实现大规模MIMO收发机相位校准功能的系统、方法、装置、处理器及其可读存储介质

技术领域

本发明涉及通信测量仪器校准技术领域，尤其涉及大规模MIMO系统的校准技术领域，具体是指一种实现大规模MIMO收发机相位校准功能的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。

背景技术

多输入多输出MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)是5G通信的使能技术之一，具体指在无线通信领域使用多天线发送和接收信号的技术。通过增加发射天线数和接收天线数，在不增加系统带宽的条件下，可有效提升通信系统容量。

时分双工TDD(Time Division Duplexing)是目前5G的主流传输方案，相对于频分双工FDD(Frequency Division Duplexing)最大的优势是频谱开销降低了一半。TDD传输方案可以利用信道互易性，基站侧获取准确的信道状态信息CSI(Channel StateInformation)再进行下行预编码，保证了通信的可靠性。

然而，在实际通信中，完整的通信信道不仅包含空中的无线信道，还包括了MIMO发射机及接收机中的射频电路，射频电路中的相位不一致性会破会通信信道的互易性。通过对射频电路的相位校准，可以使得MIMO收发机的相位一致性收敛，从而尽可能的提升通信信道的互易性。相较于4G中的几根天线，5G通信系统中的天线数达到了128甚至256根，即对应了128或256个射频发射通道和射频接收通道。显然，更多通道数必然要求更高可靠的相位一致性校准。

以射频发射机为例，单个射频发射通道的主要构成如图1所示，包含混频器、本振源及功率放大器。如图2所示，输入信号x(t)＝cos(w

一般面向民用的通信系统都需要考虑降成本，尤其大规模MIMO通信系统，因通道数很多则更需要考虑使用性价比高的器件，因而选用器件性能都比较普通。系统中的本振源受相位噪声的影响，自身的相位抖动则比较大。相位抖动与相位噪声的关系如下：

其中

MIMO发射机的相位校准中，传统的方法如图2所示，以其中一个通道作为基准连接至矢量网络分析仪1端口，逐个切换其余发射通道连接至矢量网络分析仪2端口，矢网内部2端口收到的信号相对于1端口的相位差，作为该端口的相位校准值。从前文可以看出，以其中一个通道作为基准，基准自身的相位抖动就会影响到其它端口的相位准确度，从而影响MIMO发射机的相位一致性。

MIMO接收机的相位校准中，信号源输出信号经过功分器一分为二，一路连接至RX1作为基准通道，另一路逐个连接至剩余接收通道，基带内部检测当前连接的RXi端口相对于RX1端口的相位差作为该端口的相位校准值。该方法同样存在基准自身相位抖动误差叠加到其它接收通道校准中的问题，影响了MIMO接收机的相位一致性。

如何解决自身相位抖动导致的相位校准误差，获得更可靠的相位校准值，保证大规模MIMO系统更高的相位一致性显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足可靠性好、相位一致性高、适用范围较为广泛的实现大规模MIMO收发机相位校准功能的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。

为了实现上述目的，本发明的实现大规模MIMO收发机相位校准功能的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质如下：

该实现大规模MIMO收发机相位校准功能的系统，其主要特点是，所述的系统包括MIMO收发机、信号源和矢量网络分析仪，

在校准MIMO收发机的发射相位时，所述的信号源的输出端与矢量网络分析仪的第一端口相连接，所述的MIMO收发机的发射通道TX1至TXn逐个连接至矢量网络分析仪的第二端口；

在校准MIMO收发机的接收相位时，所述的系统还包括一分二功分器，所述的一分二功分器的输入端与信号源的输出端相连，所述的一分二功分器的其中一路输出连接至矢量网络分析仪的第一端口，另一路输出逐个切换连接至MIMO收发机的接收通道RX1至RXn，所述的MIMO收发机的输出端与矢量网络分析仪的第二端口相连接。

