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

圖1　簡單波束導向創建的波瓣

TD-LTE系統中所用的波束賦形是一個相對更加復雜的命題，部分原因是終端設備具有移動的特性。一種稱為Eigen波束賦形的技術會使用關于RF信道的信息從統計上對發射天線組件的幅度和相位參數進行加權判斷。雖然 Eigen波束賦形并非計算最密集的波束賦形類型(還有一種稱為最大比率發送的方法也會執行相同類型的權重判斷，但只針對每個子載波)，但當它被用于組件數較高的8 × n MIMO系統時，無論是在實施中，還是在系統開發的驗證階段中，都將是一個極具挑戰性的命題。

2　TD-LTE與8×n MIMO

多數計劃中的TD-LTE部署都是圍繞8個天線組件的發射天線而設計的(見圖2)。在這些系統中，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波束賦形系統創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某個特定方向的波束。這4個無線電鏈路之間的關聯程度很高，而兩個垂直極化波束則顯示出較低程度的相互關聯，形成類似2×n MIMO的系統，因此也就可以發射多層或多個數據流。因此，這樣的系統在實現MIMO系統數據速率最大化優勢的同時，還可充分發揮波束賦形優化特定方向信號強度。這種系統通常被稱為雙層波束賦形系統，其中的每一層都可以代表一個獨立的數據流。

雙層MIMO波束賦形系統既可用作單用戶MIMO系統(SU-MIMO)，即兩個數據流都被分配給單個用戶終端，也可以用作多用戶(MU-MIMO)系統，即個數據流均被分配給不同的用戶終端。這樣為網絡運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，或者是單個用戶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終端的方向。在FDD系統中，這是用戶終端 以預編碼矩陣指標(PMI)的形式進行反饋的功能，而TD-LTE的信道互易性取消了這一要求。在TD-LTE系統中，用戶終端會向基站發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送任務。

接下來，根據估計出的DoA，基站會動態調整天線陣列中每個組件的“天線權重”(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。

上面的場景事實上只是簡單的波束導向。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：系統會利用互易性對下行信道的參數做出估計并據此調整天線權重(見圖3)。

圖3　自適應式波束賦形系統

4　測試波束賦形

在實驗室中創建真實MIMO測試平臺時可能遇到各種挑戰，而其中很多都已在過去被人們發現并得到了解決。由于波束和MIMO鏈路組件的空間特性，在實驗室中進行的測試必須實施正確的極化和真實的天線方向圖才能創造出有效的測試環境。

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出互易性。在測試實驗室中，這并不像看起來那么簡單。現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。

另外一個關鍵的關注領域就是相位精度和校準。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，在基于實驗室的最新型RF信道仿真技術取得了新的進展。在實踐中，相位校準會受下列因素的影響：

(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的精度不良現象尤為敏感。

圖4顯示的是一個DoA錯誤為ε度的典型8天線統一線性陣列的輻射模式。8度的錯誤會導致波束賦形增益出現10 dB的損失，而當錯誤達到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行手動相位校準，但用戶在這種校準中所花的時間可能為測試所需時間的5~8倍。更重要的是，手動相位校準需要斷開并重新連接多個RF連接器，這將會對系統的長期穩定性產生不利影響。