簡介

 

我們對高速移動數據的渴求是無止境的。可是在城市環境中可用RF頻譜已經飽和，顯然需要提高基站收發數據的頻譜利用率。

 

jizhanbaohandaliangtianxian


，yinci，tishengjizhanpinpuxiaolvdeyizhongfanganshitongguozhexietongyipinlvziyuanyuduotaikongjianshangfenlideyonghuzhongduantongshitongxinbingliyongduojingchuanshu
，gutongguojizhantishengxiaolvshifanganzhiyi。zhezhongjishuchangbeichengweimassive MIMO（大規模多入多出）。您可能聽到過massive MIMO被描述為大量天線的波束賦形。隨之而來的問題是：何謂波束賦形

？

 

波束賦形與Massive MIMO的關係

 

不(bu)同(tong)的(de)人(ren)對(dui)於(yu)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)這(zhe)個(ge)詞(ci)有(you)著(zhe)不(bu)同(tong)的(de)理(li)解(jie)。波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)是(shi)指(zhi)根(gen)據(ju)特(te)定(ding)場(chang)景(jing)自(zi)適(shi)應(ying)的(de)調(tiao)整(zheng)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)的(de)輻(fu)射(she)圖(tu)。在(zai)蜂(feng)窩(wo)通(tong)信(xin)中(zhong)，許(xu)多(duo)人(ren)認(ren)為(wei)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)是(shi)將(jiang)天(tian)線(xian)功(gong)率(lv)主(zhu)瓣(ban)指(zhi)向(xiang)用(yong)戶(hu)
，如(ru)圖(tu)1所示。調整各天線收發單元幅度和相位
，使得天線陣列在特定方向上的發射/接(jie)收(shou)信(xin)號(hao)相(xiang)幹(gan)疊(die)加(jia)
，而(er)其(qi)他(ta)方(fang)向(xiang)的(de)信(xin)號(hao)則(ze)相(xiang)互(hu)抵(di)消(xiao)。一(yi)般(ban)不(bu)考(kao)慮(lv)陣(zhen)列(lie)和(he)用(yong)戶(hu)所(suo)處(chu)的(de)空(kong)間(jian)環(huan)境(jing)。這(zhe)是(shi)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)
，不(bu)過(guo)隻(zhi)是(shi)它(ta)的(de)一(yi)種(zhong)特(te)別(bie)實(shi)現(xian)。

 

圖1.傳統波束賦形

 

Massive MIMO可被視為更廣泛意義上的波束賦形的一種形式，不過它與傳統形式相去甚遠。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也認為在實際係統中，天線與用戶終端—以及相反過程—之間傳輸的數據經過了周圍環境的濾波。信號可能會被建築物和其他障礙物反射
，這些反射會有相關的延遲、衰減和抵達方向，如圖2所示。天線與用戶終端之間甚至可能沒有直接路徑。人們發現
，這些非直接傳輸路徑同樣有利用價值。

 

圖2.天線陣列和用戶之間的多路徑環境

 

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。文獻中一般將這種響應稱為信道狀態信息(CSI)。此CSI實質上是各天線與各用戶終端之間的空間傳遞函數的集合。用一個矩陣(H)來收集此空間信息，如圖3所示。下一節將詳細討論CSI概念及其收集方法。CSI用於數字化編碼和解碼天線陣列所收發的數據。

 

圖3.表征massive MIMO係統需要信道狀態信息

 

表征基站與用戶之間的空間信道

 

不妨考慮一個有趣的類比：一個氣球在某個位置被戳破了，發出"啪"的一聲，在另一個位置記錄此聲音或脈衝，如圖4所示。在麥克風位(wei)置(zhi)記(ji)錄(lu)的(de)聲(sheng)音(yin)是(shi)一(yi)個(ge)空(kong)間(jian)脈(mai)衝(chong)響(xiang)應(ying)，其(qi)包(bao)含(han)的(de)信(xin)息(xi)是(shi)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)中(zhong)氣(qi)球(qiu)和(he)麥(mai)克(ke)風(feng)在(zai)該(gai)特(te)定(ding)位(wei)置(zhi)所(suo)獨(du)有(you)的(de)。與(yu)直(zhi)接(jie)路(lu)徑(jing)相(xiang)比(bi)，被(bei)障(zhang)礙(ai)物(wu)反(fan)射(she)的(de)聲(sheng)音(yin)會(hui)有(you)衰(shuai)減(jian)和(he)延(yan)遲(chi)。

