当我们在谈天线校准的时候,我们到底在说啥
发布于 2021-09-13 07:49
之前写过关于多天线beamforming的内容，简单说，beamforming就是利用多天线之间的幅度/相位差，使合成的波束按照desired 方向打出去。多天线的幅度/相位差，就是根据预期的结果去设计的beamforming权重。
那这里就有一个问题，权重设计好了，如果是digital beamforming, 权重的作用点在基带IFFT之前（下行）或者FFT之后（上行），那么从作用点到实际从天线发出去，这一部分的幅度/相位一致性根本就难以保证，所以信号经过设计好的权重，最终从天线发出去，根本就达不到预期的beamforming效果。
这就是为什么要做天线校准(Antenna Calibration, AC), 即为了保证基带到天线口多天线通道之间的幅度/相位一致性。
那这部分通道都包括什么呢？具体器件肯定不同设备商是不同的，但大概通道是类似的，都是经过基带的FPGA/ASIC, 然后DAC, 混频器上变频，功率放大器PA, 滤波器，天线等。所以我们在谈天线校准的时候，并不仅仅只是校准天线，而是校准了RU(Radio Unit) path上的所有对信号产生影响的部分。
下边是一个简单的示意图，只涉及到一个通道上的器件，天线校准的目的是达到所有通道上的幅度/相位一致性。
上边从右往左看是下行发射path, 信号经过基带，数模转换DAC, 滤波，混频mixer，放大器PA，到达天线antenna之前是switch还是duplexer, 取决于是TDD系统还是FDD系统。
下边从左往右看是上行接收path，天线antenna收到信号后，低噪放LNA, 混频器mixer下变频，滤波，模数转换ADC，之后到数字基带。
现在大致清楚了天线校准的目的和要校准哪些部分，这时候可能会想到以下几个问题：
用什么信号去校准？
怎么校准？
不同天线发出去的校准信号到达接收，是通过有线还是无线？
校准的结果要怎么补偿进去来达到幅度/相位的一致性？
所谓通道之间幅度/相位的一致性，是指amplitude/phase difference 都得等于0嘛？
校准/补偿一次之后，是不就一劳永逸了？
用什么信号？
理论上什么信号都可以，就是一个设计好的已知训练序列，举例子下行的话，从基带发出来，经过射频，天线，到达接收，接收端已知训练序列，就可以去估计信号经过这个RU path之后对其产生的impairment。但就像LTE/NR中常用的reference signal一般无非两种：ZC序列和golden序列。ZC序列会更合适一点，一是由于ZC序列本身良好的自相关性，更能方便地利用相关去估计RU path的delay/phase等。二是ZC序列本身的恒包络，意味着峰均比是比较小的，也就降低了受到PA非线性对其产生distortion的可能性，进一步减小对校准结果accuracy的影响。
怎么校准？
像上边说的，下行为例，已知训练序列经过要校准的通道后，到达接收，要做的就是类似信道估计的一个过程，已知X, 经过通道H，得到Y。 具体由X,Y去估计H的方法很多，匹配滤波MF, 最小均方误差MMSE等都可以。得到H之后，进一步就可以得到幅度和相位。所有通道都是这样一个计算过程，进一步就能得到通道间的幅度/相位差。
不同天线发出去的校准信号到达接收，是通过有线还是无线？
这个问题是在问，上边图中，比如下行，训练序列，从右到左，从天线出去后到达接收侧去估计，是怎样的硬件连接？一般来说，所有通道会通过硬件的耦合到一起，然后到接收侧。这里的硬件耦合可以理解成级联的功分器combiner. 2合1，4合1，8合1，16合1，32合1等。但这有一个问题是，硬件成本在这摆着。所以最近两年，几乎所有设备商都在考虑无线校准，也就是从天线出去到接收，是通过天线之间的mutual coupling。有很多关于无线天线校准的专利。其实从有线到无线的主要的出发点就是降低硬件成本。但是主要的问题是，无线肯定不如有线稳定啊，无线通道更容易受到干扰，导致校准结果的不准确。这应该是目前要解决的一个主要问题。
校准的结果要怎么补偿进去来达到幅度/相位的一致性？
补偿点的话，其实也不是固定的，一般来说，可以利用FPGA的数字滤波器（均衡器）去补偿，这个一般是时域的。还有一种选项，是可以在digital beamforming的作用点之后，频域去补偿。频域补偿的精度应该会更高。
所谓通道之间幅度/相位的一致性，是指amplitude/phase difference 都得等于0嘛？
理想条件下当然是difference为0了。但是现实和理想往往差很多呀。这个问题要考虑两点，第一是，实际的确达不到，因为要考虑算法误差，温度对相位drift的影响，硬件的phase stability等等。第二是从天线校准的目的出发，也就是为了beamforming嘛。但不同的beamforming算法，其实对幅度/相位一致性的要求是不同的。大体上的beamforming算法分两类，一个是reciprocity-based BF, 另一类是CSI-RS based BF. 这两大类对幅度相位一致性的要求会差很多。会有专门beamforming算法的人去study这个问题，根据仿真和测试结果，再去定天线校准的幅度/相位误差的requirement.
校准/补偿一次之后，是不就一劳永逸了？
一般情况下，都不可以一劳永逸。一般是小区建起来，载波起来后，由于射频器件尤其是混频器可能每次相位都是比较随机的，要做天线校准，补偿对齐。之后如果是稳定不变的，那当然可以不再校准，这也节省数据处理的资源。但是，一是要考虑硬件本身的相位稳定性，二是，随着温度变化，相位是会漂的。所以这两个因素其实更多的考量的硬件的一个特性。是需要硬件工程师，不考虑算法补偿本身，要去观察和考量的因素。
以上是目前想到的几个问题，实际设计和测试中会有更多的问题，之后遇到再补充。
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