專利名稱：確定空間特征以便校準具有天線陣的通信站的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信系統領域，更具體而言，涉及用于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于任何利用一個天線或若干天線發送或接收射頻信號的無線通信接收機或發射機或發送接收機(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的天線在天線性能上有改進。這些天線性能改進包括對于接收信號來說有改進方向性，信號噪聲比，和干擾排除，對于發送信號來說有改進方向性，安全性，和降低發射功率要求。可將天線陣只用于信號接收，只用于信號發送，或既用于信號接收又用于信號發送。
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，每個與其也稱為遠程終端和手機的用戶單元通信。在蜂窩系統中，遠程終端可以是移動的或在固定的位置上，當處于固定位置上時，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于基站。對于通信方向的術語來自通常的衛星通信，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發送，在上行方向接收。也可將天線陣用于無線通信系統，以增加空分多址(SDMA)的容量，這是在相同的“通常的”(FDMA，TDMA，或CDMA)信道上，每次與幾個用戶通信的能力，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(包括空間處理)。見共同擁有的美國專利5,515,378“SPATIALDIVISION MULTIPLE ACCESS WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM”，美國專利5,592,490“SPBCTRALLY EFFICIENT HIGH CAPACITY WIRELESSCOMMUNICATION SYSTEMS，”美國專利5,828,658“SPECTRALLY EFFICIENTHIGH CAPACITY WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS WITH SPATIO-TEMPORAL PROCESSING”，和美國專利申請串號08/729,390“METHOD ANDAPPARATUS FOR DECISION DIRECTED DEMODULATION USING ANTENNAARRAYS AND SPATIAL PROCESSING”。將利用天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上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--也就是干擾，為最小。這樣的基帶幅度和相位調節可用復數值的權來描述，即接收權，對于天線陣所有元件的接收權可用復數值向量，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復數值的權，即發送權來描述，對于天線陣所有元件的權可用復數值向量，發送權向量來描述。在某些系統中，接收(和/或發送)權包括臨時處理，被稱為用于空間臨時處理的空間臨時參數。在這樣的情況下，接收(和/或發送)權可以是頻率的函數并應用于頻率域中，或者等效地，是作為卷積核應用的時間函數。另一種方案是，如果對于被采樣的信號，每個卷積核本身可用一組復數來描述，則可將卷積核向量改寫為復數值的權向量，對于有M個天線，每個核有K個表列值的情況，將是一個KM個表目的向量。
接收空間特征表征基站天線陣在不存在任何干擾或其他用戶單元的情況下是如何從一個特定的用戶單元接收信號的。可利用不同的技術確定用于特定用戶的接收權向量。例如，可從空間特征確定。也可從在天線陣接收到的來自遠方用戶的上行信號，利用關于這些上行信號的某些知識，例如，所用的調制類型來確定。一個特定用戶的發送空間特征表征遠方用戶在不存在任何干擾的情況下是如何從基站接收信號的。用于在下行與一個特定的用戶通信的發送權向量或者從接收權向量(見以下“對校準的需要”欄目)確定，或者從特定用戶的發送空間特征和其他用戶的發送空間特征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。
美國專利5,592,490“SPECTRALLY EFFICIENT HIGH CAPACITYWIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS”描述空間特征和它們的使用，美國專利5,828,658“SPECTRALLY EFFICIENT HIGH CAPACITY WIRELESSCOMMUNICATION SYSTEMS WITH SPATIO-TEMPORAL PROCESSING”，引入于此作為參考，它描述利用空間臨時特征如何將此擴展為空間臨時處理。
因此，當在此的描述通過空間特征提供時，增加時間均衡以提供空間臨時處理是容易提供的，例如，當臨時處理是利用帶有K個抽頭的均衡器(也就是在權卷積函數中卷積核的長度是K)時，通過增加可由MK向量(既有上行又有下行)描述的空間臨時特征的概念來提供。因而，如何修改本發明以適應空間臨時處理和空間臨時特征，對于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并引入于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征，都可認為是將本發明應用于裝備有空間臨時處理裝置的通信站的范圍內的空間臨時特征。
對校準的需要對于一個特定的用戶來說，從接收權向量確定發送權向量是所希望的。更一般而言，從由此用戶接收到的信號確定適當的發送信號用于發送到特定的用戶是所希望的。對于一個特定的用戶來說，實際的問題可能難以從接收到的權向量確定發送權向量。頻分雙工(FDD)系統是這樣的，其中與一個特定的遠方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，其中與一個特定的遠方用戶的上行和下行通信發生在相同的頻率但不同的時隙中。在TDD系統中，由于眾所周知的互易原理，可以預料，從接收權向量確定發送權向量是簡單的。但是，在上行，待處理的接收到的信號可能多少有些畸變，這是由于與天線陣的每個天線元件有聯系的接收電子設備(接收設備鏈路)引起的。接收電子設備鏈路包括天線元件，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，對于每個天線陣元件有分離的接收電子設備鏈路，因此，在每個天線元件上每個接收到的信號的幅度和相位由每個接收設備鏈路引起的畸變可能是不同的。另外，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，衰落和影區效應，多徑，和近場散射，這些效應可以是各個天線元件各不相同的。注意，接收電子設備鏈路和RF傳播效應一起組成對于遠方用戶的上行空間特征。不考慮這些接收電子設備鏈路和RF傳播效應的接收權向量將有差錯，使得在基站低于最佳接收。然而，實際上，通信仍然是可能的。當利用接收到的信號的特征的某些知識，例如，所用的調制類型，來確定接收權向量時，這樣一種方法已經考慮到上行接收電子設備鏈路和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路。因此，可能在所發送的信號中引起不同的幅度和相位偏動。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路和RF傳播中的差別，則從基站的發送可能很難達到。如果發送權向量并不考慮發送電子設備鏈路和發送RF傳播效應中的差別，可能導致進一步的困難，可能使利用這樣一種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，用以補償在接收鏈路和上行RF傳播的信號中產生的不同的幅度和相位誤差，用以補償在發送鏈路和下行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從由遠方用戶接收到的信號組確定供發送到遠方用戶的發送權向量。應該補充的是，因為在接收和發送設備鏈路中產生的相位和幅度偏動，一般，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。
大家知道，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因數(也就是復數值時間序列)卷積可以實現補償，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路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，這可被簡化為倍數校正，其中每個校準函數是一個校準因數-一個復數值的數，描述為補償所需的幅度和相位校正。一般，校準函數組規定校準向量函數，每個元件一個校準函數。在倍數校正的情況下，校準因數組規定校準向量，每個元件一個校準因數。
從接收權向量確實發送權向量，在FDD系統的情況下對于一個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，用心補償在接收鏈路和上行RF傳播中的信號中產生的不同幅度和相位誤差，和補償在發送鏈路和下行RF傳播中產生的不同的幅度和相位誤差。一般，與遠方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，需要能確定上行和下行空間特征。
在沒有可能獨立于遠方用戶位置的校正因數的情況下，當存在某些函數關系，使得能夠從接收到信號和某些參數，例如，到達的角度，確定發送權向量供使用時，仍然需要確定一組校準函數，用于補償在接收鏈路和上行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路和下行RF傳播中產生的不同的幅度和相位誤差，這些函數與遠方用戶的一個或多個參數有關，例如到達的角度。
對特征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路和上行RF傳播的信號中產生的不同的幅度和相位誤差，和在發送鏈路和下行RF傳播中產生的不同的幅度和相位誤差。特征估計的目的是確定表征這些差別的上行和下行空間特征。因此，當或者1)RF傳播效應抵消，使得下行權可從上行信號或權確定，或2)存在某些簡單的RF傳播效應的函數關系，使得上行權可從上行信號和遠方用戶的某些參數，例如上行信號的到達角度，被確定時，校準是特征估計的一種特殊情況。