 

圖4.通過聲音類比說明信道的空間特性

 

如果擴大該類比以模擬天線陣列/用戶終端場景，那麼需要更多氣球
，如圖5所(suo)示(shi)。注(zhu)意(yi)，為(wei)了(le)表(biao)征(zheng)各(ge)氣(qi)球(qiu)與(yu)麥(mai)克(ke)風(feng)之(zhi)間(jian)的(de)信(xin)道(dao)，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)在(zai)不(bu)同(tong)時(shi)間(jian)戳(chuo)破(po)各(ge)氣(qi)球(qiu)，使(shi)得(de)麥(mai)克(ke)風(feng)記(ji)錄(lu)的(de)不(bu)同(tong)氣(qi)球(qiu)的(de)反(fan)射(she)不(bu)會(hui)重(zhong)疊(die)。另(ling)一(yi)方(fang)向(xiang)也(ye)需(xu)要(yao)表(biao)征(zheng)
，如(ru)圖(tu)6所示。本例中，可以在用戶終端位置的氣球戳破時同時完成所有錄音。這樣所花的時間要少得多！

 

圖5.通過聲音類比下行鏈路信道表征

 

圖6.通過聲音類比上行鏈路信道表征

 

RF領(ling)域(yu)利(li)用(yong)導(dao)頻(pin)信(xin)號(hao)表(biao)征(zheng)空(kong)間(jian)信(xin)道(dao)。天(tian)線(xian)與(yu)用(yong)戶(hu)終(zhong)端(duan)之(zhi)間(jian)的(de)空(kong)中(zhong)傳(chuan)輸(shu)信(xin)道(dao)是(shi)互(hu)易(yi)的(de)
，即(ji)該(gai)信(xin)道(dao)在(zai)兩(liang)個(ge)方(fang)向(xiang)是(shi)相(xiang)同(tong)的(de)。這(zhe)與(yu)係(xi)統(tong)工(gong)作(zuo)在(zai)時(shi)分(fen)複(fu)用(yong)(TDD)模式還是頻分複用(FDD)模式有關。在TDD模(mo)式(shi)下(xia)，上(shang)行(xing)鏈(lian)路(lu)和(he)下(xia)行(xing)鏈(lian)路(lu)傳(chuan)輸(shu)使(shi)用(yong)相(xiang)同(tong)頻(pin)率(lv)資(zi)源(yuan)。互(hu)易(yi)性(xing)假(jia)設(she)意(yi)味(wei)著(zhe)隻(zhi)需(xu)要(yao)在(zai)一(yi)個(ge)方(fang)向(xiang)上(shang)表(biao)征(zheng)信(xin)道(dao)即(ji)可(ke)，上(shang)行(xing)鏈(lian)路(lu)信(xin)道(dao)是(shi)顯(xian)而(er)易(yi)見(jian)的(de)選(xuan)擇(ze)，因(yin)為(wei)隻(zhi)需(xu)要(yao)將(jiang)一(yi)個(ge)導(dao)頻(pin)信(xin)號(hao)從(cong)用(yong)戶(hu)終(zhong)端(duan)發(fa)送(song)，並(bing)由(you)所(suo)有(you)天(tian)線(xian)元(yuan)件(jian)接(jie)收(shou)。信(xin)道(dao)估(gu)計(ji)的(de)複(fu)雜(za)度(du)與(yu)用(yong)戶(hu)終(zhong)端(duan)數(shu)成(cheng)比(bi)例(li)，而(er)非(fei)與(yu)陣(zhen)列(lie)中(zhong)的(de)天(tian)線(xian)數(shu)成(cheng)正(zheng)比(bi)。這(zhe)點(dian)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，因(yin)為(wei)用(yong)戶(hu)終(zhong)端(duan)可(ke)能(neng)在(zai)移(yi)動(dong)，故(gu)信(xin)道(dao)估(gu)計(ji)需(xu)要(yao)頻(pin)繁(fan)進(jin)行(xing)。基(ji)於(yu)上(shang)行(xing)鏈(lian)路(lu)表(biao)征(zheng)還(hai)有(you)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)優(you)勢(shi)，那(na)就(jiu)是(shi)所(suo)有(you)繁(fan)重(zhong)的(de)信(xin)道(dao)估(gu)計(ji)和(he)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)任(ren)務(wu)皆(jie)在(zai)基(ji)站(zhan)完(wan)成(cheng)