较佳地，所述的系统在校准MIMO收发机的发射相位时，所述的信号源的输出信号作为基准通道，所述的矢量网络分析仪检测并计算得到矢量网络分析仪的第二端口接收的信号与矢量网络分析仪的第一端口的信号的相位差Δ

较佳地，所述的校准MIMO收发机的发射相位时计算相位差Δ

根据以下公式在校准MIMO收发机的发射相位时计算相位差Δ

Δ

其中，Δ

较佳地，所述的系统在校准MIMO收发机的接收相位时，所述的MIMO收发机的接收通道RX1作为基准通道，所述的矢量网络分析仪检测并计算得到矢量网络分析仪的第二端口接收的信号与矢量网络分析仪的第一端口的信号的相位差Δ

较佳地，所述的校准MIMO收发机的接收相位时计算相位差Δ

根据以下公式在校准MIMO收发机的接收相位时计算相位差Δ

Δ

其中，Δ

该基于权利要求1所述的系统实现大规模MIMO收发机相位校准处理的方法，其主要特点是，所述的方法包括校准MIMO收发机的发射相位的处理过程，具体包括以下步骤：

将信号源的输出信号作为基准通道，所述的矢量网络分析仪检测并计算得到矢量网络分析仪的第二端口接收的信号与矢量网络分析仪的第一端口的信号的相位差Δ

所述的方法包括校准MIMO收发机的接收相位的处理过程，具体包括以下步骤：

将MIMO收发机的接收通道RX1作为基准通道，所述的矢量网络分析仪检测并计算得到矢量网络分析仪的第二端口接收的信号与矢量网络分析仪的第一端口的信号的相位差Δ

较佳地，所述的步骤的校准MIMO收发机的发射相位时计算相位差Δ

根据以下公式在校准MIMO收发机的发射相位时计算相位差Δ

Δ

其中，Δ

较佳地，所述的步骤的校准MIMO收发机的接收相位时计算相位差Δ

根据以下公式在校准MIMO收发机的接收相位时计算相位差Δ

Δ

其中，Δ

该用于实现大规模MIMO收发机相位校准处理的装置，其主要特点是，所述的装置包括：

处理器，被配置成执行计算机可执行指令；

存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的实现大规模MIMO收发机相位校准处理的方法的各个步骤。

该用于实现大规模MIMO收发机相位校准处理的处理器，其主要特点是，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的实现大规模MIMO收发机相位校准处理的方法的各个步骤。

该计算机可读存储介质，其主要特点是，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的实现大规模MIMO收发机相位校准处理的方法的各个步骤。

采用了本发明的实现大规模MIMO收发机相位校准功能的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，解决了大规模MIMO系统自身基准通道相位抖动引入的相位误差较大，以及相位校准值可靠性问题，保证了大规模MIMO收发机系统的相位一致性。

附图说明

图1为单个发射通道主要构成的示意图。

图2为传统MIMO发射机相位校准方法的示意图。

图3为传统MIMO接收机相位校准方法的另一示意图。

图4为本发明的实现大规模MIMO收发机相位校准功能的系统的MIMO发射机相位校准方案示意图。

图5为本发明的实现大规模MIMO收发机相位校准功能的系统的MIMO接收机相位校准方案示意图。

图6为使用传统MIMO收发机相位校准后的相位一致性测量结果示意图。

图7为本发明的使用本发明方法MIMO收发机相位校准后的相位一致性测量结果示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该实现大规模MIMO收发机相位校准功能的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，其中包括MIMO收发机、信号源和矢量网络分析仪，

在校准MIMO收发机的发射相位时，所述的信号源的输出端与矢量网络分析仪的第一端口相连接，所述的MIMO收发机的发射通道TX1至TXn逐个连接至矢量网络分析仪的第二端口；