其他方法已知的用于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，對于重復使用來說，顯得笨重和麻煩。其次，通常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精確。另外，某些已知技術只確定倍增而不是卷積核校準，不管對校準天線陣中頻率有關組分的需要。為了消除這種頻率依賴關系，并仍然使用倍增校準，必須為每個通信的頻率信道校準天線陣。第三，RF電子設備的傳遞特征取決于改變著的環境條件，例如溫度和濕度，這就使重復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No.5,274,844(1993，12，28)中公開了一種方法，用于在兩個實驗中分開校準發送和接收鏈路(作為復數值向量傳遞函數)，該實驗包括將資源控制器連到遠程終端的數據總線。在第一個實驗中，數據總線對遠程終端指明發送已知信號到基站。這就確定了接收設備鏈路的校準。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回送到資源控制器，使得確定發送設備鏈路的校準。
1996年8月13日頒布的，并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，利用一個與遠程終端在一起的簡單的轉發器，將在遠程終端上從基站接收到信號重發到基站，可以既確定發送又確定接收校準，這樣一種方法并不需要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專利申請出版WO 95/34103(1995，12，14出版)，標題是“ANTENNAARRAY CALIBRATION”，發明人Johannison等，公開了一種方法和設備，用于校準天線陣的發送(和接收)。對于發送校準，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后，由每個天線元件發送的信號被校準網絡采樣。將所得到的信號送入接收機，和一種計算裝置將接收到的信號與對每個天線元件的原來的發送信號相聯系。然后可為每個天線元件構成校正因數。利用該校正因數可以調節天線元件(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。對于接收校準，產生已知的輸入信號并利用校準網絡(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，因此由每個天線元件接收到的信號通過波束形成設備進行測量。然后，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，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 ANTENNAMANAGEMENT SYSTEM AND CALIBRATION METHOD”(在此用“Wachs”表示)描述一種管理系統和校準方法，用于相控陣天線，采用在波節操作期間進行的系統級的幅度和相位的測量。在逐個元件的基礎上確定，用于天線的各個鏈路的跟蹤性能。該系統和方法利用探查載波測量各個元件鏈路的幅度和相位。從測得的幅度和相位數據為每個鏈路確定所需的校正系數，單獨地補償每個單獨的元件鏈路以糾正幅度和相位誤差。系統在位于衛星上的相控陣天線通信站上分開地校準前向和回程鏈路的相控陣天線。在一種實施方案中，使用一種分離的遠程校準站。為了校準發送路徑，將探測信號被交替地從一個元件(參考元件)和一個待測元件發送到校準系統上的天線。將在該校準站上接收到的信號比較以確定校正。將分離的通信鏈路用于提供校準站和衛星之間的通信。在接收方向中，將遠程校準站用于發送到相控陣的所有天線元件。但只有兩個元件被交替地采樣以形成校準載波。然后將該校準載波在K頻段上下行傳送到入口中樞站供計算。在一種替代的實施方案中，將在衛星通信站上的一種本地檢測天線用于對發送天線元件的輸出采樣。在兩種實施方案中，對接收和發送路徑實施分離的校準，需要附加設備，或者是一個分離的遠程校準站，帶一個附加的鏈路，或者是一個分離的檢測天線系統。Wachs系統的幾個特征是明顯的。首先，在分離的校準站或探測天線的形式中需要附加的硬件。其次，為校準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硬件用于形成和發送這樣的波形。校準站需要特殊的接收/解調硬件，不可能再使用標準硬件。因此，有這樣的可能性，被適配成在無線通信系統中使用的Wachs類的系統可能不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提供分離的校準。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，因而需要附加的硬件供處理這樣的波形，并且也不符合任何已建立的空中接口標準，所以面臨著不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路徑的校準的已知系統較適當地歸類為在此所采用的校準定義下的空間特征估計技術。
Parish等在共同擁有的美國專利申請08/948,772“METHOD ANDAPPARATUS FOR CALIBRATING A WIRELESS COMMUNICATION STATIONHAVING AN ANTENNA ARRAY”中，描述了一種校準方法，用于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聯系的接收機電子設備鏈路中接收所發送的信號。將這個過程重復，利用其他的發送設備鏈路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為校準因數所需的所有的天線元件發送為止。用于每個天線元件的校準因數被確定為有關的發送電子設備鏈路和接收電子設備鏈路傳遞函數的一個函數。當下行和上行通信發生在相同頻率的信道中時，對于任何天線元件確定一個單一的校準因數。在Parish等的發明的一種改型中，單一的校準因數在相位上是與特定的天線元件有關的發送設備鏈路傳遞函數的相位與接收設備鏈路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于從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，能夠不需要某些附加的設備，如轉發器從上行的權組確定下行的權組，并校準基站電子設備路徑中的差別，Parish等的方法不可能適合于估計空間特征，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于任何其他目的。
在現有技術中也沒有提到通過組合從多個遠程發送接收機測量進行校準的能力。
想望的特征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的精度是十分重要的。如果校準信息不準確，那么在下行上的波束型式將被嚴重畸變。將較少的能量朝目標用戶輻射，將過多的干擾朝同頻道輻射。這將對下行信號質量和下行范圍有負面的影響。最終，一個壞的校準策略可能大大地降低無線網的容量。
校準方法的一個想望的特征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。這樣一種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，基本上符合它們所在的無線通信系統的特定的空中接口標準。這就能再使用標準硬件，并且也保證不違背標準，保持與利用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制，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，“調制”是在該標準中所規定的特定的調制方案。
另一個想望的特征是該方法可用于特征估計，以便也計算出RF路徑中的差別。
校準方法的另一個想望的特征是容易使用，能夠快速地，頻繁地實施校準，甚至例如，頻繁到一分鐘幾次。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。
校準方法的另一個想望的特征是每個用戶單元支持校準。
對校準系統的另一個想望的特征是能夠在用戶單元內實施某些或全部為校準對接收到的數據的處理，因此不需要用戶單元將接收到的數據送回到基站和不需要基站實施全部的處理。因而通過將負載“分配”到智能用戶單元，可大大地降低基站的計算負擔。這個特征是特別所希望的，例如，對于服務于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幾次的校準的場合。
另一個想望的特征是能夠在基站上任何可用的通常信道上啟動校準，例如，FDMA/TDMA系統的任何載波和任何時隙。這種特征增強靈活性，因為可以選擇在使用時刻可得到的任何時隙和任何載波。
對于校準方法的另一個想望的特征是能夠校準一個基站，不必要讓基站為校準脫機，因而能夠使基站校準被實施，而同時基站服務于成百個呼叫，例如，在FDMA/TDMA/SDMA系統中其他載波(頻隙)/時隙/空間信道上進行。這種特征對于同時服務于許多通常信道(例如，對于FDMA/TDMA系統的載波)的寬帶基站特別重要。
對于校準方法的另一種想望的特征是能夠實施快速校準，甚至在一個現存的呼叫期間進行幾次。
對于校準方法的另一個想望的特征是在進行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。
對于校準方法的另一個想望的特征是能夠通過組合測量利用幾個遠方的發送接收機實施校準，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干擾環境。
對于校準方法的另一個想望的特征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，是否從幾個遠方站進行組合可能是必要的。
另一個想望的特征是高準確性，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，對于包括所有或大多數以上特征的校準方法和設備，在技術上仍然有需要。例如，需要一種系統和方法，它是準確的并且無論就必要的設備還是所需的時間來說都是簡單的，以致校準可被在所要的無論何地，無論何時，重復地，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，并不需要專門的校準硬件。在技術上也需要一種方法，能夠從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，所得到的校準利用簡單的技術，使用現有的基站和用戶單元電子設備，并不需要專門的校準硬件。
因此，在技術上仍需要高效率的方法，以確定上行空間特征，用于校正在上行RF路徑和接收電子設備中的差別，和確定下行空間特征，用于校正在下行RF路徑和發送電子設備中的差別。
概述本發明的一個特征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，該校準只利用該通信站和用戶單元。
本發明的另一個特征是提供能夠利用已校準的發送權向量的校準，發送權向量本質上由接收權向量確定，校準考慮了電子設備路徑中的差別。
本發明的另一個特征是確定能夠利用已校準的發送權向量的空間特征、發送權向量本質上由接收權向量確定，校準考慮了電子設備路徑和RF傳播路徑中的差別。