，而(er)非(fei)在(zai)用(yong)戶(hu)端(duan)完(wan)成(cheng)。

 

圖7.每個用戶終端發射正交導頻符號

 

現在，收集CSI的概念既已建立，那麼如何將此信息應用於數據信號以支持空間複用呢？濾波基於CSI而設計
，以對天線陣列傳輸的數據進行預編碼，使得多路徑信號會在用戶終端位置相幹疊加。這種濾波還可以用來線性組合天線陣列RF路徑收到的數據，從而檢測來自不同用戶的數據流。下一節更詳細討論這個問題。

 

支持Massive MIMO的信號處理

 

上一節介紹了如何估計CSI（用矩陣H表示）。檢測和預編碼矩陣基於H計算。這種矩陣有多種計算方法。本文重點討論線性方案。線性預編碼/檢測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導出預編碼/檢測濾波器的全過程，但討論了其優化標準及每種方法的優缺點。關於這些話題的更詳細介紹，請參閱文末給出的參考文獻1, 2, 3。

 

對於上述三種線性方法
，圖8和圖9fenbiexianshileshangxinghexiaxinglianluzhongxinhaochulidegongzuofangshi。zhenduiyubianma，kenenghaiyoumouzhongsuofangjuzhen，yongyiguiyihuazhenlieshangweijiandanqijianerhulvedegonglv。

 

圖8.上行鏈路信號處理H表示共軛轉置。

 

圖9.下行鏈路信號處理T表示轉置。* 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)。從信號處理角度看，這是最簡單的方法
，因為檢測/預編碼矩陣剛好是CSI矩陣H的共軛轉置或轉置。其最大缺點是忽略了用戶間幹擾。

 

迫零預編碼試圖解決用戶間幹擾問題
，通過設計優化標準來使其最小。檢測/預編碼矩陣是CSI矩陣的偽逆。偽逆的計算開銷高於MR情況中的複共軛。然而，由於太注重降低幹擾，用戶的接收功率會受影響。

 

MMSE試圖在放大信號與降低幹擾之間取得平衡。這種整體觀需付出的代價是信號處理複雜度較高。MMSE方法給優化引入了一個正則項—在圖8和圖9中表示為β—利用它可以找到噪聲協方差與發射功率的平衡點。此方法在文獻中有時也被稱為正則化迫零(RZF)。

 

以上並未囊括所有預編碼/檢jian測ce技ji術shu，隻zhi是shi簡jian單dan介jie紹shao了le主zhu要yao線xian性xing方fang法fa。另ling外wai還hai有you非fei線xian性xing信xin號hao處chu理li技ji術shu，例li如ru髒zang紙zhi編bian碼ma和he連lian續xu幹gan擾rao消xiao除chu便bian可ke用yong來lai解jie決jue此ci問wen題ti。這zhe些xie方fang法fa可ke提ti供gong最zui優you容rong量liang
，但dan實shi現xian起qi來lai非fei常chang複fu雜za。上shang述shu線xian性xing方fang法fa對duimassive MIMO而言一般是足夠的，天線數目可以很大。預編碼/檢測技術的選擇取決於計算資源、天線數目、用戶數目和係統所處環境的多樣性。對於天線數目遠大於用戶數目的大天線陣列，最大比率方法可能足以滿足需要。