在校准MIMO收发机的接收相位时，所述的系统还包括一分二功分器，所述的一分二功分器的输入端与信号源的输出端相连，所述的一分二功分器的其中一路输出连接至矢量网络分析仪的第一端口，另一路输出逐个切换连接至MIMO收发机的接收通道RX1至RXn，所述的MIMO收发机的输出端与矢量网络分析仪的第二端口相连接。

作为本发明的优选实施方式，所述的系统在校准MIMO收发机的发射相位时，所述的信号源的输出信号作为基准通道，所述的矢量网络分析仪检测并计算得到矢量网络分析仪的第二端口接收的信号与矢量网络分析仪的第一端口的信号的相位差Δ

作为本发明的优选实施方式，所述的校准MIMO收发机的发射相位时计算相位差Δ

根据以下公式在校准MIMO收发机的发射相位时计算相位差Δ

Δ

其中，Δ

作为本发明的优选实施方式，所述的系统在校准MIMO收发机的接收相位时，所述的MIMO收发机的接收通道RX1作为基准通道，所述的矢量网络分析仪检测并计算得到矢量网络分析仪的第二端口接收的信号与矢量网络分析仪的第一端口的信号的相位差Δ

作为本发明的优选实施方式，所述的校准MIMO收发机的接收相位时计算相位差Δ

根据以下公式在校准MIMO收发机的接收相位时计算相位差Δ

Δ

其中，Δ

该基于权利要求1所述的系统实现大规模MIMO收发机相位校准处理的方法，其中所述的方法包括校准MIMO收发机的发射相位的处理过程，具体包括以下步骤：

将信号源的输出信号作为基准通道，所述的矢量网络分析仪检测并计算得到矢量网络分析仪的第二端口接收的信号与矢量网络分析仪的第一端口的信号的相位差Δ

所述的方法包括校准MIMO收发机的接收相位的处理过程，具体包括以下步骤：

将MIMO收发机的接收通道RX1作为基准通道，所述的矢量网络分析仪检测并计算得到矢量网络分析仪的第二端口接收的信号与矢量网络分析仪的第一端口的信号的相位差Δ

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤的校准MIMO收发机的发射相位时计算相位差Δ

根据以下公式在校准MIMO收发机的发射相位时计算相位差Δ

Δ

其中，Δ

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤的校准MIMO收发机的接收相位时计算相位差Δ

根据以下公式在校准MIMO收发机的接收相位时计算相位差Δ

Δ

其中，Δ

本发明的该用于实现大规模MIMO收发机相位校准处理的装置，其中所述的装置包括：

处理器，被配置成执行计算机可执行指令；

存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的实现大规模MIMO收发机相位校准处理的方法的各个步骤。

本发明的该用于实现大规模MIMO收发机相位校准处理的处理器，其中所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的实现大规模MIMO收发机相位校准处理的方法的各个步骤。

本发明的该计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的实现大规模MIMO收发机相位校准处理的方法的各个步骤。

本发明的具体实施方式中，需要解决系统自身基准通道相位抖动引入的相位误差以及相位校准值可靠性问题，从而保证系统相位一致性的问题。

本发明提供了一种全新的大规模MIMO系统相位校准方法，具有可靠性高、抖动低等优点。本发明包括MIMO收发机一台、信号源一台、矢量网络分析仪一台、数据流控制软件一个。采用本发明方法，可有效提升大规模MIMO收发机中相位校准的准确性及可靠性。具体实现方案如下：

MIMO发射机相位的校准方案如图4所示，使用信号源输出信号作为基准通道，将信号源输出连接至矢量网络分析仪的第一端口，逐个切换MIMO发射机发射通道TX1至TXn连接至矢量网络分析仪的第二端口，矢量网络分析仪检测第二端口，即TXi过来的信号与第一端口的相位差Δ

本发明方法中的Δ

信号源输出信号的相位噪声非常低，因而相位抖动也极小，可以认为Δ

一般经济型信号源的相位抖动为0.1°，那么传统的校准方法(取决于不同价格的本振源)的相位校准值会额外引入1～10°的相位误差，校准数据可靠性非常低，大规模MIMO发射机之间的相位一致性也很难保证。