本發明的另一個特征是能夠確定與通信站通信的用戶單元的上行空間特征，確定工作只利用通信站和用戶單元。
本發明的另一個特征是能夠確定與通信站通信的用戶單元的下行空間特征，確定工作只利用通信站和用戶單元。
還是本發明的另一個特征是校準一種具有天線陣的通信站，校準容易并且對于那些當前不被校準的通常的信道，未使通信站脫離空中接口。
還是本發明的另一個特征是校準具有天線陣的通信站，校準能夠在用戶單元上部分地或全部地被實施。
還是本發明的另一個特征是校準通信站，該校準方法提供高準確度，并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，I/Q失配，和相位噪聲有抵抗能力。
本發明的另一個特征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并使實行經常的和日常例行的系統校準成為切實可行。校準能夠使用已校準的發送權向量，該發送權向量本質上從接收權向量確定，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。
還是另一個特征是能夠快速校準，甚至在現存呼叫期間進行幾次。
還有另一個特征是在進行呼叫期間能夠以一種無接縫的方式實施校準。使得通信站可在一個特定的呼叫期間連續地校準自己。
還是另一個特征是能夠通過組合測量利用幾個遠方的發送接收機實施校準，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干擾環境。
還是另一個特征是能夠確定是否校準是準確的，例如，通過實施統計測量，與能夠將這樣的信息反饋到通信站一起確定，例如，是否從幾個遠方站進行組合可能是必要的。
通過閱讀在此以下所提供的本發明的最佳實施方案詳述，這些和其他的特征將更為清楚。
附圖簡述從本發明的最佳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，不應該將本發明限于任何特定的實施方案，它們只是用于解釋和更好的理解而已。藉助于以下的圖依次解釋這些實施方案。
圖1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示出發送權產生器的內部結構；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示出在基站上的上行特征估計；圖10示出在用戶單元上的下行特征估計；圖11用于利用正常的TCH脈沖串穿插的校準脈沖串實現確定下行特征的一種方法的一種實施方案的流程圖；圖12示出本發明的內容可被實現的一種典型的用戶單元結構；
圖13示出用于下行特征估計的一種兩天線元件實施方案的測試結果；圖14示出利用一種單發射機和天線元件，進行下行特征估計的方法的一種實施方案的測試結果；和圖15示出利用一種單發射機和天線元件，但與用于得到圖14的結果不同的頻率組，進行下行特征估計的方法的一種實施方案的測試結果。
最佳實施方案詳述對參考數字的注解在參考數字中的頭一個或兩個數字指明參考數字首先在哪張圖上被引入。在100和199之間的參數數字首先在圖1被引入，在200和299之間的參考數字首先在圖2中被引入，依次類推。例如，參考數字111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，1211首先在圖12中被引入。
一般系統描述本發明最好在無線蜂窩通信系統中實施，該系統包括一個帶有多重天線陣的基站(也就是，發送接收機，通信站)，利用智能天線技術供上行或下行或兩者通信。最佳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，引入于此作為參考的共同擁有的美國專利申請08/729,390詳細描述了一種移動系統基站的硬件，基站最好有四個天線單元。雖然本發明對于移動和固定的用戶單元的狀況都是有用的。在此被提供的詳細情況是對于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WLL基站被描述在美國專利申請09/020,049“POWER CONTROLWITH SIGNAL QUALITY ESTIMATION FOR SMART ANTENNA COMMUNICATIONSYSTEMS”中，引入于此作為參考，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 FORRAPID INITIAL CONTROL SIGNAL DETECTION IN A WIRELESSCOMMUNICATION 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，并可擁有任何數量的天線元件，在此所描述的許多模擬裝置將假定是六天線陣。對于本領域的技術人員將很清楚，本發明可在任何基于智能天線的系統中實施，利用帶有每個通常的信道一個或一個以上空間信道的任何空中接口，并具有移動的，固定的，或移動的和固定的用戶單元的組合。這樣的一種系統可以是模擬的或是數字的，并可利用頻分多址(FDMA)，碼分多址(CDMA)，或時分多址(TDMA)技術，后者通常與FDMA組合(TDMA/FDMA)。
注意，雖然最佳實施方案將本發明應用到具有基站，每個基站有用戶單元的無線通信系統中，本發明也適用于從一種無線電站到另一種無線電站的同級通信。并沒有內在的需要規定基站或用戶單元的概念，如何修改本描述使適合同級的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裝有天線陣的無線電發送接收機，用戶單元可以是任何遠離裝有天線陣的發送接收機的其他無線電發送接收機，并能夠利用某種調制方案與裝有天線陣的發送接收機通信。雖然最佳實施方案描述了一種基站，具有既用于上行(接收)處理又用于下行(發送)處理的單一天線陣，利用在上行和下行上進行自適應智能天線處理的裝置，本發明也適用于一種基站，只具有供發送處理的天線陣，也適用于一種基站，對上行處理和下行處理使用分離的天線陣。當接收信號只使用單一天線時，校準因數就是下行特征，因為所有接收到的信號通過相同的接收電子設備鏈路。很清楚天線的“數量”就是“現役的”天線的數量，也就是，用于通信的天線的數量。
雖然在此所描述的實施方案中校準被規定用在自適應智能天線處理中，校準可用于任何其他目的，以致裝有天線陣的發送接收機甚至不需要包括用于自適應智能天線處理的裝置。
圖1描述通過本發明可被實施的一種典型的基站的上行和下行信號流。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。在最佳實施方案中，基站具有單一的天線元件陣，既用于接收又用于發送，所以使用一個接收/發送單元107。對于頻率域，雙工單元107是一個頻率雙工器，對于時間域，如最佳實施方案中所用的那樣，雙工單元107是一個開關。在下行，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。在本描述中，所有接收RF電子設備的特征，包括所有的電纜和開關的特征以及RF接收機，和其他接收路徑的特征全被總括在一起。接收RF電子單元109將RF信號轉換為基帶信號110。在最佳實施方案中，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，產生從一個特定的用戶單元，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復數值(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希望的信號成分被最大量地增強，不希望的成分被最大量地壓制。
通過鎖定在已知的訓練序列上，或利用某種面向決策的技術，或者“盲目地”利用信號中某種其他的特殊結構來計算復數值接收權。一般，為了實施上行(也就是接收)權的計算，并非一定要了解接收電子設備的相位和幅度關系。對于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話音或帶有指向網絡接口單元(NIU)的信號的數據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指標進行調制。發送信號處理器123包括分配的已調基帶信號的復數值加權的復制品124(根據一組復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，目的是天線陣105的每個天線元件一個信號。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，使得天線陣朝一個特定的用戶單元(“波束形成”)輻射大部分的能量，朝共同信道的用戶發送最少的能量(“空置”)。在最佳實施方案中，發送權組118直接從由接收信號處理器111產生的接收權組115算得，計算是由發送權產生器117實時進行的。然而，在此計算期間，發送權產生器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路徑，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。在最佳實施方案中，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描述中，在基站天線陣105中的元件數將標記為M。因此，在上行有M個來自用戶單元的信號路徑，接收信號處理器111M個輸入中每個輸入一條信號路徑。同樣，在下行，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一條。這些信號路徑中每一個在此用表征基帶信號的相位和幅度畸變的復數值數來描述。作為一種緊湊的表示法，在本描述中，上行和下行信道在數學上分別用標記為arx和atx的M維復數值向量來描述，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有關的路徑。當來自(或到達)一個遠方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于對于一個利用數字調制方案的系統，如最佳實施方案的系統的符號周期時，這樣一種描述尤其準確。向量arx和atx可被辨別為(非正規的)分別對于用戶單元和此基站的上行空間特征和下行空間特征。
整個描述中，上行和下行特征，上行和下行權，將全描述在基帶中。對于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。在這樣一種情況下，特征和所有它的組分同樣將被規定在該頻段中。
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，一個單一的用戶單元可與它的基站一起實現校準。這也將很清楚，本方法能夠對任何用戶單元分開確定上行和下行特征。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)現役的用戶單元取得完全的特征信息。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征，這些特征包括在基站硬件中電子信號路徑的影響，對于用戶單元的上行和下行電子信號路徑之間的任何差別。當RF傳播到達和來自用戶單元是不同時，利用這樣的信息為每個用戶單元確定分離的校準。