 

現實係統向Massive MIMO提出的實際挑戰

 

在現實場景中實現massive MIMO時，還有其他實際問題需要考慮。舉個例子
，假設一個天線陣列有32個發射(Tx)信道和32個接收(Rx)信道，工作在3.5 GHz頻段。那麼需要放置64個RF信號鏈，在給定工作頻率下，天線間距約為4.2 cm。這說明，有大量硬件需裝入一個很小的空間中。它還意味著會耗散大量功率

，不可避免會帶來溫度問題。ADI公司的集成收發器為此類問題提供了高效解決方案。下一節將詳細討論AD9371 。

 

上文討論了利用係統的互易性來大幅削減信道估計和信號處理開銷。圖10顯示了一個實際係統中的下行鏈路信道。它分為三個部分：空中信道(H)
、基站發射RF路徑的硬件響應(TBS)和用戶接收RF路徑的硬件響應(RUE)。上行鏈路與此相反，RBS表征基站接收硬件RF路徑
，TUE表征用戶發射硬件RF路徑。互易性假設雖然對空中接口成立，但對硬件路徑不成立。由於跡線不匹配、RF路徑間同步不佳和溫度相關的相位漂移，RF信號鏈會給係統帶來誤差。

 

圖10.實際下行鏈路信道

 

對RF路徑中的所有LO（本振）PLL使用同一同步參考時鍾，並對基帶數字 JESD204B 信號使用同步SYSREF，有助於解決RF路徑間的延遲問題。但在係統啟動時，RF路lu徑jing之zhi間jian仍reng會hui有you通tong道dao間jian的de相xiang位wei失shi配pei，由you溫wen度du引yin起qi的de相xiang位wei漂piao移yi會hui進jin一yi步bu擴kuo大da此ci問wen題ti。因yin此ci很hen顯xian然ran，係xi統tong在zai啟qi動dong時shi需xu要yao需xu要yao初chu始shi化hua校xiao準zhun
，此ci後hou運yun行xing中zhong需xu要yao周zhou期qi性xing校xiao準zhun。通tong過guo校xiao準zhun可ke實shi現xian互hu易yi性xing優you勢shi

，使shi信xin號hao處chu理li複fu雜za度du維wei持chi在zai基ji站zhan，並bing且qie隻zhi需xu要yao表biao征zheng上shang行xing鏈lian路lu信xin道dao。這zhe樣yang可ke獲huo得de一yi般ban意yi義yi上shang的de簡jian化hua
，從cong而er僅jin需xu要yao考kao慮lv基ji站zhanRF路徑（TBS和RBS）。

 

