這些因數的乘法特性在數學上可表達為
arx=grx erx
atx—gtx etx
其中《表示逐元素積(elementwise product)(也就是Hadamard積)。 該優選實施方案系統是頻分多址/時分多址(FDMA/TDMA)系統，其中 每個傳統信道是頻率信道中的一個時隙(對於FDMA/TDMA系統，在此頻率 信道被稱為"載波")。特別地，時間被劃分為時隙幀，這樣的幀被示為圖 3中的301。優選實施方案的幀301包括8個時隙。按次序，在圖3中有4 個標記為0到3的接收時隙(項305， 307, 309和311)，後面是4個標記 為0到3的發送時隙(項315， 317， 319和321)。因此，在優選實施方案 中，上行和下行因數被在順序的接收和發送時隙上測量，這些時隙被相對 短的時間間隔分開。因而，根據互易原理，有理由,支定上行和下行傳播因 數是相同的。
在FDD系統中，上行和下行傳播因數之間的關係可能是比較複雜的，但 仍然可被確定。 上行權的計算
在該優選實施方案中，上行權由接收信號處理器111在基站101計算。上 行權通過複數值M維複數值接收權向量(也稱為上行權向量)115來概括， 在此標記為Wra，它的每個元素描述在基帶接收信號的幅度和相位中的加權。 採用加權的結果產生來自特定的用戶單元的基帶信號。參考圖l，從天線元 件接收到的信號106被接收RF電子設備單元10S)數位化並轉換為基帶。圖4 示出接收信號處理單元111的優選實施方案(通過編程)，包括接收(上 行)權的計算。接收信號處理器lll首先執行帶通濾波並補償頻偏，定時 偏移，I/Q失配，和其他可能的畸變。這些操作共同被標記為"預處理"， 並在圖4中用403表示的預處理器中實施。
在下 一個步驟中，通過利用適當的空間處理和解調技術根據已預處理 的接收信號405組估計所發送的符號序列411。參考圖4，通過接收(上 行)權向量115所描述的一組接收權在幅度和相位中的加權，由空間處理 器407來確定來自特定的期望用戶單元的信號的估計。
注意，本發明也包含用包括時間均衡的空時處理器代替空間處理器
23407。利用空時處理，加權由時域中的巻積運算，或者等效地，頻域中的乘法 來代替。巻積通常是有限的，對所採樣的數據進行，所以等效於將空間處 理與利用帶有有效數量均衡器抽頭的時域均衡器的時間均衡組合。也就是， 用有限數量的值來代替在權向量中的每個權。如果每個巻積函數的長度是
K,那麼不是確定複數值M權向量W^，而是確定複數值M乘K矩陣Wra。 注意，按照權矩陣，通過用不同規模的矩陣和向量將問題重新表達， 空間權確定方法可容易被修改為用於空時處理。因為在整個說明書中，令 M是天線元件數，N是樣本數。令K是每個天線元件的時間均衡器抽頭數。 一組接收到的信號樣本可被寫為行向量矩陣，每個行向量代表來自單個天 線的單獨樣本。於是所有的信號樣本可用(MXN)接收信號矩陣來表示。 為了適應空時處理，(MXN)接收信號矩陣的N個樣本的每個行向量可被 改寫為K行的第一行移位版本，產生規模為(MKXN)的接收信號矩陣，通 過規模為(MKX1)的權向量的Hermkkn轉置(也就是復共軛轉置)對其 進行預乘，產生所估計的N個樣本的接收信號行向量。因此，空時問題已 被重新表達為權向量的確定問題。例如，對於基於協方差的方法，權向量 是規模為(MKX1)的"長"權向量。重新安排"長"權向量中的項提供所 要的(MXK)權矩陣。因而，雖然本描述在此是依據權和空間處理進行的，
但其範圍意在包括空時處理。
再次參考圖4和處理器407，首先利用上行權向量115的估計，例如 來自先前幀的值。然後，信號估計408被解調器和參考信號發生器411解 調，以產生所發送的符號序列412的估計，然後進一步由較高等級的處理 單元413處理，產生話音或數據信號113，所述信號被發送到網絡接口單元 (未示出)。除了產生符號序列412外，解調和參考信號發生器411也產 生參考信號410，它是由被估計的符號調製的已調信號並具有依據所用的 特定調製協議的正確信號結構。該參考信號，和已預處理的接收信號組405 一起由權向量發生器409用於產生接收權向量115較好的估計。權向量發 生器409實現確定權向量的最佳方法，其使權向量的目標函數為最小，目 標函數包括利用權向量，通過對參考信號410的信號複製空間處理操作產 生的信號偏離的量度。在優選實施方案中，目標函數也包括限制權向量幅 度的項。然後，從權向量發生器409獲得的下一個權向量的估計可由信號 複製操作407使用，也可由發送權發生器117使用。對於本發明的方法優 選實施於其上的基站結構方面的更多細節，見以上參考過的美國專利申請09/020,049。對於上行權向量計算的進一步的細節，見以上參考過的美國 專利申請08/729,390和美國專利申請S/N09/153，110 " METHOD FOR REFERENCE SIGNAL GENERATION IN THE PRESENCE OF FREQUENCY ORSEIS IN AGOMMUMCATEONSSTATIONWITH SPATIAL PROCESSING "。 下行權計算
下行權118可被表達為M維的複數值權向量Wtx (稱為發送權向量， 也稱為下行權向量)。在優選實施方案中，下行權可直接根據上行權計算。 上行和下行信號路徑的對稱性被利用。示於圖5A (上行)和5B (下行)
中的這種對稱性，可被表達如下
1. 在由用戶單元發送的已調基帶信號(用503表示)和後空間處理 (也就是解復用)信號(例如，參考圖4，參考信號"0)之間的標量"信
道"(在基帶中)的脈衝響應基本上與從基站發送的預空間處理標量基帶 信號507對在用戶單元上接收到的基帶信號509的相反方向的脈衝響應相 同。在數學上，這種對稱性可被敘述為上行和下行權向量基本上滿足等式
w Ax乂t入 (3)
2. 對於從相同的用戶單元接收和向相同的用戶單元發送(f支定用戶 單元使用相同的天線進行接收和發送)，在上行和下行上天線陣的波束型 式應該是基本上相同的。在互易性條件(&7gJ基本保持的情況下，這意 味著權向量應該基本上滿足
W e —W e (4)
其中》表示逐元素積(也就是Hadamard積)。注意，一^:天線陣的波 束型式取決於權向量，以及RF電子設備的傳遞函數。
等式(3)對於Wtx有許多解，而等式(4)只有一個解