另一種用法是用于校準基站，但不是利用基站和單一的用戶單元獲得單一的校準向量，而是利用幾個用戶單元確定單一的校準向量。在一種實施方案中，單一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。為利用特定的用戶單元進行估計給出的權重取決于由該用戶單元接收到的信號質量的一種量度，使得來自用戶單元的估計具有較好質量的信號，并在加權平均中加權得更多。一種用于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9/02,049中。現在描述信號質量估計方法的實施方案。
用N標記為估計所用的脈沖串的樣本數。首先通過組成同相和正交接收信號的平方和取出采樣的模信息。然后利用對采樣數平均作期望值運算確定平均功率和均方功率。
R2‾=1NΣl=1Nl2(t)+Q2(t),]]>和R4‾=1NΣl=1N(I2(t)+Q2(t))2.]]>注意，一旦瞬時功率R2(t)＝I2(t)+Q2(t)被確定，確定平方功率R4(t)＝[R2(t)]2只需要對每個樣本進行單次的附加乘法，所估計的信號對干擾加噪聲之比(SINR)被確定為信號質量估計，最好利用至少一個平方根運算，利用
SINR=2-R4‾/(R2‾)2/1-2-R4‾/(R2‾)2]]>=A-A1-A,]]>其中A=2-R4‾/(R2‾)2]]> 之比和量A有時被稱為峰態。
這種最佳的信號質量估計方法對頻率偏移不敏感，所以用于CM方法是特別有吸引力的方法，CM方法也對頻率偏置不敏感。
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一的校準向量估計，例如，從每個校準向量只取好的元件質量估計，然后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一的復數值數的幅度和相位來描述，所以對于1對M或M對1的系統用M維復數值向量來描述．對于FDMA或FDMA/TDMA系統，對于每個載波(每個頻段)可能需要不同的復數來描述相位和幅度畸變。
也注意到，常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，在一個載波的每個頻段內的RF傳播部分不適合用復數來描述，而適合于用傳遞函數來描述．甚至在這樣的一種情況下，利用上行和下行之間RF路徑中的互易性，當用于校準時，傳遞函數抵消，所以一個復數適當地描述對于一個天線的上行一下行信號路徑的校準，一個復數值M維校準向量是適當的。
有時，甚至通過接收機電予設備或發送電子設備或兩者的信號路徑并不適合用復數來描述，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，對于基帶信號每個上行和每個下行信號路徑用復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(在一個載波頻段內)相位和幅度基帶信號路徑的描述，對于本領域的技術人員將是清楚的，本發明的范圍肯定包括這樣的延伸。
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被分解為“傳播”和“電子設備”因數之積。在每個基站天線元件(在105中的一個元件)和用戶單元天線205之間，存在一個復數值的數，描述由于在上行和下行上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，衰落和影區效應，多徑，和近場散射。對于每個上行和下行，M這樣的數可被組合為M維復數值向量。分別規定grx和gtx為上行和下行的這些向量。在此grx和gtx被稱為傳播因數。在一種典型的低移動性的環境中，傳播因數在幾個幀上仍然是常數(也就是幾十到幾百微秒的時間內)。
同樣，存在著一個復數值數，描述在天線陣105的元件和相應的接收信號處理器111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，和另一個復數值數，描述在發送信號處理器123的輸入端和相應的天線陣105的元件之間的發送電子設備鏈路中基帶信號內發生的相位和幅度畸變。這些電子設備鏈路相位和幅度畸變包括由于電纜損耗，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殊部件，例如，表面聲波(SAW)濾波器和其他部件中的群延時產生的結果。如果基站硬件是穩定的，電子因數在被延伸的時間周期上(若干分鐘，小時或天)仍然是常數。對于每個發送和接收電子設備鏈路，有M個基于電子設備的因數。對于每個方向，這些因數可被組合為M維復數值向量。規定接收電子設備因數向量erx為M個接收電子設備鏈路的畸變向量，發送電子設備因數向量etx為M個發送電子設備鏈路的畸變組。
在圖2中，上行傳播因數向量grx被表示為211，上行電子設備因數向量erx被表示為215，而下行電子設備因數向量etx被表示為217，和下行傳播因數向量gtx被表示為219。
對于每個方向每個天線元件，這些因數的倍增特征在數學上可表達為arx＝grxerxatx＝gtxetx其中表示單元積(也就是Hadamard積)。
該最佳實施方案系統是頻分多址/時分多址(FDMA/TDMA)系統，其中每個通常的信道是頻率信道中的一個時隙(對于FDMA/TDMA系統，在此頻率信道被稱為“載波”)。特別是，時間被劃分為時隙幀，這樣的一個幀被示為圖3中的301。最佳實施方案的幀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)，后面是4個標記為0到3的發送時隙(項315，317，319和321)。因此，在最佳實施方案中，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，有理由假定上行和下行傳播因數是相同的。
grx＝gtx在FDD系統中，上行和下行傳播因數之間的關系可能是比較復雜的，但仍然可被確定。
上行權的計算在該最佳實施方案中，上行權由接收信號處理器111在基站101計算。上行權通過復數值M維復數值接收權向量(也稱為上行權向量)115概要表示，在此標記為Wrx，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情況。采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1，從天線元件接收到的信號106被接收RF電子設備單元109數字化并轉換為基帶。圖4示出接收信號處理單元111的最佳實施方案(通過編程)，包括接收(上行)權的計算。接收信號處理器111首先執行帶通濾波并補償頻率偏置，定時偏置，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”，并在圖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從已預處理的接收信號405組估計被發送的符號序列411。參考圖4，通過由接收(上行)權向量115描述的一組接收權幅度和相位中的加權，由空間處理器407確定來自特定的所希望的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間臨時處理器代替空間處理器407。利用空間臨時處理，加權由時間域中的卷積運算，或者等效地，頻率域中的乘法代替。卷積通常是有限的，對所采樣的數據進行，所以等效于將空間處理與利用帶有有效數量均衡器抽頭的時間域均衡器的時間均衡組合。也就是，在權向量中的每個權用有限數量的值代替。如果每個卷積函數的長度是K，那么不是確定復數值M權向量Wrx，而是確定復數值M乘K矩陣Wrx。
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于空間臨時處理。因為在整個的本描述中，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個樣本。那么所有的信號樣本可用(M×N)接收信號矩陣表示。為了適應空間臨時處理，(M×N)接收信號矩陣的N個樣本的每個行向量可被改寫為K行的第一行移位型，產生規模為(MK×N)的接收信號矩陣，通過規模為(MK×1)的權向量的Hermitian轉置(也就是復數共軛轉置)進行預乘，產生被估計的N個樣本的接收信號行向量。因此，空間臨時問題已被重新表達為權向量的確定問題。例如，對于基于協方差的方法，權向量是規模為(MK×1)的“長”權向量。重新安排“長”權向量中的項提供所要的(M×K)權矩陣。因而，雖然本描述在此是依據權和空間處理進行的，其范圍被規定包括空間臨時處理。
再次參考圖4和處理器407，首先利用上行權向量115的估值，例如來自以前幀的值。然后，信號估值408被解調器和參考信號發生器411解調，產生所發送的符號序列412的估值，然后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，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，它是一種由被估計的符號調制的已調信號并具有一種依據所用的特定的調制協議的正確的信號結構。這個參考信號，和已預處理的接收信號組405一起由權向量發生器409用于產生接收權向量115較好的估值。權向量發生器409實現一種確定權向量的最佳方法，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的信號復制品空間處理操作產生的信號偏離的量度。在最佳實施方案中，目標函數也包括限制權向量幅度的項。然后，從權向量發生器409獲得的下一個權向量的估值可由信號復制品操作407使用，也可由發送權發生器117使用。對于本發明的方法優先實施的基站結構方面的較詳細情況，見以上參考過的美國專利申請09/020,049。對于上行權向量計算進一步的詳細情況，見以上參考過的美國專利申請08/729,390和美國專利申請S/N 09/153,110“METHOD FOR REFERENCE SIGNAL GENERATIONIN THE PRESENCE OF FREQUENCY OFFSETS IN A COMMUNICATIONS STATIONWITH SPATIAL PROCESSING”。
下行權計算下行權118可被表達為M維的復數值權向量Wtx(稱為發送權向量，也稱為下行權向量)。在最佳實施方案中，下行權可直接從上行權算得。上行和下行信號路徑的對稱性被利用。示于圖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)和以前的空間處理(也就是逆多路轉換)信號(例如，參考圖4，參考信號410)之間的標量“信道”(在基帶中)的脈沖響應基本上與從基站發送的以前的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的相反方向的脈沖響應相同。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wrx*arx=wtx*atx----(3)]]>2.對于從相同的用戶單元接收和發送到相同的用戶單元(假定用戶單元使用相同的天線接收和發送)，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(grx＝gtx)基本保持的情況下，這意味著權向量應該基本上滿足Wrxerx＝Wtxetx(4)其中表示單元積(也就是Hadamard積)。注意，一般天線陣的波束型式取決于權向量，以及RF電子設備的傳遞函數。