由此可见，使用本发明方法，大大降低了基准通道的相位抖动，提升了发射通道的相位校准数据可靠性，保证了大规模MIMO发射机的相位一致性。

MIMO接收机相位的校准方案如图5所示，信号源输出信号经过功分器一分为二，一路连接至矢量网络分析仪的第一端口，另一路逐个切换连接至MIMO接收机的接收通道RX1至RXn。基带单元增加数据流控制软件，将RX1～RXn依次连接至TXn(TX可以是任意一个TXi)，再将TXn输出的信号连接至矢量网络分析仪的第二端口。

RX1作为基准通道，另一路逐个连接至剩余接收通道，基带内部检测当前连接的RXi端口相对于RX1端口的相位差作为该端口的相位校准值。该方法同样存在基准自身相位抖动误差叠加到其它接收通道校准中的问题，影响了大规模MIMO接收机的相位一致性。矢量网络分析仪检测第二端口，即RXi-TXn过来的信号与第一端口的相位差Δ

本发明方法中的Δ

每个接收通道的校准值Δ

同样的，信号源输出信号的相位噪声非常低，相位抖动极小，可以认为Δ

由此可见，使用本发明方法，大大降低了基准通道的相位抖动，提升了接收通道的相位校准数据可靠性，保证了大规模MIMO接收机的相位一致性。

在实施例中，现分别采用本发明方法和传统方法校准了64通道的MIMO收发机相位，频率3.5GHz。为了验证本发明方法的有效性，将校准值代入MIMO收发机后使用相同的测量方法进行相位一致性测试，测试结果如图6和图7所示。

图6中，使用传统MIMO收发机相位校准后的相位一致性测量结果显示，64通道的MIMO接收机相位一致性为7.8°，MIMO发射机相位一致性为5.8°。

图7中，使用本发明方法MIMO收发机相位校准后的相位一致性测量结果显示，64通道的MIMO接收机相位一致性为2.9°，MIMO发射机相位一致性为2.9°。

从两组测量结果可以看出，使用本发明方法进行MIMO收发机的相位校准，解决了自身通道相位抖动对校准结果的影响，提升了校准数据的可靠性，从而保证了大规模MIMO收发机的相位一致性。

相位校准，常用的仪表即为矢量网络分析仪，矢量网络分析仪1端口发射信号，2端口接收信号，接收到的信号相对于其自身发射的信号相位差，即为矢量网络分析仪测量到的相位差。

本发技术方案虽然也是使用的矢量网络分析仪测量相位，但是并不是用矢量网络分析仪自身发射的信号作为参考。如文中所诉，矢网发出的信号相噪一般，通过计算可得到它自身相位就存在抖动。很多相位测量中，不在意这么小的相位抖动，所以一般不用管。但对于MIMO系统，尤其相位一致性指标要求比较高的时候，就必须把矢网自身的相位抖动值也要尽可能降低。

本发明专利中矢量网络分析仪使用的模式为双收模式，不同于现有技术，使用信号源作为基准信号连接至矢网1端口作为参考信号，同时信号源经过MIMO系统后的另一个信号连接至矢网2端口。矢网不是用收到的信号减去自身发射的信号，而是用2端口收到的信号相位减去1端口收到的信号相位作为相位差。信号源的相位抖动几乎为0，所以矢网双收的两个信号的相位差就比较确定，不会受1端口信号抖动影响而影响校准结果。本实施例的具体实现方案可以参见上述实施例中的相关说明，此处不再赘述。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

采用了本发明的实现大规模MIMO收发机相位校准功能的系统、方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，解决了大规模MIMO系统自身基准通道相位抖动引入的相位误差较大，以及相位校准值可靠性问题，保证了大规模MIMO收发机系统的相位一致性。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。