vv tx= vv rx ^rx" tx \"乂
其中0表示逐元素除，因此，控制發送權產生的主要等式由下式給出
C, (6) 其中校準向量133 (標記為C)被定義為 C=erx0ett (7)2009
發送權發生器117的內部結構被示於圖6中。為了產生發送權向量118 的元素，相應的校準向量133的元素通過利用逐元素乘過程603乘以接 收權向量115的相應的元素。
校準過程
校準過程的主要目的是為基站和支持校準過程的用戶單元之一確定校 準向量133。不需要附加的校準設備，如轉發器，信號發生器，或測量網 絡。在典型的TDD系統中，校準過程包括以下步驟
1. 與適當的用戶單元建立連接；
2. 估計上行信道空間特徵aj
3. 估計下行信道空間特徵aj
4. 假定互易性，計算校準向量113為
C=atx0atx=erx0etx; (8)
5. 終止與用戶單元的連接。
很清楚，為了確定校準函數，並不需要明顯地顯示或存儲上行和下行 特徵(步驟2和3以上)，代替的是可以直接進行到步驟4，其中根據與上 行和下行特徵相關的中間量來計算校準函數。對於本發明的用途，根據這 些中間量計算校準函數是等效於根據上行和下行特徵計算校準函數。
在當前的實現優選實施方案的WLL系統中，每個用戶單元能夠支持校 準方法。然而，為了使信號噪聲比最大，通常推薦選擇靠近基站的用戶單 元。校準呼叫可以在任何載波和任何時隙上發起，同時基站正在其他的載 波和時隙上服務於標準業務信道(TCH)呼叫。
注意到，雖然在此的描述是用於通過與用戶單元通信的基站而發生校 準，但是很清楚該範圍包括與執行在此所描述的功能而不必執行任何其他 功能(例如典型的用戶單元執行的典型的功能)的專用收發機通信的基站。 例如，可以利用包括在用戶單元中的硬體和軟體的子集實現校準。
注意到，優選實施方案利用一種通信是按脈衝串(burst)進行的系 統。因此，在此的描述利用術語"脈衝串"，所用的術語如業務脈衝串， 校準脈衝串等。在本發明無疑不限於脈衝串式的系統。 一般與"脈衝串" 等效的術語，既適用於脈衝串式又適用於在此所用的非脈衝串式的系統 (在此是"波形")，因此，"校準波形"對於脈衝串式的系統是校準脈衝 串，"業務波形"對於脈衝串式的系統是業務(或TCH)脈衝串，等等。
圖7示出一種典型的協議，包括依據本發明的內容的校準呼叫。不
26同的協議可被設計成用於其他的實施方案。序列的次序是從頂到底。箭
頭的方向指示通信的方向。協議以標準的呼叫建立步驟703開始，包括 從基站到用戶單元的尋呼(paging)呼叫711，從用戶單元到基站的連接 信道請求713,在步驟715中得到發送到用戶的連接信道分配。然後在上 行(""7)，接著在下行("9)上發送同步("SYNCH")脈衝串。最後， 在步驟721，尋呼響應被發送到基站。對於協議的校準脈衝串階段705， 用戶單元發送第一上行校準脈衝串或多個脈衝串(723)，使得基站可以 估計上行信道。緊接此後，在步驟725,基站發送第一下行校準脈衝串
(或多個脈衝串)，使得用戶單元可以估計下行信道。
注意到，在優選實施方案中，校準脈衝串是符合特定的空中接口標準
(在這種情況下，是PHS標準)的校準波形。"符合空中接口標準"，我們 的意思是符合空中接口的信道結構和調製，其中"信道結構"在FDMA的 情況下是頻率隙，在TDMA的情況下是時間和頻率隙，或者在CDMA的情況 下是碼信道，"調製"是，例如，在PHS的情況下是7t /4-DQPSK,或者在GSM 的情況下是GMSK，等等。在此以下所描述的兩音調和多音調校準方法中，校 準波形包括兩個或更多波形之和，每個符合PHS空中接口標準。因為這樣 的和自然地發生在利用頻率重用的多用戶通信系統中，所以符合空中接口 標準的波形之和也認為符合用於本描述的空中接口標準。
雖然一種實施方案將同時校準整個天線陣，在優選實施方案中，考慮
的不是M個天線元件的整個陣，而是陣的子陣，每個少於M個元件，並 獨立地校準每個子陣。在這種優選實施方案中，可能需要一個或多個附加 的上行校準脈衝串和一個或多個附加的下行校準脈衝串。每個脈衝串用於 每個附加的子陣，在圖7中分別用虛線727和729示出這些附加的步驟。 注意到，雖然只有一個下行和一個上行附加步驟#1用虛線示出，但應該理 解，這表示與待校準的附加子陣一樣多的附加脈衝串。
在該特定的實施方案中，天線被與相對於一個固定的參考天線校準過 的每個天線成對地校準。因此，M元件的天線陣被看作是2元件子陣的集 合，在每個方向上有M-l個^p中串^^皮用於;^準(步驟727和729,每個祐: 執行M-2次)。圖8示出圓形安排的6個天線801， 802, 803， 805， 807和 809,天線801被隨意地選作固定的參考天線。這些子陣被示出為虛線範 圍內的天線。五個子陣是天線801和802的子陣弁1 (811)，天線801 和803的子陣弁2 (813)，天線801和805的子陣弁3 (815)，天線801和
27807的子陣#4 (817),和天線801和809的子陣#5 (819)。
在該優選實施方案中，用戶單元具有某些智能信號處理能力，使其能夠 分析下行校準脈衝串或多個脈衝串。通常，某些下行信道估計可由遠程用戶 單元實施，這部分的特徵估計確定部分結果，在此稱為"下行特徵相關信號"。 在優選實施方案中，用戶單元具有足夠的處理能力全部地計算下行信道的 估計。在這種情況下，下行特徵相關信號是下行信道估計的組分。這些結 果(是否完全地或部分地估計-通常，下行特徵相關信號)通過利用某些 標準消息協議(包括但不限於如在PHS協議中所描述的SACCH， FACCH, TCH有效載荷)被發回基站。PHS協議引入於此作為參考。PHS標準被描 述在，例如，無線電工業和商業協會(ARIB,日本)初步標準，版本2， RCR STD-38，和改型^皮描述在協議組的PHS備忘錄的技術標準中(PHS MoU--見http:〃www.phsmou.or.jp)。該發送作為步驟731示出，用於第一 下行校準脈衝串，作為虛線733示出，用於使用附加脈衝串的那些實施方 案，例如，用於其餘的子陣。其他的有關信息(例如，信號質量估計或原 始的1/Q樣本)也可從用戶單元回送到基站供功率控制和其他的分析和用 途使用。對於用戶單元的功率控制和信號質量估計方面的描述見以上參考 過的美國專利09/020,049。
