【導(dǎo)讀】基站包含大量天線，因此，提升基站頻譜效率的一種方案是通過(guò)這些同一頻率資源與多臺(tái)空間上分離的用戶終端同時(shí)通信并利用多徑傳輸，故通過(guò)基站提升效率是方案之一。這種技術(shù)常被稱為massive MIMO（大規(guī)模多入多出）。您可能聽(tīng)到過(guò)massive MIMO被描述為大量天線的波束賦形。隨之而來(lái)的問(wèn)題是：何謂波束賦形？
簡(jiǎn)介
我們對(duì)高速移動(dòng)數(shù)據(jù)的渴求是無(wú)止境的。可是在城市環(huán)境中可用RF頻譜已經(jīng)飽和，顯然需要提高基站收發(fā)數(shù)據(jù)的頻譜利用率。
基站包含大量天線，因此，提升基站頻譜效率的一種方案是通過(guò)這些同一頻率資源與多臺(tái)空間上分離的用戶終端同時(shí)通信并利用多徑傳輸，故通過(guò)基站提升效率是方案之一。這種技術(shù)常被稱為massive MIMO（大規(guī)模多入多出）。您可能聽(tīng)到過(guò)massive MIMO被描述為大量天線的波束賦形。隨之而來(lái)的問(wèn)題是：何謂波束賦形？
波束賦形與Massive MIMO的關(guān)系
不同的人對(duì)于波束賦形這個(gè)詞有著不同的理解。波束賦形是指根據(jù)特定場(chǎng)景自適應(yīng)的調(diào)整天線陣列的輻射圖。在蜂窩通信中，許多人認(rèn)為波束賦形是將天線功率主瓣指向用戶，如圖1所示。調(diào)整各天線收發(fā)單元幅度和相位，使得天線陣列在特定方向上的發(fā)射/接收信號(hào)相干疊加，而其他方向的信號(hào)則相互抵消。一般不考慮陣列和用戶所處的空間環(huán)境。這是波束賦形，不過(guò)只是它的一種特別實(shí)現(xiàn)。
圖1.傳統(tǒng)波束賦形
Massive MIMO可被視為更廣泛意義上的波束賦形的一種形式，不過(guò)它與傳統(tǒng)形式相去甚遠(yuǎn)。Massive意指基站天線陣列中的大量天線；MIMO意指天線陣列使用同一時(shí)間和頻率資源滿足空間上分離的多位用戶的需求。Massive MIMO也認(rèn)為在實(shí)際系統(tǒng)中，天線與用戶終端—以及相反過(guò)程—之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了周圍環(huán)境的濾波。信號(hào)可能會(huì)被建筑物和其他障礙物反射，這些反射會(huì)有相關(guān)的延遲、衰減和抵達(dá)方向，如圖2所示。天線與用戶終端之間甚至可能沒(méi)有直接路徑。人們發(fā)現(xiàn)，這些非直接傳輸路徑同樣有利用價(jià)值。
圖2.天線陣列和用戶之間的多路徑環(huán)境
為了利用多路徑，天線元件和用戶終端之間的空間信道需要加以表征。文獻(xiàn)中一般將這種響應(yīng)稱為信道狀態(tài)信息(CSI)。此CSI實(shí)質(zhì)上是各天線與各用戶終端之間的空間傳遞函數(shù)的集合。用一個(gè)矩陣(H)來(lái)收集此空間信息，如圖3所示。下一節(jié)將詳細(xì)討論CSI概念及其收集方法。CSI用于數(shù)字化編碼和解碼天線陣列所收發(fā)的數(shù)據(jù)。
圖3.表征massive MIMO系統(tǒng)需要信道狀態(tài)信息
表征基站與用戶之間的空間信道
不妨考慮一個(gè)有趣的類比：一個(gè)氣球在某個(gè)位置被戳破了，發(fā)出"啪"的一聲，在另一個(gè)位置記錄此聲音或脈沖，如圖4所示。在麥克風(fēng)位置記錄的聲音是一個(gè)空間脈沖響應(yīng)，其包含的信息是周圍環(huán)境中氣球和麥克風(fēng)在該特定位置所獨(dú)有的。與直接路徑相比，被障礙物反射的聲音會(huì)有衰減和延遲。
圖4.通過(guò)聲音類比說(shuō)明信道的空間特性
如果擴(kuò)大該類比以模擬天線陣列/用戶終端場(chǎng)景，那么需要更多氣球，如圖5所示。注意，為了表征各氣球與麥克風(fēng)之間的信道，我們需要在不同時(shí)間戳破各氣球，使得麥克風(fēng)記錄的不同氣球的反射不會(huì)重疊。另一方向也需要表征，如圖6所示。本例中，可以在用戶終端位置的氣球戳破時(shí)同時(shí)完成所有錄音。這樣所花的時(shí)間要少得多！