當等式(4)只有一個解時，等式(3)對于Wtx有許多解Wtx＝Wrxerxetx， (5)其中表示單元除，因此，控制發送權產生的主要等式由下式給出Wtx＝WrxC， (6)其中校準向量133(標記為C)被定義為C＝erxCtx(7)
發送權發生器117的內部結構被示于圖6中。為了產生發送權向量118的元素，相應的校準向量133的元素被利用單元乘過程603乘以相應的接收權向量115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步驟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。在一個典型的TDD系統中，校準過程由以下步驟組成1.與一個適當的用戶單元建立連接；2.估計上行信道空間特征arx；3.估計下行信道空間特征atx；4.假定互易性，計算校準向量113為C＝arxatx＝erxetx； (8)5.終止與用戶單元的連接。
很清楚，為了確定校準函數，并不需要明顯地顯示或存儲上行和下行特征(步驟2和3以上)，代替的是可以直接進行到步驟4，從與上行和下行特征有關的中間量計算校準函數。對于本發明的用途，從這些中間量計算校準函數是等效于從上行和下行特征計算校準函數。
在當前的實現最佳實施方案的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。校準呼叫可在任何載波和任何時隙上被啟動，同時基站正在其他的載波和時隙上服務于校準的通信業務信道(TCH)的呼叫。
注意到，雖然在此的描述是用于由基站與用戶單元通信發生的校準，很清楚該范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，的專用發送接收機通信的基站。例如，可以利用包括在用戶單元中的硬件和軟件的子集實現校準。
注意到，最佳實施方案利用一種通信是按脈沖串進行的系統。因此，在此的描述利用術語“脈沖串”，所用的術語如通信業務脈沖串，校準脈沖串等。本發明肯定不限于脈沖串式的系統。一般與“脈沖串”等效的術語，既適用于脈沖串式又適用于在此所用的非脈沖串式的系統的是“波形”，因此，“校準波形”對于脈沖串式的系統是校準脈沖串，“通信業務波形”對于脈沖串式的系統是通信業務(或TCH)脈沖串，等等。
圖7示出一種典型的協議，包括依據本發明的內容的一種校準呼叫。不同的協議可被設計成用于其他的實施方案。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通信聯絡呼叫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。然后在上行(717)，接著在下行(719)上發送同步(“SYNCH”)脈沖串。最后，在步驟721，通信聯絡響應被發送到基站。對于協議的校準脈沖串階段705，用戶單元發送第一上行校準脈沖串或若干脈沖串(723)，使得基站可以估計上行信道。緊接此后，在步驟725，基站發送第一下行校準脈沖串(或若干脈沖串)，使得用戶單元可以估計下行信道。
注意到，在最佳實施方案中，校準脈沖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”，我們的意思是符合一種空中接口的信道結構和調制，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，“調制”是，例如，在PHS的情況下是π/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，校準波形由兩個或多個波形之和組成，每個符合PHS空中接口標準。因為這樣一些和自然地發生在利用頻率重復使用的多用戶通信系統中，符合一種空中接口標準的波形之和也被認為符合一種用于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，在最佳實施方案中，考慮的不是M個天線元件的整個陣，而是陣的子陣，每個少于M個元件，并獨立地校準每個子陣。在這種最佳實施方案中，可能需要一個或多個附加的上行校準脈沖串和一個或多個附加的下行校準脈沖串。每個用于每個附加的子陣，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被用虛線示出，應該理解，這表示與待校準的附加子陣一樣多的附加脈沖串。
在該特定的實施方案中，天線被與相對于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一個2元件子陣的集合，在每個方向中有M-1個脈沖串被用于校準(步驟727和729，每個執行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。這些子陣被示出作為虛線范圍內的天線。五個子陣是天線801和802的子陣#1(811)，天線801和803的子陣#2(813)，天線801和805的子陣#3(815)，天線801和807的子陣#4(817)，和天線801和809的子陣#5(819)。
在該最佳實施方案中，用戶單元具有某些智能化信號處理能力，使其能夠分析下行校準脈沖串或若干脈沖串。通常，某些下行信道估計可由遠方用戶單元實施，這部分的特征估計確定部分結果，在此稱為“下行特征有關信號”。在最佳實施方案中，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，下行特征有關的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，下行特征有關信號)通過利用某些標準消息協議，包括無限度的SACCH，FACCH，如在PHS協議中所描述的TCH有效載荷。PHS協議引入于此作為參考。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，RCRSTD-28，和改型被描述在協議組的PHS備忘錄的技術標準中(PHS MoU——見http//www.phsmou.or.jp)。這份消息作為步驟731示出，用于第一下行校準脈沖串，作為虛線733示出，用于使用附加脈沖串的那些實施方案，例如，用于其余的子陣。其他的有關信息(例如，信號質量估計或原始的I/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。對于用戶單元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申請09/020,049。
在校準過程結束時，基站計算校準向量并終止校準呼叫。呼叫終止709最好包括來自基站的脫開命令735，隨后是來自用戶單元的釋放消息737。
上行特征估計在該最佳實施方案中，上行特征估計發生在鄰近基站的現役用戶單元上。在服務信道被建立以后，用戶單元向基站發送上行校準脈沖串。在我們的特定的實施方案中，上行校準脈沖串是空閑的(無有效載荷)TCH脈沖串。在替代的實施方案中，可采用其他的順序，如何修改方法用于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，首先實施下行特征估計。在用戶單元上計算下行特征有關信號，優先是特征估計，然后發送到基站。然后這些信號被用于估計上行特征。
圖9描述用于確定上行特征arx的部件、在該最佳實施方案中，用戶單元(如單元141)包括上行校準脈沖串合成器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)，并產生第一校準脈沖串(在步驟723中)或第二校準脈沖串(在步驟727中)。脈沖串被從用戶單元天線911利用用戶的發送RF電子設備909發送。最佳實施方案用戶單元的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在發送期間是處于發送位置，并將發送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得到正常的通信業務脈沖串信號。在連到與另一個DSP設備，用于信號接收的RX DSP1205共同使用的存儲器1207的DSP設備中形成復數值(I，Q)樣本。對于在此描述的上行信道確定實施方案，TX DSP1211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沖串合成器907的功能。如圖9中所示，上行校準脈沖串由基站天線陣105接收并由接收RF電子設備109轉換成基帶信號110。然后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字信號處理設備(DSP)組成，被編程履行部件403，921和931的功能。預處理器403實施預處理，包括基帶濾波，除去頻率偏置，時間偏置，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，至于如何包括均衡，對本領域的技術人員將是清楚的并且不是本發明的主要關注之處。單元921包括單元407和411，并通過實施信號復制操作，解調和參考信號發生估計所發送的符號序列(參考信號)。在最佳實施方案中，用戶單元發送標準的TCH脈沖串，從而基站常設的TCH解調方法可為此目的使用。在一種替代的實施方案中，用戶單元發送預先規定的，明確告知的校準序列，因而可預存在基站上。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于圖9中，在其中使用預先規定的脈沖串段923代替發送信號估值410。信道識別單元931使用發送信號估值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征933。任何標準的系統識別技術可用于信道識別單元931中。以下的方法被用在最佳實施方案中。使用接收信號405的N個樣本和發送信號估值410。在最佳實施方案中，N＝50。也就是剛好50個脈沖串樣本被使用。用k標記N個樣本的時間指數，其中k＝0，1，…，N-1，用x(k)標記在時間k上的接收信號向量，用s(k)標記在時間K上發送信號估值。所得的上行信道特征估計如下a^rx=XS*(SS*)-1----(9)]]>其中矩陣X＝[x(0)x(1)…x(N-1)]和向量S＝[s(0)s(1)…s(N-1)]。本領域的技術人員可將此認作對接收信號用下式模型化的信道特征的最大似然率估計x(k)＝arxs(k)+v(k)，k＝0，1，…，N-1(10)其中v(k)標記在時間k上的相加噪聲向量，噪聲向量是統計獨立的，帶有均值E{v(k)}＝0和協方差矩陣E{v(k)v(k)*}＝σv2I，其中I是單位矩陣，同一分布的高斯隨機過程向量。然而，本發明的這部分并不取決于任何模型的假定。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，SystemIdentificationTheory for the User，Englewood-Cliffs，NJPrentice-Hall，1987，對于許多替代的系統識別方法是一個很好的來源，可被適配成在本發明中使用。也要指出，等式(9)的解和等效的解在此有時歸結為最大似然率估值，甚至當接收信號模型和對于最大似然率的其他條件不滿足也這樣，應該理解，術語“最大似然率估值”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，對于任何發送的S和接收到的X，利用任何帶有任何類型考慮中的噪聲的模型或不利用模型，采用等式(11)或等效方法，將落在“最大似然率估值”的名下。