有多種方法可校準這些係統。一種是在天線陣列前麵放置一個校準天線，利用此校準天線來校準接收和發射RF信(xin)道(dao)。以(yi)這(zhe)種(zhong)在(zai)陣(zhen)列(lie)前(qian)方(fang)放(fang)置(zhi)一(yi)根(gen)天(tian)線(xian)的(de)方(fang)式(shi)是(shi)否(fou)滿(man)足(zu)實(shi)際(ji)係(xi)統(tong)校(xiao)準(zhun)的(de)需(xu)求(qiu)，是(shi)有(you)疑(yi)問(wen)的(de)。另(ling)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)利(li)用(yong)陣(zhen)列(lie)中(zhong)現(xian)有(you)天(tian)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)互(hu)藕(ou)作(zuo)為(wei)校(xiao)準(zhun)機(ji)製(zhi)，這(zhe)有(you)很(hen)高(gao)的(de)可(ke)行(xing)性(xing)。最(zui)簡(jian)單(dan)直(zhi)接(jie)的(de)方(fang)法(fa)或(huo)許(xu)是(shi)在(zai)基(ji)站(zhan)中(zhong)的(de)天(tian)線(xian)之(zhi)前(qian)增(zeng)加(jia)一(yi)些(xie)無(wu)源(yuan)耦(ou)合(he)路(lu)徑(jing)。這(zhe)會(hui)增(zeng)加(jia)硬(ying)件(jian)複(fu)雜(za)性(xing)，但(dan)應(ying)能(neng)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)魯(lu)棒(bang)的(de)校(xiao)準(zhun)機(ji)製(zhi)。為(wei)了(le)全(quan)麵(mian)校(xiao)準(zhun)係(xi)統(tong)，從(cong)一(yi)個(ge)指(zhi)定(ding)校(xiao)準(zhun)發(fa)射(she)信(xin)道(dao)發(fa)送(song)一(yi)個(ge)信(xin)號(hao)
，所(suo)有(you)RF接收路徑通過無源耦合連接接收該信號。然後
，每個發射RF路lu徑jing依yi次ci發fa送song一yi個ge信xin號hao，該gai信xin號hao在zai各ge天tian線xian的de耦ou合he點dian被bei接jie收shou，被bei傳chuan回hui到dao一yi個ge合he路lu器qi
，再zai被bei送song至zhi指zhi定ding校xiao準zhun接jie收shou路lu徑jing。溫wen度du相xiang關guan效xiao應ying的de變bian化hua一yi般ban很hen慢man，故gu與yu信xin道dao特te性xing不bu同tong
，無wu需xu頻pin繁fan執zhi行xing溫wen度du相xiang關guan校xiao準zhun。

 

ADI公司收發器和Massive MIMO

 

ADI公司的集成收發器產品係列特別適合需要高密度RF信號鏈的應用。AD9371具有2個發射路徑、2個接收路徑和一個觀測接收機
，並有3個小數N分頻PLL用於RF LO生成
，采用12 mm × 12 mm封裝。這一無與倫比的集成度使得製造商能夠及時且經濟高效地創建複雜係統。

 

圖11顯示了一個使用多個AD9371收發器的可能係統實現。該係統有32個發射信道和32個接收信道
，采用16個AD9371收發器。三個 AD9528 時鍾發生器為係統提供PLL參考時鍾和JESD204B SYSREF。AD9528是一款雙級PLL
，提供14路LVDS/HSTL輸出，集成JESD204B SYSREF發生器
，可用於多器件同步。AD9528排列成扇出緩衝配置，其中一個用作主器件
，它的一些輸出用於驅動時鍾輸入和從器件的SYSREF輸入。圖中包括一個可能的無源校準機製—如綠色和橙色部分所示—一個專用發射和接收信道通過分相器/合相器校準所有接收和發射信號路徑，正如上一節所述。

 

圖11.采用ADI公司AD9371收發器的32 Tx、32 Rx massive MIMO射頻頭框圖

 

結語

 

Massive MIMOkongjianfuyongyouwangchengweifengwotongxinlingyudegemingxingjishu
，qizhichizaigaoliuliangchengshiquyushixiangenggaodefengworonglianghexiaolv。taliyongleduolujingchuanbosuodailaidefenjixing

，yunxujizhanyuduoweiyonghuzhijianshiyongtongyishijianhepinlvziyuanjinxingshujuchuanshu。jizhantianxianyuyonghuzhijiandexindaojuyouhuyixing，gusuoyoufuzadexinhaochulikeyibaoliuzaijizhanjinxing，xindaobiaozhengkeyizaishangxinglianluzhongwancheng。ADI公司的RadioVerse™係列集成收發器產品支持在小的空間中實現多通路的RF路徑
，因此非常適合massive MIMO應用。

 

參考電路

 

1. Xiang Gao. 實際傳播環境中的Massive MIMO. Lund University, 2016.

 

2. Michael Joham, Josef A. Nossek, and Wolfgang Utschick. ̏ MIMO通信係統中的線性發射處理. ̋  IEEE信號處理論文集，第53卷第8期
，2005年8月。

 

3. Hien Quoc Ngo. Massive MIMO：基本原理和係統設計. Linköping University, 2015年.

 

 

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