在校準過程結束時，基站計算校準向量並終止校準呼叫。呼叫終止709 最好包括來自基站的斷開(disconnect)命令735,隨後是來自用戶單元的 釋放消息737。
上行特徵估計
在優選實施方案中，上行特徵估計發生在鄰近基站的活動用戶單元 處。在服務信道被建立以後，用戶單元向基站發送上行校準脈衝串。在 我們的特定的實施方案中，上行校準脈衝串是空閒的(無有效載荷)TCH 脈衝串。在替代的實施方案中，可採用其他的順序，如何修改方法用於 其他序列對本領域的技術人員將是清楚的。例如，在另一種實施方案中， 首先實施下行特徵估計。在用戶單元處計算下行特徵相關信號，優選地是 特徵估計，然後被發送到基站。然後這些信號被用於估計上行特徵。
圖9描述用於確定上行特徵^的元件。在該優選實施方案中，用戶 單元(如單元141)包括上行校準脈衝串合成器907,作為一組在信號處 理器上的編程指令來實現。合成器907包括存儲器(已經存在的信號處 理器存儲器的部分)，並產生第一校準脈衝串(在步驟723中)或第二校準脈衝串(在步驟727中)。脈衝串被從用戶單元天線911利用用戶 單元的發送RF電子設備909來發送。優選實施方案用戶單元的體系結構 被描述在以上參考過的美國專利申請08/907,594和圖12中。參考圖12, 時間雙工器1203在發送期間是處於發送位置，並將發送RF電子設備909 的輸出連到天線911。從電話接口單元1213通過聲碼器DSP1209獲得正 常的業務脈衝串信號。在連到與另一個DSP設備(用於信號接收的RX DSP1205)共同使用的存儲器1207的DSP設備中形成複數值(1， Q)樣本。 對於在此描述的上行信道確定實施方案，TXDSP1211除了其正常的發送信 號處理功能外，被編程執行上行校準脈衝串合成器907的功能。如圖9中 所示，上行校準脈衝串由基站天線陣105接收並由接收RF電子設備109 轉換成基帶信號110。然後來自天線元件的信號由接收信號處理器111處 理，該處理器由一個或多個數位訊號處理設備(DSP)組成，所述一個或 多個數位訊號處理設備被編程為執行元件403, 921和931的功能。預處理 器403實施預處理，包括基帶濾波，除去頻偏，時間偏移，和來自接收信 號的I/Q失配。在某些實施方案中，如果必要的話，基帶均衡也可包括在 預處理器403中，至於如何包括均衡，對本領域的技術人員將是清楚的並 且不是本發明的主要關注之處。單元921包括單元407和411,並通過執行 信號複製操作，解調和參考信號發生來估計所發送的符號序列(參考信號)。 在優選實施方案中，用戶單元發送標準的TCH脈衝串，從而基站的預設TCH 解調方法可為此目的使用。在一種替代的實施方案中，用戶單元發送預定義 的，明確已知的校準序列，因而可以被預存在基站處。在這種情況下，不必 要對接收信號解調。這種替代方案用虛線示於圖9中，在其中使用預定義的 脈衝串段923代替發送信號估計410。信道識別單元931使用發送信號估計410 和接收信號405,它們分別是上行信道933的輸入和輸出信號，用以估計基礎 的空間特4正933。任何標準的系統識別技術可用於信道識別單元931中。以 下的方法被用在優選實施方案中。使用接收信號405的N個樣本和發送信 號估計410。在優選實施方案中，N=50。也就是剛好50個脈衝串樣本被使 用。用k表示N個樣本的時間指數，其中k = 0， 1,…，N-l，用x (k) 表示在時間k的接收信號向量，用s (k)表示在時間K的發送信號估計。 所得的上行信道特徵估計如下
arx = XS*(SS*)
-i
(9)其中矩陣X = [x (0) x (1)…x(N-1)]和向量S = [s (0) s (1)…s (N-l)]。 本領域的技術人員可將此認作對接收信號用下式建模的信道特徵的最大
似然率估計
其中v(k)表示在時間k的加性噪聲向量，噪聲向量在統計上是獨立
的，帶有均值E {V(k)} = 0和協方差矩陣E (v(k)v(k), =a v2 I (其中I 是單位矩陣)，恆等分布的高斯隨機過程的向量。然而，本發明的這部分 並不取決於任何建模假定。在替代的實施方案中，或多或少先進的標準的 系統識別技術可被使用以代替等式(9) 。 Lyung. L.,的書，System Identification: Theory for the User, Englewood — Cliffs, N_J: Prentice—Hall， 1989,對於許多替代適於在本發明中^f吏用的系統識別方 法是一個很好的來源。也要指出，等式(9)的解和等價解在此有時歸結 為最大似然率估計，甚至當接收信號模型和最大似然率的其他條件不滿足 也這樣，應該理解，術語"最大似然率估計"意思是當適當的線性信號模 型和噪聲條件保持時，解將是最大似然率的。例如，對於任何發送的S和 接收到的X，利用任何帶有所存在的任何種類噪聲的模型或不利用模型， 採用等式(11)或等效方法，將被歸入"最大似然率估計"。 下行特徵估計
為了估計下行信道，基站101朝用戶單元141發送一個或多個下行校 準脈衝串。圖10描述了用於確定下行特徵a^的元件。在優選實施方案中， 基站101中的發送信號處理器123被編程作為下行校準脈衝串合成器1005 以產生下行校準脈衝串(步驟725的第一脈衝串或步驟727的第二脈衝串 取決於在本方法的實施方案中所用的脈衝串的數目，和該實施方案中的步 驟)。這樣的脈衝串優選地通過從基站101中的存儲器調用脈衝串來產生。 脈衝串被通過利用發送信號處理器123發送到用戶單元141供所需的空間 處理(在圖10中作為單元1005的部分示出)，然後通過發送RF電子設備 125和天線陣105發送。
脈衝串在天線911上經用戶單元接收電子設備1009，在用戶單無中 (例如單元141)被接收到。再次參考圖12，優選實施例用戶單元包括RX DSP 1205，對於本實施方案，被編程為預處理器1011，以產生被標記為y(k) 的採樣接收信號1012，其中k被作用時間指數，並且也被編程為下行信
(10)
30道識別處理器1013，其利用接收到的信號1012和標記為M向量z (k)的 發送信號組的存儲版本1019來確定下行信道特徵。被存儲型1019被存儲 在用存儲器1207構成的緩衝器中，然後用戶單元將結果回送到基站。