圖5.通過(guò)聲音類比下行鏈路信道表征
圖6.通過(guò)聲音類比上行鏈路信道表征
RF領(lǐng)域利用導(dǎo)頻信號(hào)表征空間信道。天線與用戶終端之間的空中傳輸信道是互易的，即該信道在兩個(gè)方向是相同的。這與系統(tǒng)工作在時(shí)分復(fù)用(TDD)模式還是頻分復(fù)用(FDD)模式有關(guān)。在TDD模式下，上行鏈路和下行鏈路傳輸使用相同頻率資源?；ヒ仔约僭O(shè)意味著只需要在一個(gè)方向上表征信道即可，上行鏈路信道是顯而易見(jiàn)的選擇，因?yàn)橹恍枰獙⒁粋€(gè)導(dǎo)頻信號(hào)從用戶終端發(fā)送，并由所有天線元件接收。信道估計(jì)的復(fù)雜度與用戶終端數(shù)成比例，而非與陣列中的天線數(shù)成正比。這點(diǎn)非常重要，因?yàn)橛脩艚K端可能在移動(dòng)，故信道估計(jì)需要頻繁進(jìn)行?；谏闲墟溌繁碚鬟€有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，那就是所有繁重的信道估計(jì)和信號(hào)處理任務(wù)皆在基站完成，而非在用戶端完成。
圖7.每個(gè)用戶終端發(fā)射正交導(dǎo)頻符號(hào)
現(xiàn)在，收集CSI的概念既已建立，那么如何將此信息應(yīng)用于數(shù)據(jù)信號(hào)以支持空間復(fù)用呢？濾波基于CSI而設(shè)計(jì)，以對(duì)天線陣列傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼，使得多路徑信號(hào)會(huì)在用戶終端位置相干疊加。這種濾波還可以用來(lái)線性組合天線陣列RF路徑收到的數(shù)據(jù)，從而檢測(cè)來(lái)自不同用戶的數(shù)據(jù)流。下一節(jié)更詳細(xì)討論這個(gè)問(wèn)題。
支持Massive MIMO的信號(hào)處理
上一節(jié)介紹了如何估計(jì)CSI（用矩陣H表示）。檢測(cè)和預(yù)編碼矩陣基于H計(jì)算。這種矩陣有多種計(jì)算方法。本文重點(diǎn)討論線性方案。線性預(yù)編碼/檢測(cè)方法的例子有最大比率(MR)、迫零(ZF)和最小均方誤差(MMSE)。本文未提供從CSI導(dǎo)出預(yù)編碼/檢測(cè)濾波器的全過(guò)程，但討論了其優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)及每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)于這些話題的更詳細(xì)介紹，請(qǐng)參閱文末給出的參考文獻(xiàn)1, 2, 3。
對(duì)于上述三種線性方法，圖8和圖9分別顯示了上行和下行鏈路中信號(hào)處理的工作方式。針對(duì)預(yù)編碼，可能還有某種縮放矩陣，用以歸一化陣列上為簡(jiǎn)單起見(jiàn)而忽略的功率。
圖8.上行鏈路信號(hào)處理H表示共軛轉(zhuǎn)置。
圖9.下行鏈路信號(hào)處理T表示轉(zhuǎn)置。* 表示共軛。
顧名思義，最大比率濾波旨在最大程度提高信噪比(SNR)。從信號(hào)處理角度看，這是最簡(jiǎn)單的方法，因?yàn)闄z測(cè)/預(yù)編碼矩陣剛好是CSI矩陣H的共軛轉(zhuǎn)置或轉(zhuǎn)置。其最大缺點(diǎn)是忽略了用戶間干擾。
迫零預(yù)編碼試圖解決用戶間干擾問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)使其最小。檢測(cè)/預(yù)編碼矩陣是CSI矩陣的偽逆。偽逆的計(jì)算開(kāi)銷高于MR情況中的復(fù)共軛。然而，由于太注重降低干擾，用戶的接收功率會(huì)受影響。
MMSE試圖在放大信號(hào)與降低干擾之間取得平衡。這種整體觀需付出的代價(jià)是信號(hào)處理復(fù)雜度較高。MMSE方法給優(yōu)化引入了一個(gè)正則項(xiàng)—在圖8和圖9中表示為β—利用它可以找到噪聲協(xié)方差與發(fā)射功率的平衡點(diǎn)。此方法在文獻(xiàn)中有時(shí)也被稱為正則化迫零(RZF)。