下行特征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沖串。圖10描述了用于確定下行特征atx的部件。在最佳實施方案中，在基站101中的發送信號處理器123被編程作為下行校準脈沖串合成器1005以產生下行校準脈沖串(步驟725的第一脈沖串或步驟727的第二脈沖串取決于在本方法的實施方案中所用的脈沖串的數目，和在實施方案中的步驟)。這樣一種脈沖串最好通過從基站101中的存儲器調用脈沖串來產生。脈沖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)，然后通過發送RF電子設備125和天線陣105發送。
脈沖串在天線911上經用戶單元接收電子設備1009，在用戶單元中(例如單元141)被接收到。再次參考圖12，最佳實施例用戶單元包括RX DSP 1205，對于本實施方案，被編程為預處理器1011，以產生被標記為y(k)的采樣接收信號1012，其中k被用作時間指數，并且也被編程為下行信道識別處理器1013，利用接收到的信號1012和標記為M向量z(k)的發送信號組的被存儲型1019確定下行信道特征。被存儲型1019存儲在用存儲器1207組成的緩沖器中，然后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π/4 DQPSK調制并具有每秒192Kband的波特率。接收到的信號y(k)被四倍過采樣。當用于兩音調校準時(見下面)，所發送的校準波形是被適當調制的正弦波，在最佳實施方案中，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的部分被配置為一種環形緩沖器。然后數據被作為周期序列重復地讀出。
一個典型的用戶單元通常至少有幾個天線(在本發明最佳實施的WLL系統中是一個天線911)，這就限制對下行特征估計可得到的信息。對于一個典型用戶單元的硬件是簡單的，因為受尺寸和成本的約束，不能夠像典型的基站硬件那樣進行先進的，準確的處理。作為結果，在用戶單元上的接收信號可能有較大的畸變，包括，沒有限度，頻率和定時偏置影響，以及相位噪聲，這些可以降低下行信道估值的準確度，與例如上行估值相比就是這樣。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，我們的發明也工作。
在一種改進的實施方案中，基站使用專門設計的信號序列，對于以下的影響是健壯的，包括，無限度，頻率偏置，定時偏置，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，但有限的，信號處理能力的用戶單元就能獲得準確的結果。例如，下行校準脈沖串可由純音調組成。這使RX DSP 1205能被編程作為用戶單元中的預處理器1011，利用很少的計算實現頻率偏置和定時調節的估計。另一種方案，下行校準脈沖串可從偽隨機信號序列或線性調頻脈沖(掃頻)信號序列合成，使其有可能表征在較寬頻率范圍上的傳播信道。
讓行向量z(k)＝[z1(k)z2(k)…zM(k)]，k＝0，1，…N-1標記M個已調基帶信號z1(k)z2(k)…zM(k)的N個樣本(基帶中)，這些信號是從基站101由校準脈沖串發送來的。令y(k)，k＝0，1，…N-1標記在用戶單元上接收到的信號(在基帶中并在預處理1011以后)的N個樣本。定義向量y和矩陣z分別為y=y(0)y(1)···y(N-1)z=z1(0)z2(0)···zM(0)z1(1)z2(1)···zM(1)···z1(N-1)z2(N-1)···zM(N-1),]]>下行特征估計1017最好在識別處理器1013中按下式確定a^tx=(Z*Z)-1Z*Y.----(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-1 (12)其中n(k)，k＝0，…，N-1，標記在接收信號中的某些相加噪聲，作為N個統計獨立，同一分布的高斯隨機變量形成的模型時，這就是下行特征的最大似然率估計。注意，本發明并不取決于符合這樣一種模型的接收信號樣本。也注意到，等式(11)的解和等效的解在此有時歸結為最大似然率估值，甚至當接收信號模型和對于最大似然率的其他條件未滿足也這樣，應該理解，術語“最大似然率估值”意思是當適當的線性信號模型和噪聲條件保持時，解將是最大似然率解。例如，對于任何所發送的Z和接收到的Y，利用任何帶有任何類型所考慮的噪聲的模型或不利用任何模型，采用等式(11)或等效方法將落在術語“最大似然率估值”的名下。
將噪聲樣本標記為一個向量n=n(0)n(1)···n(N-1),]]>那么，等式(12)可被表達為Y＝Zatx+n (13)注意，只有若Z具有線性獨立列的情況下，可依據等式(11)確定特征1017。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(或較少)天線元件發送M個(在子陣的情況下較少些)基本上“線性獨立的”信號。如果不可能找到恒定的復數值參數C1，C2，…，CM使得Σi=1Mcizi(k)=0,]]>對于k＝0，1，2，…，N-1，則M個所發送的信號Zi(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，校準脈沖串可被分成段，使得在任何給定的時間上只有一個天線元件是現用的(在時間域中的正交性)。另一種方案，天線元件可發送不同頻率的純音調(在頻率域中的正交性)。線性獨立信號也可從偽隨機信號序列或線性調頻脈沖信號序列合成。其他的技術對于本領域的技術人員是清楚的。
兩音調下行校準在該最佳實施方案中，將天線陣分成帶有一個公共參考元件的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，一個特定的子陣的每個天線元件在不同的頻率發送復數值正弦波。分別用ω1和ω2(每秒弧度)標記通過一個特定的子陣的第一天線元件的第一校準信號的頻率和通過一個特定的子陣的第二天線元件的第二校準信號的頻率。在這種情況下，值M是2，依據等式(11)的下行信道估值為
a^1a^2=NejΔωNT-1ejΔωT-1e-jΔωNT-1e-jΔωT-1N-1Σk=0N-1y(k)e-jω1kTΣk=0N-1y(k)e-jω2kT----(14)]]>其中T標記對于信號的采樣周期，Δω＝ω2-ω1標記在音調之間的頻率分隔。如果N被選取，使得觀測間隔NT是2π/Δω的整倍數，那么ejΔωNT＝1，我們得到簡單的公式a^1=1NΣk=0N-1y(k)e-jω1kT,----(15a)]]>a^2=1NΣk=0N-1y(k)e-jω2kT.----(15b)]]>將把這些分別認定為在ω1和ω2上接收到的信號的離散富里哀變換(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沖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因數并未包括在確定特征的過程中。
對于天線元件之一的相對的下行特征，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算得的。
在該最佳實施方案的實施中，RX DSP 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)是四倍過采樣的192kb/s的信號。也就是，每秒有784K的樣本。所用的兩個頻率是24kHz(對于K弧度/秒，除以2π)和-72kHz(回憶起，校準信號是復數值)。一般，頻率差Δω＝ω2-ω1越大，性能越好。在最佳的實施方案中，信號是通過對π/4DQPSK調制器(對于PHS是標準的)提供特定的位型式合成的。這使音調容易被合成。然而，π/4 DQPSK調制和特定的波特率意味著只有帶有頻率為+72kHz，+24kHz，-24kHz和-72kHz的信號可被合成。雖然最大的分離是在音調對+72kHz和-72kHz得到，72kHz信號比起24kHz信號更不像純音調，所以在最佳實施方案中所使用的兩個音調是+24kHz和-72kHz。在此以下的“性能”部分中討論。這種方案比利用+24kHz和-24kHz音調的好。實現信道識別處理器1013的DSP程序可被概述如下 注意，替代的實施方案可以使用不同的方法合成音調信號，并不包括那些音調可用的限制，這樣一些方法可能需要更復雜的實現過程，或者可以利用不同的正交信號。
利用音調校準脈沖串的該方法對于與頻率差Δω相比較小的頻率偏置和相位噪聲來說，對于相位噪聲和頻率偏置是健壯的。
當較大的定時偏置出現時，一種兩音調方法的改進實施方案使這樣一種定時偏置能被確定，并且這些量能對定時偏置校正。令τ標記發送信號被延時的恒定時間。在這種改進的實施方案中，校準脈沖串被分成兩個時間段，對于兩個脈沖串的分離點是相同的。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N1個樣本并將在用戶單元上接收到的信號用y1(k)，標記k＝0，…，N1-1.假定第一段觀測間隔N1T是2π/Δω的整倍數。從帶有第二相關脈沖串的用戶單元接收到信號的互相關與帶有第一相關脈沖串的用戶單元接收到信號的互相關之比確定對于時間偏置的估值
ejΔωτ=Σk=0N1-1y1(k)e-jω2kTΣk=0N1-1y1(k)e-jω1kT----(16)]]>在校準脈沖串的第二段，兩個正統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，并將在用戶單元上接收到的信號用y2(k)標記，k＝0，…，N2-1。如果N2被選取，使得觀測間隔N2T是2π/Δω的整倍數，那么Σk=0N2-1y2(k)e-jω2kTΣk=0N2-1(k)e-jω1kT=a2a1e-jΔωτ----(17)]]>將等式(16)和(17)組合引至所希望的兩個下行特征估值之比。為簡單起見，兩段做成相等的長度，N1＝N2。因為在第一個兩音調的實施方案中，所用的兩個頻率是24kHz和-72kHz(回憶起，校準信號是復數值)。用于RX DSP 1205依據包括校正定時偏置的第二實施方案實現信道識別處理器1013的DSP程序可概述如下。
對本領域的技術人員將清楚，可以對本方法作各種修改，包括無限度，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。不同的公式也可用于確定校準因數。