在該特定的實施方案中，信號被用;i /4 DQPSK調製並具有每秒192 Kband的波特率。接收到的信號y(k)被四倍過採樣。當用於兩音調校準時 (見下面)，所發送的校準波形是被適當調製的正弦波，在優選實施方案 中，為了保存存儲器，在存儲器1207中只存儲每個正弦波的單個周期， 存儲器1207的部分被配置為環形緩衝器(circular buffer)。然後數據被 作為周期序列重複地讀出。
典型的用戶單元通常至少有幾個天線(在本發明優選實施於其上的 WLL系統中是一個天線911)，這就限制就下行特徵估計而言可得到的信 息。對於典型用戶單元的硬體是簡單的，這是因為受尺寸和成本的約束， 不能夠像典型的基站石更件那樣進行先進的，準確的處理。作為結果，在 用戶單元處的接收信號可能有較大的畸變，包括但不限於，頻率和定時 偏移影響，以及相位噪聲，這些可以降低下行信道估計的準確度，與例 如上行估計相比就是這樣。將來，期望較多的信號處理(或其他的計算) 能力將在一般的用戶單元中可得到，使這些畸變能夠在預處理器1011 中被校正。然而，當較少的信號處理能力可得到時，我們的發明也起 作用。
在一種改進的實施方案中，基站使用專門設計的信號序列，對於以下 的影響是健壯的，包括但不限於，頻偏，定時偏移，I/Q失配，和相 位噪聲。這使利用甚至簡單的廉價的帶有某些(但不限於)信號處理能力 的用戶單元就能獲得準確的結果。例如，下行校準脈衝串可由純音調組成。 這使RX DSP 1205能被編程作為用戶單元中的預處理器1011,以用於利用 很少的計算實現頻偏和定時調節的估計。另一種方案，下行校準脈衝串可 從偽隨機信號序列或線性調頻脈衝(掃頻)信號序列合成，這使其有可能 表徵在較寬頻率範圍上的傳播信道。
讓行向量z(k) = [Zl(k) z2(k》"zM(k)], k=0，l，…N-1表示M個已調基 帶信號Z,(k)Z2(k)…ZM(k)的N個樣本(基帶中)，這些信號是從基站101由 校準脈衝串發送來的。令y (k) , k=0，l,…N-l表示在用戶單元處接收 到的信號(在基帶中並在預處理1011以後)的N個樣本。定義向量y和矩 陣z分別為.v(O)
:,(" W).:. WO)
下行特徵估計1017優選地在識別處理器1013中按下式確定
(11)
本領域的技術人員可能認識到，當接收到的信號樣本1012符合以下模 型(在基帶中)
y (k) = z(k)atx+n(k)， k = 0， 1,…，N-l
(12)
其中n(k) ，k=0,…，N-1表示在接收信號中的某些加性噪聲(被建模為 N個統計獨立，恆等分布的高斯隨機變量)時，這就是下行特徵的最大似 然率估計。注意，本發明並不取決於符合這樣的模型的接收信號樣本。也
注意到，等式(11)的解和等價解在此有時歸結為最大似然率估計，甚至 當接收信號模型和最夫似然率的其他條件未滿足也這樣，應該理解，術語 "最大似然率估計"意思是當適當的線性信號模型和噪聲條件保持時，解 將是最大似然解。例如，對於任何所發送的Z和接收到的Y,利用任何具 有所存在的任何種類噪聲的模型或不利用任何模型，採用等式(11)或等 效方法將被歸入術語"最大似然率估計"。 將噪聲樣本表示為向量
"(0)
那麼，等式(12)可被表達為
Y=Zatx+ n (13) 注意，只有當Z具有線性獨立列時，才可依據等式(11)確定特徵1017(
32為此，被校準的陣(或子陣)的每個天線元件在下行校準期間從M個(或 更少)天線元件發送M個(在子陣的情況下更少)基本上"線性獨立的" 信號。如果不可能找到恆定的複數值參數q , C2…，CM使得 2^lClZi(k) = 0，對於k二0，1，2，…，N-l,則M個所發送的信號Z《k)是線性 獨立的。實際上，這種要求可用各種不同的方法滿足，在一種實施方案中， 校準脈衝串可被分成段，使得在任何給定的時間上只有一個天線元件是活 動的(時域中的正交性)。另一種方案，天線元件可發送不同頻率的純音 調(頻域中的正交性)。線性獨立信號也可從偽隨機信號序列或線性調頻 脈衝信號序列合成。其他的技術對於本領域的技術人員是清楚的。
兩音調下行校準
在該優選實施方案中，將天線陣分成帶有公共參考元件的2元件子陣， 如圖8所示，每個子陣被獨立地校準。在一種實施方案中，在校準期間，
2 (每秒弧度)來表示通過特定子陣的第一天線元件的第-和通過特定子陣的第二天線元件的第二校準信號的頻率， 值M是2，依據等式(11)的下行信道估計為
-校準信號的頻率 在這種情況下，
。i
(14)
其中T表示對信號的採樣周期，厶co =w 2—0j !表示音調之間的頻率分
隔。如果N被選取成使得觀測間隔NT是2Ti /Aoj的整倍數，那麼ejAwNT=l， 我們得到簡單的公式
"0
AM
A "0
(15a)
(15b)
將把這些分別認定為在co i和co 2處接收到的信號的離散傅立葉變換
33(DFT或其快速實現，FFT)。也將把這些分別認定為與帶有兩個校準脈衝 串的接收到的用戶單元信號y的互相關成比例。很清楚，在實施方案中， 1/N因數並未包括在確定特徵的過程中。
對於天線元件之一的相對的下行特徵，比如說第二天線元件，用第一 天線元件作為參考，是將第二互相關除以第一互相關而計算的。
在該優選實施方案的實施中，RXDSP 1205被編程作為下行信道識別 處理器1013。接收到的信號樣本y (k)是四倍過採樣的192kb/s的信號。 也就是，每秒有784K的樣本。所用的兩個頻率是24kHz(對於k弧度/秒， 除以2ti )和-72kHz (回憶起，校準信號是複數值)。 一般，頻率差Aw = w 2—co ,越大，性能越好。在優選的實施方案中，信號是通過對Ti /4DQPSK 調製器(對於PHS是標準的)提供特定的位模式來合成的。這使音調容易被 合成。然而，7i /4DQPSK調製和特定的波特率意味著只有帶有頻率為+72 kHz,+24kHz， -24 kHz和-72 kHz的信號可以被合成。雖然最大的分離是 在音調對+ 72 kHz和-72 kHz得到，但是72 kHz信號比起24 kHz信號更 不像純音調，所以在優選實施方案中所使用的兩個音調是+24 kHz和-72 kHz。在此以下的"性能"部分中討i侖，這種方案比利用+24 kHz和-24 kHz 音調表現更好。實現信道識別處理器1013的DSP程序可被概述如下
兩音調下行的步驟 輸入用戶接收到的序列y(O)，y(l),…，y(N-l)。