以上并未囊括所有預(yù)編碼/檢測(cè)技術(shù)，只是簡(jiǎn)單介紹了主要線性方法。另外還有非線性信號(hào)處理技術(shù)，例如臟紙編碼和連續(xù)干擾消除便可用來(lái)解決此問(wèn)題。這些方法可提供最優(yōu)容量，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜。上述線性方法對(duì)massive MIMO而言一般是足夠的，天線數(shù)目可以很大。預(yù)編碼/檢測(cè)技術(shù)的選擇取決于計(jì)算資源、天線數(shù)目、用戶數(shù)目和系統(tǒng)所處環(huán)境的多樣性。對(duì)于天線數(shù)目遠(yuǎn)大于用戶數(shù)目的大天線陣列，最大比率方法可能足以滿足需要。
現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)向Massive MIMO提出的實(shí)際挑戰(zhàn)
在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)massive MIMO時(shí)，還有其他實(shí)際問(wèn)題需要考慮。舉個(gè)例子，假設(shè)一個(gè)天線陣列有32個(gè)發(fā)射(Tx)信道和32個(gè)接收(Rx)信道，工作在3.5 GHz頻段。那么需要放置64個(gè)RF信號(hào)鏈，在給定工作頻率下，天線間距約為4.2 cm。這說(shuō)明，有大量硬件需裝入一個(gè)很小的空間中。它還意味著會(huì)耗散大量功率，不可避免會(huì)帶來(lái)溫度問(wèn)題。ADI公司的集成收發(fā)器為此類問(wèn)題提供了高效解決方案。下一節(jié)將詳細(xì)討論AD9371 。
上文討論了利用系統(tǒng)的互易性來(lái)大幅削減信道估計(jì)和信號(hào)處理開(kāi)銷。圖10顯示了一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)中的下行鏈路信道。它分為三個(gè)部分：空中信道(H)、基站發(fā)射RF路徑的硬件響應(yīng)(TBS)和用戶接收RF路徑的硬件響應(yīng)(RUE)。上行鏈路與此相反，RBS表征基站接收硬件RF路徑，TUE表征用戶發(fā)射硬件RF路徑。互易性假設(shè)雖然對(duì)空中接口成立，但對(duì)硬件路徑不成立。由于跡線不匹配、RF路徑間同步不佳和溫度相關(guān)的相位漂移，RF信號(hào)鏈會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)誤差。
圖10.實(shí)際下行鏈路信道
對(duì)RF路徑中的所有LO（本振）PLL使用同一同步參考時(shí)鐘，并對(duì)基帶數(shù)字 JESD204B 信號(hào)使用同步SYSREF，有助于解決RF路徑間的延遲問(wèn)題。但在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，RF路徑之間仍會(huì)有通道間的相位失配，由溫度引起的相位漂移會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大此問(wèn)題。因此很顯然，系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)需要需要初始化校準(zhǔn)，此后運(yùn)行中需要周期性校準(zhǔn)。通過(guò)校準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)互易性優(yōu)勢(shì)，使信號(hào)處理復(fù)雜度維持在基站，并且只需要表征上行鏈路信道。這樣可獲得一般意義上的簡(jiǎn)化，從而僅需要考慮基站RF路徑（TBS和RBS）。