利用任何兩個點積是純音調的恒定模數信號是有利的。另一種方案是，可以，例如，對于第一段使用一個音調，對于第二段使用線性調頻脈沖信號序列。
也可以將本方法推廣到一次與兩個以上的天線打交道。以下的替代方法對于任何數量M的天線都是成立的。在該段的第一段(比如說頭一半)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。然后本方法進行如下以估計M天線元件陣(或子陣)。所用的標記是頭一半的相關由Ai標記，腳注i標記接收到的信號與哪個音調相關，而后一半相關用Bi標記，腳注i標記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ω1，ω2，…，ωM標記。
以上對于同時確定M個元件的特征的推廣可被修改以避免在第一段中的一個天線元件上發送所有M個音調之和。一般，可以假定，對于從基站的所有天線元件的發送來說，定時偏置是相同的。在此所描述的實施方案被實現的系統中，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)發送的音調之和被從第一段中的第一元件發送。如何用這種和許多其他的方法修改以上的推廣對于本領域的技術人員將是清楚的。
注意，雖然以上的討論提到抵消定時偏置，因數的除法也抵消任何相位偏置。
定時偏置的確定以上的討論也建議，發送多重信號，例如，純音調信號，如何通過非常少的計算可被用于確定用戶單元中的定時偏置。
為了確定定時偏置，執行以上的“改進的兩音調下行方法”的步驟1，2和3。在步驟3中，量C1基本上就是exp-j(ω2-ω1)τ。因此，取對數并用Δω＝(ω2-ω1)除，給出定時偏置的估值。
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，A2/A1，…，AM/A1，分別給出M個量1，exp-j(ω2-ω1)τ，…，exp-j(ωM-ω1)τ。取最后的M-1個量的對數并對這些量的第一個除以(ω2-ω1)，第二個除以(ω3-ω1)，…，最后一個除以(ωM-ω1)，分別給出定時偏置τ的M-1個估值。這些值可被平均以給出定時偏置的最后估值。
在標準的通信業務信道呼叫期間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，將校準步驟放入用于正常的通信業務功能的兩個方向中的標準電話呼叫內是可能的。正常的通信業務功能依靠空中接口，并可包括解調，定時和頻率跟蹤，以及各種控制功能，如功率控制和轉交。例如，通過利用以上所描述的那樣的指向決策的技術，可以從標準的上行通信業務信道(TCH)脈沖串，估計上行信道特征。以上所描述的下行信道估計方法被修改如下在下行，基站以隨機方式朝用戶單元發送TCH脈沖串和校準脈沖串的混合體。也就是，校準脈沖串被用TCH脈沖串點綴。因為校準脈沖串可以引起聽得見的誤差發生，最好不經常地并在無聲周期內發送這樣的校準脈沖串。典型的無聲周期比脈沖串長，所以在一種改進的實施方案中，只在許多空閑的脈沖串被基站發送以后才發送校準脈沖串(代替TCH脈沖串)。
一種用作說明由用戶單元處理的實施方案示于圖11中，其中包括估計下行信道特征。在步驟1105中，用戶單元獲得原始的脈沖串并首先在被編程作為預處理器1011的接收信號處理器中對脈沖串進行預處理。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中被作為一個標準的TCH脈沖串解調。在步驟1111中，確定是否被解調的位符合標準的TCH脈沖串。如大多數標準協議中那樣，在用作說明的實施方案的系統中所用的PHS協議包括某種方法，確定何時一個序列被正確地接收到，例如根據存在一個特定的預先規定的位序列。在PHS標準中，有這樣一個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中通過檢測存在唯一字確定正確接收。其他的協議使用其他的技術，在無論什么協議中確定正確接收標準的TCH脈沖串的替代方法，利用該協議的技術說明對于本領域的技術人員來說將是清楚的。如果脈沖串被確定為一個標準的TCH脈沖，那么在步驟1113中該位序列被提交到聲碼器DSP 1209。如果，不是這樣，位序列并未被辨認為一個標準的TCH脈沖串，那么用戶單元在步驟1115中確定是否接收到的脈沖串是一個校準脈沖串。在此以上所描述的兩音調方法中，最好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，則存在高等級的依賴度，所以這是一個校準脈沖串。如果步驟1115的結果為是，這是一個校準脈沖串，那么在步驟1117中繼續下行特征估計的方法，所得到的下行特征在步驟1119中被送到基站。
利用SYNCH脈沖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，將校準脈沖串放入SYNCH脈沖串是可能的，校準脈沖串最好是兩段的多音調脈沖串(或兩段的兩音調脈沖串用于成對校準)。
性能對于兩音調方法的下行信道估計的準確性是通過利用來自最佳實施方案中所用的WLL系統的PHS基站和用戶單元進行試驗測量得到的。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組校準脈沖串被發送到用戶單元，用戶單元被編程保存接收到的信號。然后被保存的接收到的信號被用于計算有關的下行特征。計算是利用MATLAB環境(The Mathworks，Inc.，Natick，MA)脫機進行的。結果被示于圖13中，正如可以看到的那樣，對于試驗的載波頻率，兩個發送電子設備/天線元件具有不同的幅度增益并產生相對相位大約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+24kHz和-72kHz時的結果。正如可以看到的那樣，相角接近0.0，幅度接近1.0，正如所預料的那樣。利用兩個+24kHz和-24kHz的音調重復相同的試驗。結果示于圖15中。當利用這兩個音調時的誤差和方差大于利用圖14所用頻率時的情形。
利用幾個用戶單元在本發明的另一方面，校準因數可利用一個以上的用戶單元得到，并作為從這些用戶單元得到的特征的一個函數來確定。這些甚至可以是所有的用戶單元。這種函數可以是，例如，主分量，平均，或矩心。在組合步驟的最佳實施方案中，采用主分量方法。通過組成一個矩陣A＝[a1…aNS]將分別從用戶1，…，NS收集到的特征a1…aNS組合，并計算AHA的主分量(相應于最大幅度本征值的本征向量)，或者，等效地，找出對應于A的最大單數值的左側單數向量。在一種改進的實施方案中，每個用戶單元也得到一個信號質量估值，這些估值被送到基站。任何用戶單元實行的信號質量確定方法可被采用，在最佳實施方案中所用的用于確定信號質量的方法(和設備)是基于峰態的方法，被公開在以上參考過的美國專利申請09/020,049中，在此以上也被描述過。也注意到，信號質量有關的測量已經可以為功率控制的目的在基站得到。當信號質量估值可得到，就得到加權平均的校準因數，利用用戶單元依據對該用戶單元的接收到的信號質量對校準因數加權。例如，利用主分量方法，特征估值是加權特征矩陣A＝[β1a1…βNsaNs]的主分量，其中β1，…，βNS是對于各個用戶單元1，…，NS的加權因數。
在另一方面中，校準因數再次可作為從幾個(甚至全部)用戶單元獲得的校準因數的一個函數得到。然而，函數考慮來自這些用戶中每一個的特征估值的每個元素的相對“質量”。這適用于一個用戶單元，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，某些特征估值元素和相應的校準因數元素被舍棄。例如，可以舍去具有小于某個幅度閾值的較小(歸一化)幅度的特征元素。另一種方案是，可以利用特征估值將預測的接收到的信號與實際的接收到的信號作比較，從而確定每個元素的殘差(例如，對一個脈沖串的誤差平方平均)并舍去產生較大殘差的特征元素。然后，可以將幾個這樣的“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值。作為一個例子，假定在一個陣(或子陣)中有四個天線元件，分別在標記為SU1，SU2和SU3的三個用戶單元上，第一和第二元件，第二和第三元件，和第三和第四元件，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，完全的校準因數估值的四個元素分別被確定為C11，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的確定。步驟如下讓Cij是從第i個用戶單元確定的第j個校準因數元素，Qij是與Cij的測量結果有關的估計質量，其中i＝1，…，NS和j＝1，…，M.利用以上提到的確定特征可靠性的方法，如果該分量被認為是不可靠，則Qij值為0，如果它被認為是可靠的，其值為1.數學上指明可靠性的其他方法也是可能的，對于本領域的技術人員將是清楚的。通過對D和復數值參數B1，…，BNS執行聯合最小化確定完全的校準向量D＝[D1D2…DM]。也就是，定義B＝[B1…BNS]，通過執行操作minDminBΣijQij|Dj-CijBi|2]]>確定D，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，以近似地定出綜合最小值，然后執行梯度下降操作，以改進估值。替代的方法對于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，可以做以上所描述的方法和設備方面的許多改變而不偏離本發明的精神和范圍。變更包括，(無限度)·本方法可被修改用于估計上行特征或下行特征，而不是只用于確定校準因數，用于從上行權向量估計下行權向量。
·每個上行特征或下行特征可被確定為傳遞函數的一個向量。在此所描述的方法將被修改為包括標準的傳遞函數系統識別技術。
·上行或下行信道特征可利用基于對于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。
·上行或下行信道特征可不在基帶中描述，將適用于上行和下行權在基站上被應用于不在基帶中的信號的情況。
·本方法可適合于不同類型的通信系統，包括，(無限度)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制的系統，如普通的AMPS FDMA系統。本方法也可適應非TDMA數字系統。在這樣一些情況下，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征。注意，了解對于用戶單元的所有下行特征后我們就可以確定下行權向量。
·可以使用不同的預先規定的校準信號。
·可以使用不同的子陣配置(兩個以上的天線元件)，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，取決于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。給出的足夠經濟的令人鼓舞的DSP功能，包括DSP程序，可被并入專用的硬件中，例如作為專用集成電路(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硬件片。因此，術語數字信號處理器，DSP和在此所用的DSP設備包括這些等效的替代品。
