MIMO波束賦形及其對TD-LTE測試的影響

1 波束賦形基礎(chǔ)知識

“波束賦形”一詞有時會被濫用，從而引起混淆。從技術(shù)上來說，波束賦形和波束導(dǎo)向一樣簡單，即兩個或更多的天線以受控的延遲或相位偏移來發(fā)射信號，從而創(chuàng)造出定向的建設(shè)性干涉波瓣(見圖1)。

圖1　簡單波束導(dǎo)向創(chuàng)建的波瓣

TD-LTE系統(tǒng)中所用的波束賦形是一個相對更加復(fù)雜的命題，部分原因是終端設(shè)備具有移動的特性。一種稱為Eigen波束賦形的技術(shù)會使用關(guān)于RF信道的信息從統(tǒng)計上對發(fā)射天線組件的幅度和相位參數(shù)進(jìn)行加權(quán)判斷。雖然 Eigen波束賦形并非計算最密集的波束賦形類型(還有一種稱為最大比率發(fā)送的方法也會執(zhí)行相同類型的權(quán)重判斷，但只針對每個子載波)，但當(dāng)它被用于組件數(shù)較高的8 × n MIMO系統(tǒng)時，無論是在實(shí)施中，還是在系統(tǒng)開發(fā)的驗(yàn)證階段中，都將是一個極具挑戰(zhàn)性的命題。

2　TD-LTE與8×n MIMO

多數(shù)計劃中的TD-LTE部署都是圍繞8個天線組件的發(fā)射天線而設(shè)計的(見圖2)。在這些系統(tǒng)中，4個有一定距離間隔的天線組件被物理指向某個角度。另外，4個組件的布置方式是，每個都分別與前4個天線組件同軸，而且后4個天線組件中每一個都指向其各自的配對組件。

圖2　一個8×2波束賦形系統(tǒng)創(chuàng)造出的垂直極化波束

由4個方向類似的組件組成的每一組都形成了一個可以瞄準(zhǔn)某個特定方向的波束。這4個無線電鏈路之間的關(guān)聯(lián)程度很高，而兩個垂直極化波束則顯示出較低程度的相互關(guān)聯(lián)，形成類似2×n MIMO的系統(tǒng)，因此也就可以發(fā)射多層或多個數(shù)據(jù)流。因此，這樣的系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率最大化優(yōu)勢的同時，還可充分發(fā)揮波束賦形優(yōu)化特定方向信號強(qiáng)度。這種系統(tǒng)通常被稱為雙層波束賦形系統(tǒng)，其中的每一層都可以代表一個獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。

雙層MIMO波束賦形系統(tǒng)既可用作單用戶MIMO系統(tǒng)(SU-MIMO)，即兩個數(shù)據(jù)流都被分配給單個用戶終端，也可以用作多用戶(MU-MIMO)系統(tǒng)，即個數(shù)據(jù)流均被分配給不同的用戶終端。這樣為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供巨大的靈活性，使之能夠選擇性地部署覆蓋能力最大的系統(tǒng)，或者是單個用戶數(shù)據(jù)吞吐量最大的系統(tǒng)。

3　波束賦形工作原理

在任何一種波束賦形系統(tǒng)中，系統(tǒng)都必須能夠估計目標(biāo)用戶終端的方向。在FDD系統(tǒng)中，這是用戶終端 以預(yù)編碼矩陣指標(biāo)(PMI)的形式進(jìn)行反饋的功能，而TD-LTE的信道互易性取消了這一要求。在TD-LTE系統(tǒng)中，用戶終端會向基站發(fā)送一個信道報告信號，基站通過檢查相同極化天線之間的相對相位差，能估計出用戶終端的到達(dá)方向(DoA)。需要注意的是，盡管這種估計是在上行鏈路中執(zhí)行的，基站仍可利用信道互易性，根據(jù)對上行鏈路的估計在下行鏈路中執(zhí)行發(fā)送任務(wù)。

接下來，根據(jù)估計出的DoA，基站會動態(tài)調(diào)整天線陣列中每個組件的“天線權(quán)重”(相對幅度和相位)，將波束引向所期望的用戶，并且/或者將零信號引導(dǎo)至不需要干涉所在的方向。圖 1顯示的便是這一基本概念。

上面的場景事實(shí)上只是簡單的波束導(dǎo)向。Eigen波束賦形會加入一些智能處理，但其期望的基本效果是相同的：系統(tǒng)會利用互易性對下行信道的參數(shù)做出估計并據(jù)此調(diào)整天線權(quán)重(見圖3)。

圖3　自適應(yīng)式波束賦形系統(tǒng)

4　測試波束賦形

在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建真實(shí)MIMO測試平臺時可能遇到各種挑戰(zhàn)，而其中很多都已在過去被人們發(fā)現(xiàn)并得到了解決。由于波束和MIMO鏈路組件的空間特性，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的測試必須實(shí)施正確的極化和真實(shí)的天線方向圖才能創(chuàng)造出有效的測試環(huán)境。

TD-LTE則增加了超出簡單MIMO測試的更多要求：上行和下行鏈路必須在衰退和傳輸功能特性方面表現(xiàn)出互易性。在測試實(shí)驗(yàn)室中，這并不像看起來那么簡單?，F(xiàn)代信道仿真器必須由單向RF信道組成。要想精確仿真互易信道，就需要在產(chǎn)生同步的、精確重復(fù)衰退方面下大量的功夫。在多數(shù)測試中表現(xiàn)良好的信道仿真器并不一定適用于TD-LTE測試，除非它能夠在上行和下行鏈路中生成幾乎完全相同的信道條件。

另外一個關(guān)鍵的關(guān)注領(lǐng)域就是相位精度和校準(zhǔn)。近幾個月中，人們在這個看似神秘的話題方面做了很多的工作，在基于實(shí)驗(yàn)室的最新型RF信道仿真技術(shù)取得了新的進(jìn)展。在實(shí)踐中，相位校準(zhǔn)會受下列因素的影響：

(1)調(diào)整信道功率水平。

(2)調(diào)整信噪比 。

(3)改變信道模型。

(4)調(diào)整頻率。

(5)斷電重啟。

盡管SISO和非波束賦形MIMO系統(tǒng)對于這些過程造成的輕微相位偏移并不敏感 ，但MIMO波束賦形對與相位有關(guān)的精度不良現(xiàn)象尤為敏感。

圖4顯示的是一個DoA錯誤為ε度的典型8天線統(tǒng)一線性陣列的輻射模式。8度的錯誤會導(dǎo)致波束賦形增益出現(xiàn)10 dB的損失，而當(dāng)錯誤達(dá)到14度時，整個鏈路都將損失殆盡。

圖4　相位錯誤及其對波束賦形增益的影響(8天線線性陣列)

因此，要想對MIMO波束賦形進(jìn)行精確的測試，就必須對系統(tǒng)執(zhí)行定期的相位校準(zhǔn)。雖然也可對用于測試MIMO波束賦形的信道仿真系統(tǒng)進(jìn)行手動相位校準(zhǔn)，但用戶在這種校準(zhǔn)中所花的時間可能為測試所需時間的5~8倍。更重要的是，手動相位校準(zhǔn)需要斷開并重新連接多個RF連接器，這將會對系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。