MIMO波束賦形及其對TD-LTE測試的影響

1 波束賦形基礎知識

“波束賦形”一詞有時(shí)會(huì )被濫用，從而引起混淆。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，波束賦形和波束導向一樣簡(jiǎn)單，即兩個(gè)或更多的天線(xiàn)以受控的延遲或相位偏移來(lái)發(fā)射信號，從而創(chuàng )造出定向的建設性干涉波瓣(見(jiàn)圖1)。

圖1　簡(jiǎn)單波束導向創(chuàng )建的波瓣

TD-LTE系統中所用的波束賦形是一個(gè)相對更加復雜的命題，部分原因是終端設備具有移動(dòng)的特性。一種稱(chēng)為Eigen波束賦形的技術(shù)會(huì )使用關(guān)于RF信道的信息從統計上對發(fā)射天線(xiàn)組件的幅度和相位參數進(jìn)行加權判斷。雖然 Eigen波束賦形并非計算最密集的波束賦形類(lèi)型(還有一種稱(chēng)為最大比率發(fā)送的方法也會(huì )執行相同類(lèi)型的權重判斷，但只針對每個(gè)子載波)，但當它被用于組件數較高的8 × n MIMO系統時(shí)，無(wú)論是在實(shí)施中，還是在系統開(kāi)發(fā)的驗證階段中，都將是一個(gè)極具挑戰性的命題。

2　TD-LTE與8×n MIMO

多數計劃中的TD-LTE部署都是圍繞8個(gè)天線(xiàn)組件的發(fā)射天線(xiàn)而設計的(見(jiàn)圖2)。在這些系統中，4個(gè)有一定距離間隔的天線(xiàn)組件被物理指向某個(gè)角度。另外，4個(gè)組件的布置方式是，每個(gè)都分別與前4個(gè)天線(xiàn)組件同軸，而且后4個(gè)天線(xiàn)組件中每一個(gè)都指向其各自的配對組件。

圖2　一個(gè)8×2波束賦形系統創(chuàng )造出的垂直極化波束

由4個(gè)方向類(lèi)似的組件組成的每一組都形成了一個(gè)可以瞄準某個(gè)特定方向的波束。這4個(gè)無(wú)線(xiàn)電鏈路之間的關(guān)聯(lián)程度很高，而兩個(gè)垂直極化波束則顯示出較低程度的相互關(guān)聯(lián)，形成類(lèi)似2×n MIMO的系統，因此也就可以發(fā)射多層或多個(gè)數據流。因此，這樣的系統在實(shí)現MIMO系統數據速率最大化優(yōu)勢的同時(shí)，還可充分發(fā)揮波束賦形優(yōu)化特定方向信號強度。這種系統通常被稱(chēng)為雙層波束賦形系統，其中的每一層都可以代表一個(gè)獨立的數據流。

雙層MIMO波束賦形系統既可用作單用戶(hù)MIMO系統(SU-MIMO)，即兩個(gè)數據流都被分配給單個(gè)用戶(hù)終端，也可以用作多用戶(hù)(MU-MIMO)系統，即個(gè)數據流均被分配給不同的用戶(hù)終端。這樣為網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)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，或者是單個(gè)用戶(hù)數據吞吐量最大的系統。

3　波束賦形工作原理

在任何一種波束賦形系統中，系統都必須能夠估計目標用戶(hù)終端的方向。在FDD系統中，這是用戶(hù)終端 以預編碼矩陣指標(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系統中，用戶(hù)終端會(huì )向基站發(fā)送一個(gè)信道報告信號，基站通過(guò)檢查相同極化天線(xiàn)之間的相對相位差，能估計出用戶(hù)終端的到達方向(DoA)。需要注意的是，盡管這種估計是在上行鏈路中執行的，基站仍可利用信道互易性，根據對上行鏈路的估計在下行鏈路中執行發(fā)送任務(wù)。

接下來(lái)，根據估計出的DoA，基站會(huì )動(dòng)態(tài)調整天線(xiàn)陣列中每個(gè)組件的“天線(xiàn)權重”(相對幅度和相位)，將波束引向所期望的用戶(hù)，并且/或者將零信號引導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(chǎng)景事實(shí)上只是簡(jiǎn)單的波束導向。Eigen波束賦形會(huì )加入一些智能處理，但其期望的基本效果是相同的：系統會(huì )利用互易性對下行信道的參數做出估計并據此調整天線(xiàn)權重(見(jiàn)圖3)。

圖3　自適應式波束賦形系統

4　測試波束賦形

在實(shí)驗室中創(chuàng )建真實(shí)MIMO測試平臺時(shí)可能遇到各種挑戰，而其中很多都已在過(guò)去被人們發(fā)現并得到了解決。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(xiàn)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(jiǎn)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出互易性。在測試實(shí)驗室中，這并不像看起來(lái)那么簡(jiǎn)單?，F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、精確重復衰退方面下大量的功夫。在多數測試中表現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(gè)關(guān)鍵的關(guān)注領(lǐng)域就是相位精度和校準。近幾個(gè)月中，人們在這個(gè)看似神秘的話(huà)題方面做了很多的工作，在基于實(shí)驗室的最新型RF信道仿真技術(shù)取得了新的進(jìn)展。在實(shí)踐中，相位校準會(huì )受下列因素的影響：

(1)調整信道功率水平。

(2)調整信噪比 。

(3)改變信道模型。

(4)調整頻率。

(5)斷電重啟。

盡管SISO和非波束賦形MIMO系統對于這些過(guò)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)的精度不良現象尤為敏感。

圖4顯示的是一個(gè)DoA錯誤為ε度的典型8天線(xiàn)統一線(xiàn)性陣列的輻射模式。8度的錯誤會(huì )導致波束賦形增益出現10 dB的損失，而當錯誤達到14度時(shí)，整個(gè)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(xiàn)線(xiàn)性陣列)

因此，要想對MIMO波束賦形進(jìn)行精確的測試，就必須對系統執行定期的相位校準。雖然也可對用于測試MIMO波束賦形的信道仿真系統進(jìn)行手動(dòng)相位校準，但用戶(hù)在這種校準中所花的時(shí)間可能為測試所需時(shí)間的5~8倍。更重要的是，手動(dòng)相位校準需要斷開(kāi)并重新連接多個(gè)RF連接器，這將會(huì )對系統的長(cháng)期穩定性產(chǎn)生不利影響。