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范圍。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發送接收機和另一個與裝有陣的發送接收機通信的發送接收機的系統中。眾多的變更都是可能的。本發明真正的精神和范圍應該只限于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；在第一無線電站接收來自第二無線電站的包含關于第二無線電站下行空間特征的信息的下行空間特征相關信號，該信息是利用該校準信號計算的；利用該下行空間特征相關信號確定第二無線電站下行空間特征；利用從第二無線電站發送到第一無線電站的上行空間特征信號，確定第二無線電站上行空間特征；利用第二無線電站下行空間特征和第二無線電站上行空間特征，確定校準函數；和利用第三無線電站上行權矢量和校準函數，為第三無線電站確定第三無線電站下行權矢量。
2.如權利要求1的方法，還包括從第一無線電站向第四無線電站發送第二校準信號；在第一無線電站從第四無線電站接收第四無線電站下行空間特征相關信號，該第四無線電站下行空間特征相關信號包含關于第四無線電站下行空間特征的信息，該信息是利用第二校準信號計算的；利用第四無線電站下行空間特征相關信號，確定第四無線電站下行空間特征；和利用從第四無線電站發送到第一無線電站的第四無線電站上行空間特征信號，確定第四無線電站上行空間特征。
3.如權利要求2的方法，其中確定該校準函數包括利用第二無線電站下行空間特征、第二無線電站上行空間特征、第四無線電站下行空間特征和第四無線電站上行空間特征來確定該校準函數。
4.如權利要求2的方法，其中確定該第四無線電站上行空間特征包括利用第四無線電站下行空間特征相關信號來確定第四無線電站上行空間特征。
5.如權利要求2的方法，其中第三無線電站和第四無線電站相同。
6.如權利要求1的方法，其中第三無線電站和第二無線電站相同。
7.如權利要求1的方法，其中確定該第二無線電站上行空間特征包括利用下行空間特征相關信號來確定該第二無線電站上行空間特征。
8.如權利要求1的方法，其中從第二無線電站接收下行空間特征相關信號包括接收下行空間特征相關信號，該下行空間特征相關信號包括第二無線電站下行空間特征，該第二無線電站下行空間特征是利用該校準信號計算的。
9.如權利要求1的方法，其中從天線單元陣發送校準信號包括利用天線陣的第一天線單元發送一個組合信號，該組合信號包括第一信號和第二信號；利用第一天線單元發送第一信號；和利用天線單元陣的第二天線單元發送第二信號。
10.如權利要求1的方法，其中利用第二無線電站下行空間特征和第二無線電站上行空間特征確定校準函數包括用第二無線電站上行空間特征除以第二無線電站下行空間特征。
11.如權利要求1的方法，其中利用第三無線電站上行權矢量和校準函數來確定第三無線電站下行權矢量包括在第一無線電站的天線單元陣接收來自第三無線電站的信號；利用該接收信號的第一部分來確定第三無線電站上行權矢量，該第三無線電站上行權矢量有助于該接收信號的第二部分的空間處理；和通過算術地組合第三無線電站上行權矢量和校準矢量，來確定第三無線電站下行權矢量。
12.如權利要求1的方法，其中第一無線電站包括在無線電通信系統中的一個基站，且第二和第三無線電站包括在無線電通信系統中的遠程終端。
13.如權利要求1的方法，還包括利用第三無線電站下行權矢量，從第一無線電站向第三無線電站發送通信信號。
14.一種機器可讀媒體，其中存儲了代表指令的數據，當這些指令被處理器執行時，可使處理器執行以下操作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；在第一無線電站從第二無線電站接收包含關于第二無線電站下行空間特征的信息的下行空間特征相關信號，該信息是利用該校準信號計算的；利用該下行空間特征相關信號確定第二無線電站下行空間特征；利用從第二無線電站發送到第一無線電站的上行空間特征信號，確定第二無線電站上行空間特征；利用第二無線電站下行空間特征和第二無線電站上行空間特征，確定校準函數；和利用第三無線電站上行權矢量和校準函數，為第三無線電站確定第三無線電站下行權矢量。
15.如權利要求14的機器可讀媒體，其中這些指令還使處理器執行以下操作從第一無線電站向第四無線電站發送第二校準信號；在第一無線電站從第四無線電站接收第四無線電站下行空間特征相關信號，該第四無線電站下行空間特征相關信號包含關于第四無線電站下行空間特征的信息，該信息是利用第二校準信號計算的；利用第四無線電站下行空間特征相關信號，確定第四無線電站下行空間特征；和利用從第四無線電站發送到第一無線電站的第四無線電站上行空間特征信號，確定第四無線電站上行空間特征。
16.如權利要求15的機器可讀媒體，其中確定校準函數包括利用第二無線電站下行空間特征、第二無線電站上行空間特征、第四無線電站下行空間特征和第四無線電站上行空間特征來確定該校準函數。
17.如權利要求15的機器可讀媒體，其中確定第四無線電站上行空間特征包括利用第四無線電站下行空間特征相關信號來確定第四無線電站上行空間特征。
18.如權利要求15的機器可讀入媒體，其中第三無線電站和第四無線電站相同。
19.如權利要求14的機器可讀媒體，其中第三無線電站和第二無線電站相同。
20.如權利要求14的機器可讀媒體，其中確定第二無線電站上行空間特征包括利用下行空間特征相關信號來確定第二無線電站上行空間特征。
21.如權利要求14的機器可讀媒體，其中從第二無線電站接收下行空間特征相關信號包括接收下行空間特征相關信號，該下行空間特征相關信號包括第二無線電站下行空間特征，該第二無線電站下行空間特征是利用校準信號計算的。
22.如權利要求14的機器可讀媒體，其中從天線單元陣發送校準信號包括利用天線陣的第一天線單元發送組合信號，該組合信號包括第一信號和第二信號；利用第一天線單元發送第一信號；和利用該天線單元陣的第二天線單元發送第二信號。
23.如權利要求14的機器可讀媒體，其中利用第二無線電站下行空間特征和第二無線電站上行空間特征確定該校準函數包括將第二無線電站上行空間特征除以第二無線電站下行空間特征。
24.如權利要求14的機器可讀媒體，其中利用第三無線電站上行權矢量和校準函數來確定第三無線電站下行權矢量包括在第一無線電站的天線單元陣接收來自第三無線電站的信號；利用該接收信號的第一部分來確定第三無線電站上行權矢量，該第三無線電站上行權矢量有助于該接收信號的第二部分的空間處理；和通過算術地組合第三無線電站上行權矢量和校準矢量，來確定第三無線電站下行權矢量。
25.如權利要求14的機器可讀媒體，其中第一無線電站包括在無線電通信系統中的一個基站，而第二無線電站、第三無線電站包括在無線電通信系統中的遠程終端。
26.如權利要求14的機器可讀媒體，還包括利用第三無線電站下行權矢量，從第一無線電站向第三無線電站發送通信信號。
27.一種通信設備，包括一個被連接到天線單元陣的發射機，用于利用天線單元陣向第二無線電站發送校準信號；一個接收機，用于從第二無線電站接收包含關于第二無線電站下行空間特征的信息的下行空間特征相關信號，該信息是利用校準信號計算的；一種連接到該接收機的處理器，用于利用下行空間特征相關信號確定第二無線電站下行空間特征；利用來自第二無線電站的上行空間特征信號確定第二無線電站上行空間特征；利用第二無線電站下行空間特征和第二無線電站上行空間特征，確定校準函數；和利用第三無線電站上行權矢量和校準函數，為第三無線電站確定第三無線電站下行權矢量。
28.如權利要求27的通信設備，其中該發射機還用于向第四無線電站發送第二校準信號；該接收機還用于從第四無線電站接收一個第四無線電站下行空間特征相關信號，該第四無線電站下行空間特征相關信號包含關于第四無線電站下行空間特征的信息，該信息是利用第二校準信號計算的；和該處理器還用于利用第四無線電站下行空間特征相關信號，確定第四無線電站下行空間特征；和利用來自第四無線電站的第四無線電站上行空間特征信號，確定第四無線電站上行空間特征。
29.如權利要求28的通信設備，其中確定校準函數包括利用第二無線電站下行空間特征、第二無線電站上行空間特征、第四無線電站下行空間特征和第四無線電站上行空間特征來確定校準函數。
30.如權利要求28的通信設備，其中確定第四無線電站上行空間特征包括利用第四無線電站下行空間特征相關信號確定第四無線電站上行空間特征。
31.如權利要求28的通信設備，其中第三無線電站和第四無線電站相同。
32.如權利要求27的通信設備，其中第三無線電站和第二無線電站相同。
33.如權利要求27的通信設備，其中確定第二無線電站上行空間特征包括利用下行空間特征相關信號確定第二無線電站上行空間特征。
34.如權利要求27的通信設備，其中從第二無線電站接收下行空間特征相關信號包括接收下行空間特征有關信號，該下行空間特征相關信號包括第二無線電站下行空間特征，該第二無線電站下行空間特征是利用校準信號計算的。
35.如權利要求27的通信設備，其中從天線單元陣發送校準信號包括使用發射機以便利用天線陣的第一天線單元發送組合信號，該組合信號包括第一信號和第二信號；利用第一天線單元發送第一信號；和利用天線單元陣的第二天線單元發送第二信號。
36.如權利要求27的通信設備，其中利用第二無線電站下行空間特征和第二無線電站上行空間特征確定校準函數包括將第二無線電站上行空間特征除以第二無線電站下行空間特征。
37.如權利要求27的通信設備，其中利用第三無線電站上行權矢量和校準函數來確定第三無線電站下行權矢量包括在接收機上接收來自第三無線電站的信號；和使用處理器以便利用所接收信號的第一部分確定第三無線電站上行權矢量，該第三無線電站上行權矢量有助于所接收信號的第二部分的空間處理；和通過算術地組合第三無線電站上行權矢量和校準矢量，來確定第三無線電站下行權矢量。
38.如權利要求27的通信設備，其中該通信設備包括在無線電通信系統中的一個基站，而第二和第三無線電站包括在無線電通信系統中的遠程終端。
39.如權利要求27的通信設備，其中該發射機還用于利用第三無線電站下行權矢量，向第三無線電站發送通信信號。
全文摘要
可以利用一個或多個遠程終端來確定用于校準基站的校準函數。在本發明的一種具體實施方案中，確定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，并在第一無線電站從第二無線電站接收一個包含第二無線電站下行空間特征的相關信息的下行空間特征有關信號，該信息是利用校準信號計算的。然后，可以利用下行空間特征有關信號確定第二無線電站下行空間特征。同樣，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征信號，確定第二無線電站上行空間特征。之后可利用第二無線電站下行空間特征和第二無線電站上行空間特征來確定校準函數。本發明的一種具體實施方案還可包括利用第三無線電站上行權矢量和校準函數，為第三無線電站確定第三無線電站下行權矢量。
文檔編號H04B7/04GK1507169SQ0310721
公開日2004年6月23日 申請日期1999年4月22日 優先權日1998年5月1日
發明者T·波羅斯, C·H·巴拉特, C·R·烏利克, M·D·特羅特, T 波羅斯, 烏利克, 巴拉特, 特羅特 申請人:阿雷伊通訊有限公司