輸出估計的下行信道，形式為^
1. 將接收到的序列與第一校準序列(頻率Wi處的音調)互相關
AM
2. 將接收到的序列與第二校準序列(頻率(02處的音調)互相關
3. 計算所期望的量C二B/A ___
注意，替代的實施方案可以使用不同的方法合成音調信號，所述音調 信號並不包括什麼音調可用的限制，這樣的方法可能需要更複雜的實現過 程，或者可以利用不同的正交信號。
34利用音調校準il永衝串的該方法就與頻率差A CO相比較小的頻偏和相位 噪聲來說，相對於相位噪聲和頻偏是健壯的。
當較大的定時偏移出現時， 一種兩音調方法的改進實施方案使這樣的 定時偏移能被確定，並且這些量能對定時偏移進行校正。令t表示發送信 號被延時的恆定時間。在該改進的實施方案中，校準月永衝串被分成兩個時 間段，對於兩個脈衝串而言斷點是相同的。在第一時間段期間，第一和第 二正弦波之和被從相同的天線元件，比如說第一天線元件發送。設在第一 時間段期間有Ni個樣本並將在用戶單元處接收到的信號用yi(k)， k=0，…, N「1來表示。^f艮定第一段觀測間隔N,T是2tt /△ w的整倍數。根據帶有 第二相關脈衝串的用戶單元接收到信號的互相關與帶有第 一相關脈衝串的 用戶單元接收到信號的互相關之比來確定對時間偏移的估計
—& ，
(16)
在校準脈衝串的第二段，兩個正弦波被通過兩個不同的天線發送，像 在以前描述過的兩音調方法的實施方案那樣。設在第二時間段期間有N2 個樣本，並將在用戶單元上接收到的信號用y2(k), k=0，…，N2-l來表示。 如果N2被選取，使得觀測間隔N2T是2ti /△ co的整倍數，那麼
(17)
將等式(16)和(17)組合從而得到所希望的兩個下行特徵估計之比。 為簡單起見，兩段做成相等的長度，N屍N^因為在第一個兩音調的實施 方案中，所用的兩個頻率是24 kHz和-72 kHz(回憶起，校準信號是複數值)。 用於RXDSP 1205的依據包括校正定時偏移的第二實施方案實現信道識別 處理器1013的DSP程序可4既述如下。改進的兩音調下行步驟
輸入接收到的序列y(O)，y(l),…，y(N),…y(2N-1)。 輸出估計的下行信道，形式為
1. 將接收到的序列的前一半與校準序列弁1的前一半互相關:
2. 將接收到的序列的前一半與校準序列#2的前一半互相關:
AM
3. 計算C1二B1/A1。
4. 將接收到的序列的後一半與校準序列弁1的後一半互相關
2W-1
5. 將接收到的序列的後一半與校準序列弁2的後一半互相關
6. 計算C2二B2/A2。
7. 計算所期望的量C二C2/C1。
對本領域的技術人員將清楚，可以對本方法作各種修改，包括但不限 於，利用不相等長度的段。利用兩組兩音調信號(用已知的量分隔開)， 和發送不同的組合。不同的公式也可用於確定校準因數。
利用任何兩個點積是純音調的恆定模數信號是有利的。另 一種方案是， 可以，例如，對於第一段使用一個音調，對於第二段使用線性調頻脈衝 (chirp)信號序列。
也可以將本方法推廣到一次處理多於兩個的天線。以下的替代方法對 於任何數量M的天線都是成立的。在該段的第一段(比如說前一半)中， M個不同的單音調信號的和，M個音調中的每一個是不同的，被從第 一 (比 如說是參考用)天線元件發送。同時沒有信號從其他天線元件發送。在第 二段中，M個單音調信號中不同的信號被從M個天線元件發送。然後本方 法進行如下以估計M天線元件陣(或子陣)。所用的標記是前一半的相 關由Ai表示，腳註i表示接收到的信號與哪個音調相關，而後一半相關 用Bi表示，腳註i表示接收到的信號與哪個音調相關，M個純音調信號具有的頻率分別用CO i, W 2,…，OJm來表示,
改進的M音調下行步驟
輸入接收到的序列y(O),y(l),…，y(N),…y(2N-1)。
輸出估計的下行信道，形式為
1
C，
Cm
1 .將接收到的序列的前 一 半與每個校準序列的前 一 半互相關以分別 獲得M個相關A,，A2，…，Am。
2. 將對於對應參考天線元件的第一相關At歸一化，以分別獲得M
個數l， A2/A!,…，Am/V
3. 將接收到的序列的後一半與M個校準序列中每一個的後一半互 相關，以分別獲得M個相關B"B2，…，Bm。
4. 相對於對應參考天線元件的第一相關B:歸一化，以分別獲得M
個數l, ivb"…，Bm/iv
5. 分別計算M個特;f正元素如下
1， [(B2/B》/(A2/A》]，…，[(Bm/B》/(Am/A》]。_
以上對於同時確定M個元件的特徵的推廣可被修改以避免在第一段 中在一個天線元件上發送所有M個音調之和。 一般，可以^^定，對於從基站 的所有天線元件的發送來說，定時偏移是相同的。在此所描述的實施方案 被實現於其中的系統中，所有的ADC和所有的下變換和上變換是同步的。 在這樣一種情況下，例如，只有從參考天線元件和一個其他的天線音調(例 如第二個)發送的音調之和被在第:段中從::元件發送。如何用;，方法
注意，雖然以上的討論提到抵消定時偏移，因數的除法也抵消任何相 位偏移。
定時偏移的確定
以上的討論也建議了發送多重信號(例如，純音調信號)如何以非 常少的計算被用於確定用戶單元中的定時偏移。
為了確定定時偏移，執行以上的"改進的兩音調下行方法"的步驟l, 2和3。在步驟3中，量Cl基本上就是exp-j(co 2-w》t 。因此，取對數並 用A oj = (to 2-w》除，給出定時偏移的估計。
在一種改進的定時偏移方法中，執行以上的"改進的M音調下行方法"的步驟1和2。在步驟2中，量1, A^Ad…，Am/A!，分別給出M個量1， exp-j(w 2-co》t ， ， exp-j(co m-oj》t 。取最後的M-l個量的對數並對這些量
的第一個除以(0)2-" D，第二個除以(co 3-w》，…，最後一個除以(co m-co》， 分別給出定時偏移t的M-1個估計。這些值可被平均以給出定時偏移的最
後估計。
在標準的業務信道呼叫期間的校準
在另一個替代的實施方案中，替代利用專用的校準呼叫，將校準步驟 放入用於正常的業務功能的兩個方向中的標準電話呼叫內是可能的。正常 的業務功能依靠空中接口，並可包括解調，定時和頻率跟蹤，以及各種控 制功能，如功率控制和切換。例如，通過利用以上所描述的那樣的決策引