有多種方法可校準(zhǔn)這些系統(tǒng)。一種是在天線陣列前面放置一個(gè)校準(zhǔn)天線，利用此校準(zhǔn)天線來(lái)校準(zhǔn)接收和發(fā)射RF信道。以這種在陣列前方放置一根天線的方式是否滿足實(shí)際系統(tǒng)校準(zhǔn)的需求，是有疑問(wèn)的。另一種方法是利用陣列中現(xiàn)有天線之間的互藕作為校準(zhǔn)機(jī)制，這有很高的可行性。最簡(jiǎn)單直接的方法或許是在基站中的天線之前增加一些無(wú)源耦合路徑。這會(huì)增加硬件復(fù)雜性，但應(yīng)能提供一個(gè)魯棒的校準(zhǔn)機(jī)制。為了全面校準(zhǔn)系統(tǒng)，從一個(gè)指定校準(zhǔn)發(fā)射信道發(fā)送一個(gè)信號(hào)，所有RF接收路徑通過(guò)無(wú)源耦合連接接收該信號(hào)。然后，每個(gè)發(fā)射RF路徑依次發(fā)送一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)在各天線的耦合點(diǎn)被接收，被傳回到一個(gè)合路器，再被送至指定校準(zhǔn)接收路徑。溫度相關(guān)效應(yīng)的變化一般很慢，故與信道特性不同，無(wú)需頻繁執(zhí)行溫度相關(guān)校準(zhǔn)。
ADI公司收發(fā)器和Massive MIMO
ADI公司的集成收發(fā)器產(chǎn)品系列特別適合需要高密度RF信號(hào)鏈的應(yīng)用。AD9371具有2個(gè)發(fā)射路徑、2個(gè)接收路徑和一個(gè)觀測(cè)接收機(jī)，并有3個(gè)小數(shù)N分頻PLL用于RF LO生成，采用12 mm × 12 mm封裝。這一無(wú)與倫比的集成度使得制造商能夠及時(shí)且經(jīng)濟(jì)高效地創(chuàng)建復(fù)雜系統(tǒng)。
圖11顯示了一個(gè)使用多個(gè)AD9371收發(fā)器的可能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)有32個(gè)發(fā)射信道和32個(gè)接收信道，采用16個(gè)AD9371收發(fā)器。三個(gè) AD9528 時(shí)鐘發(fā)生器為系統(tǒng)提供PLL參考時(shí)鐘和JESD204B SYSREF。AD9528是一款雙級(jí)PLL，提供14路LVDS/HSTL輸出，集成JESD204B SYSREF發(fā)生器，可用于多器件同步。AD9528排列成扇出緩沖配置，其中一個(gè)用作主器件，它的一些輸出用于驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘輸入和從器件的SYSREF輸入。圖中包括一個(gè)可能的無(wú)源校準(zhǔn)機(jī)制—如綠色和橙色部分所示—一個(gè)專用發(fā)射和接收信道通過(guò)分相器/合相器校準(zhǔn)所有接收和發(fā)射信號(hào)路徑，正如上一節(jié)所述。
圖11.采用ADI公司AD9371收發(fā)器的32 Tx、32 Rx massive MIMO射頻頭框圖
結(jié)語(yǔ)
Massive MIMO空間復(fù)用有望成為蜂窩通信領(lǐng)域的革命性技術(shù)，其支持在高流量城市區(qū)域?qū)崿F(xiàn)更高的蜂窩容量和效率。它利用了多路徑傳播所帶來(lái)的分集性，允許基站與多位用戶之間使用同一時(shí)間和頻率資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?；咎炀€與用戶之間的信道具有互易性，故所有復(fù)雜的信號(hào)處理可以保留在基站進(jìn)行，信道表征可以在上行鏈路中完成。ADI公司的RadioVerse™系列集成收發(fā)器產(chǎn)品支持在小的空間中實(shí)現(xiàn)多通路的RF路徑，因此非常適合massive MIMO應(yīng)用。
參考電路
1. Xiang Gao. 實(shí)際傳播環(huán)境中的Massive MIMO. Lund University, 2016.
2. Michael Joham, Josef A. Nossek, and Wolfgang Utschick. ? MIMO通信系統(tǒng)中的線性發(fā)射處理. ? IEEE信號(hào)處理論文集，第53卷第8期，2005年8月。
3. Hien Quoc Ngo. Massive MIMO：基本原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì). Linköping University, 2015年.
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