導的技術，可以根據標準的上行業務信道(TCH)脈衝串來估計上行信道 特徵。以上所描述的下行信道估計方法被修改如下
在下行上，基站以隨機方式朝用戶單元發送TCH脈衝串和校準脈衝串 的混合。也就是，校準月永衝串被用TCH脈衝串點綴(intersperse)。因為 校準脈衝串可以引起聽得見的誤差發生，最好不經常地並在靜寂時間內發 送這樣的校準脈衝串。典型的靜寂時間比脈衝串長，所以在一種改進的實 施方案中，只在許多空閒的脈衝串被基站發送以後才發送校準脈衝串(而 不是TCH脈衝串)。
一種用作說明由用戶單元處理的實施方案示於圖11中，其中包括估 計下行信道特徵。在步驟1105中，用戶單元獲得原始的脈衝串並首先 在被編程作為預處理器1011的接收信號處理器中對脈衝串進行預處 理。這種接收到的預處理過的信號被存儲。接著預處理過的信號在步 驟1109中被作為標準的TCH脈衝串來解調。在步驟llll中，確定是 否被解調的位符合標準的TCH脈衝串。如大多數標準協議中那樣，在 說明性實施方案的系統中所用的PHS協議包括某種方法，用於確定何 時序列被正確地接收到，例如根據特定的預定義的位序列的存在。在 PHS標準中，有這樣的32位的"唯一字"序列，這是預先安排的，對每個 用戶單元都是已知的。在步驟1111中通過檢測唯一字的存在來確定正確接收。 其他的協議使用其他的技術，以及在無論什麼協議中確定正確接收標準的 TCH脈衝串的替代方法，對於利用協議規範的本領域的技術人員來說將 是清楚的。如果脈衝串被確定為標準的TCH脈衝，那麼在步驟1113中 該位序列被轉發到聲碼器DSP 1209。如果，不是這樣，位序列並未被
38辨認為標準的TCH脈衝串，那麼用戶單元在步驟1115中確定接收到 的脈衝串是否是校準脈衝串。在此以上所描述的兩音調方法中，優選
地通過實施校準方法的第 一相關步驟執行此步驟1115。如果相關程度 高，則存在高等級的置信度這是校準脈衝串。如果步驟1115的結果 為是，則這是校準脈衝串，然後在步驟1117中繼續下行特徵估計的方 法，所得到的下行特徵在步驟1119中被送到基站。 利用SYNCH脈衝串校準
在另一種替代的實施方案中，代替使用專用的校準呼叫，將校準脈衝 串放入SYNCH脈衝串是可能的，校準脈衝串最好是兩段的多音調脈衝串(或 兩段的兩音調脈衝串用於成對校準)。
性能
兩音調方法的下行信道估計的準確性是通過利用來自優選實施方案中 所用的WLL系統的PHS基站和用戶單元進行試驗而測量得到的。在第 一試 驗中，PHS基站的兩個天線使用兩個不同組的發送電子設備。40組校準脈 衝串被發送到用戶單元，用戶單元被編程保存接收到的信號。然後被保存 的接收到的信號被用於計算有關的下行特徵。計算是利用MATLAB環境 (The Mathworks， Inc., Natick, MA)脫機進行的。結果被示於圖13中，正 如可以看到的那樣，對於試驗的載波頻率，兩個發送電子設備/天線元件具 有不同的幅度增益並產生相對相位大約109度。所用的兩個音調是+24kHz 和-72kHz。
第二試驗被進行，這次使用相同的發送電子設備和相同的天線。也就 是從相同的電子設備和天線元件發送兩個校準信號(兩個音調)。圖14示出 當所用的兩個音調是+24 kHz和-72 kHz時的結果。正如可以看到的那樣， 相角接近O.O，幅度接近l.O，正如所預料的那樣。利用兩個+24kHz和-24 kHz的音調重複相同的試驗。結果示於圖15中。當利用這兩個音調時的誤 差和方差大於利用圖H所用頻率時的情形。
利用若干用戶單元
在本發明的另一方面，校準因數可利用多於一個的用戶單無來得到， 並作為從這些用戶單元得到的特徵的函數來確定。這些甚至可以是所有 的用戶單元。所述函數可以是，例如，主分量，平均，或矩心。在組合步 驟的優選實施方案中，採用主分量方法。通過形成矩陣A = [a廣' s] 並計算AHA的主分量(相應於最大幅度本徵值的本徵向量)，或者等效地
39找出對應於A的最大單數值的左側單數向量來對分別從用戶1,…，NS收集到的特徵a,…％5進行組合。在一種改進的實施方案中，每個用戶單元也得到信號質量估計，這些估計被送到基站。任何用戶單元實行的信號質量確定方法可被採用，在優選實施方案中所用的用於確定信號質量的方法(和設備)是基於峰態的方法，被公開在以上參考過的美國專利申請09/020,049中，在此以上也^皮描述過。也注意到，信號質量相關的測量已經可以為功率控制的目的而在基站得到。當信號質量估計可得到時，就得到加權平均的校準因數，利用用戶單元依據該用戶單元的接收到的信號質量來對校準因數加權。例如，利用主分量方法，特徵估計是加權特徵矩陣A=[p Nsa^]的主分量，其中卩"…，[3 NS
是各個用戶單元，1，…，NS的加權因數。
在另一方面中，校準因數再次可作為從若干(甚至全部)用戶單元獲得的校準因數的函數來得到。然而，函數考慮來自這些用戶中每一個的特徵估計的每個元素的相對"質量"。這適用於在對於用戶單元而言，基站天線元件中一個或多個比其他元件"弱"的情況。在這樣一種情況下，某些特徵估計元素和相應的校準因數無素被捨棄。例如，可以捨去具有小於某個幅度閾值的較小(歸一化)幅度的特徵元素。另一種方案是，可以利用特徵估計將所預測的接收信號與實際的接收信號作比較，從而確定每個元素的殘差(例如，對一個脈衝串求平均所得的誤差平方)並捨去產生較大殘差的特徵元素。然後，可以將若干這樣的"不完全的"校準因數估計組合，包括校準因數元素中每一個的至少一個估計。作為一個例子，假定在一個陣(或子陣)中有四個天線元件，分別在表示為SU1， SU2和SU3的三個用戶單無上，第一和第二元件，第二和第三元件，以及第三和第四元件，分別被認為是足夠準確的。將利用第i個用戶單元的第j個校準因數元素用Cij表示，完全的校準因數估計的四個元素分別被確定為Cu，C12， C23(C12/C22)，和C34 (C12/C22) (C23/C33)。這可被推廣到任何組的完全的或不完全的SU確定。步驟如下令q是從第i個用戶單元確定的第j個校準因素元素，Qii是與Cij的測量結果相關聯的估計質量，其中i=l，，NS和j = l，…，M。利用以上提到的確定特徵可靠性的方法，如果該分量被認為是不可靠，則Qj值為O,如果它被認為是可靠的，其值為l。數學上指示可靠性的其他方法也是可能的，對於本領域的技術人員將是清楚的。通過對D和複數值參數B,，…，B^執行聯合最小化來確定完全的校準向量D^DtD2…
Dm]。也就是，定義B^BfB^，通過才W刊斜乍minminZQijlDj—CijB/確定D，
40這種最小化可利用標準的方法實施。例如，通過對D執行網格搜索，以近似地定出全局最小值，然後執行梯度下降操作，以改進估計。替代的方法對於本領域的技術人員將是清楚的。
其他方面
正如本領域的技術人員將理解的那樣，可以在以上所描述的方法和設備方面中進行許多改變而不偏離本發明的精神和範圍。變化包括，但不限
於
參本方法可被修改用於估計上行特徵或下行特徵，而不是只用於確定校準因數，以用於根據上行權向量來估計下行權向量。
述的方法將被修改為包括標準的傳遞函數系統識別技術。
參上行或下行信道特徵可利用基於對於信道的不同模型和不同的估計技術的公式，而不是從等式(9)或等式(11)導出的公式得到。
*上行或下行信道特徵可不在基帶中描述，將適用於上行和下行權在基站處被應用於不在基帶中的信號的情況。
參本方法可適合於不同類型的通信系統，包括但不限於帶有移動用戶單元的系統，或利用不同協議的系統，或兩者皆有。本方法也可適應非數字調製的系統，如普通的AMPS FDMA系統。本方法也可適用應非TDMA數字系統。在這樣的情況下，上行和下行頻率一般是不同的，以致需要為每個用戶單元獲得分開的上行和下行特徵。注意，了解對於用戶單元的所有下行特徵後我們就可以確定下行權向量。
參可以使用不同的預定義的校準信號。
參可以使用不同的子陣配置(多於兩個的天線元件)，或者可以同時使用被校準陣中的所有天線元件。
或多或少的下行處理可在用戶單元中進行，取決於在用戶單元和基站中可得到多少計算和存儲能力。
在此所描述的本發明的幾個方面被描述成作為在一個或多個DSP設備上運行的程序實現的。給出的足夠經濟激勵的DSP功能，包括DSP程序，可被併入專用的^e更件中，例如作為專用集成電^各(ASIC)的部分或作為超大規模集成電路(VLSI)的部分。DSP的功能也可用其他的處理器，例如，通用的微處理器來滿足。另外，運行程序的DSP設備可被轉換成一種專用的石更件片。因此，術語數位訊號處理器，DSP和在此所用的DSP設備包括這些等效的替代。正如本領域的技術人員將理解的那樣，有經驗的從業者對以上所描述的方法和設備可做許多改變而不偏離本發明的精神和範圍。例如，實施本方法的通信站可使用許多協議之一。另外，這些站和用戶單元可能有幾種結構。本發明可應用在包括任何裝有天線陣的收發機和另 一 個與裝有陣的收發機通信的收發機的系統中。眾多的變化都是可能的。本發明真正的精神和範圍應該只限於以下的權利要求中所提出的內容。
權利要求
1. 一種方法，包括從天線單元發送第一數據信號和第一校準信號；和從另一天線單元發送第二數據信號和第二校準信號。
2. 如權利要求l的方法，其中第一數據信號和第二數據信號是相同 的，並且第一校準信號和第二校準信號是相同的。
3. 如權利要求l的方法，其中第一數據信號和第二數據信號是不相 同的，並且第一校準信號和第二校準信號是相同的。
4. 如權利要求l的方法，其中第一數據信號和第二數據信號是相同 的，並且第一校準信號和第二校準信號是不相同的。
5. 如權利要求l的方法，其中第一數據信號和第二數據信號是不相 同的，並且第一校準信號和第二校準信號是不相同的。
6. 如權利要求l的方法，還包括在與發送第二數據信號和第二校 準信號的時間周期相交疊的時間周期內發送第 一數據信號和第 一校準信一^_
7. 如權利要求l的方法，還包括在與發送第二數據信號和第二校 準信號的時間周期不相交疊的時間周期內發送第 一數據信號和第 一校準 信號。
8. 如權利要求l的方法，還包括在遠程設備處接收所發送的第一 和第二校準信號，並且作為響應對校準信號進行處理。
9. 如權利要求8的方法，還包括把所處理的校準信號發送到另一 設備。
10. 如權利要求8的方法，還包括使用處理第一和第二校準信號 的結果來啟用對第一和第二數據信號的接收。
11. 如權利要求1的方法，其中第一和第二數據信號是在至少一個 業務信道上發送的，並且第一和第二校準信號是在至少一個業務信道和 至少 一個校準信道中的至少 一個信道上發送的。
12. —種方法，包括在空中接口協議的業務信道上接收脈衝串；和 從所接收的脈衝串中提取至少 一 個校準脈衝串。
13. 如權利要求12的方法，還包括使用校準脈衝串來計算空間特徵相關測量值。
14. 如權利要求12的方法，其中所述方法由用戶單元或者基站執行。
15. —種方法，包括 把校準信號插入到業務信號中；和 在空中接口協議的業務信道上發送業務信號。
16. 如權利要求15的方法，其中所迷方法由用戶單元或者基站執行。
17. —種通信設備，包括 接收機，可操作來用以接收第一數據信號和第一校準信號，第一數據信號和第一校準信號 是從第一天線單元發送的；和接收第二數據信號和第二校準信號，第二數據信號和第二校準信號是從至少另一個天線單元發送的。
18. 如權利要求17的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信號 是相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是相同的。
19. 如權利要求17的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信號 是不相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是相同的。
20. 如權利要求17的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信號 是相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是不相同的。
21. 如權利要求17的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信號 是不相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是不相同的。
22. 如權利要求17的通信設備，其中所述接收機在第一時間周期內接收第一數據信號和第一校準信號，並且在第二時間周期內接收第二數 據信號和第二校準信號，所述第一時間周期和第二時間周期相交疊。
23. 如權利要求17的通信設備，其中所述接收機在與接收第二數據 信號和第二校準信號的時間周期不相交疊的時間周期內接收第 一數據信號和第一校準信號。
24. 如權利要求17的通信設備，還可操作來處理校準信號。
25. —種通信設備，包括耦合到天線陣列的發射機，所述天線陣列包括多個天線單元，所述 發射機可操作來從多個天線單元中的第一天線單元發送第一數據信號和第一 校準信號；從多個天線單元中的至少另 一天線單元發送第二數據信號和 第二校準信號。
26. 權利要求25所述的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信 號是相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是相同的。
27. 權利要求25所述的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信 號是不相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是相同的。
28. 權利要求25所述的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信 號是相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是不相同的。
29. 權利要求25所述的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信 號是不相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是不相同的。
30. 權利要求25所述的通信設備，其中發射機在與發送第二數據信 號和第二校準信號的時間周期相交疊的時間周期內發送第 一數據信號和 第 一校準信號。
31. 權利要求30所述的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信 號是相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是相同的。
32. 權利要求30所述的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信 號是不相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是相同的。
33. 權利要求30所迷的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信 號是相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是不相同的。
34. 權利要求30所述的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信 號是不相同的，並且第 一校準信號和第二校準信號是不相同的。
35. 權利要求25所述的通信設備，其中發射機在與發送第二數據信 號和第二校準信號的時間周期不相交疊的時間周期內發送第 一數據信號和第一校準信號。
36. 權利要求35所迷的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信 號是相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是相同的。
37. 權利要求35所述的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信 號是不相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是相同的。
38. 權利要求35所述的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信 號是相同的，並且第一校準信號和第二校準信號是不相同的。
39. 權利要求35所述的通信設備，其中第一數據信號和第二數據信 號是不相同的，並且第 一校準信號和第二校準信號是不相同的。
40. 權利要求25所述的通信設備，其中所述通信設備是用戶設備或 者是基站。
41. 權利要求25所述的通信設備，還包括接收機，所述接收機可操 作來接收在遠程收發機處所處理的信息，其中所接收的信息是從所發送 的第一校準信號和第二校準信號導出的。
42. 權利要求25所述的通信設備，其中第一和第二數據信號是在至 少一個業務信道上發送的，並且第一和第二校準信號是在至少一個業務 信道和至少一個校準信道中的至少一個信道上發送的。
43. 權利要求24所述的通信設備，可操作來使用處理第一校準信號 和第二校準信號的結果來啟用對第一數據信號和第二數據信號的接收。
44. 權利要求24所述的通信設備，可操作來把所處理的校準信號發 送到另一設備。
45. 權利要求17所述的通信設備，還包括天線陣列，耦合到接收 機並且可操作來接收第一數據信號、第一校準信號、第二數據信號和第 二校準信號。
46. 權利要求17所述的通信設備，其中第一和第二數據信號是在至 少一個業務信道上發送的，並且第一和第二校準信號是在至少一個業務 信道和至少 一個校準信道中的至少 一 個信道上發送的。
全文摘要
本發明涉及確定空間特徵以便校準具有天線陣的通信站的方法和設備。可以利用一個或多個遠程終端確定校準基站的校準函數，包括利用第一無線電站的天線單元陣向第二無線電站發送校準信號，並在第一無線電站從第二無線電站接收包含第二無線電站下行空間特徵的相關信息的下行空間特徵相關信號。可以利用下行空間特徵相關信號確定第二無線電站下行空間特徵。可利用從第二無線電站發送到第一無線電站的上行空間特徵信號。確定第二無線電站上行空間特徵。之後可利用第二無線電站下行空間特徵和第二無線電站上行空間特徵來確定校準函數。
文檔編號H04W16/28GK101489236SQ20091000509
公開日2009年7月22日 申請日期1999年4月22日 優先權日1998年5月1日
發明者C·H·巴拉特, C·R·烏利克, M·D·特羅特, T·波羅斯 申請人:阿雷伊通訊有限責任公司