我們對於高速行動資料的渴求是無止境的。可是在密集城市環境中的可用射頻(RF)頻譜已經飽和,顯然目前迫切需要提高從無線基地台收發資料的效率。

基地台包含大量天線,因此,提升基地台頻譜效率的一種方案是讓這些天線透過相同的頻率資源與多個在空間上分離的使用者終端同時通訊,並利用多徑傳輸。這種技術常被稱為大規模多輸入多輸出(massive MIMO)。您可能聽過massive MIMO被描述為大量天線的波束成形(beamforming)。但隨之而來的問題是:何謂波束成形?

波束成形與Massive MIMO的關係

不同的人對於波束成形一詞有著不同的理解。波束成形是指根據特定場景自動調整天線陣列輻射模式的能力。在蜂巢式通訊領域,許多人認為波束成形是將天線功率主瓣指向使用者,如圖1所示。調整各天線收發單元的幅度和相位,使得天線陣列在特定方向上的發射/接收訊號一致地疊加,而其他方向的訊號則相互抵銷。一般不考慮陣列和用戶所處的空間環境。這確實是波束成形,不過只是它的一種特定建置。

20171024_ADI_TA31P1 圖1:傳統波束成形

Massive MIMO可被視為更廣泛意義上的波束成形的一種形式,不過它與傳統形式相去甚遠。Massive意指基地台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也認為在實際系統中,天線與使用者終端(以及相反過程)之間傳輸的資料經過了周圍環境的濾波。訊號可能會被建築物和其他障礙物反射,這些反射可能涉及延遲、衰減和抵達方向,如圖2所示。天線與使用者終端之間甚至可能沒有直接路徑。其結果是這些非直接傳輸路徑同樣有利用價值。

20171024_ADI_TA31P2 圖2:天線陣列和使用者之間的多路徑環境

為了利用多路徑,天線元件和使用者終端之間的空間通道需要加以表徵。文獻中一般將這種響應稱為通道狀態資訊(CSI)。此CSI實質上是各天線與各使用者終端之間的空間傳遞函數集合。用一個矩陣(H)來收集此空間資訊,如圖3所示。下一節將詳細討論CSI概念及其收集方法。CSI用於數位化編碼和解碼天線陣列所收發的資料。

20171024_ADI_TA31P3 圖3:表徵massive MIMO系統需要通道狀態資訊

表徵基地台與使用者之間的空間通道

想像一個有趣的比喻:一個氣球在某個位置被戳破了,發出「啪」的聲響,在另一個位置記錄此聲音或脈衝,如圖4所示。在麥克風位置記錄的聲音是一種空間脈衝響應,其中包含的資訊對於周圍環境中的氣球和麥克風所在特定位置來說是獨有的。相較於直接路徑,被障礙物反射的聲音會產生衰減和延遲。

20171024_ADI_TA31P4 圖4:透過聲音比喻說明通道的空間特性

如果將該比喻延伸至比較天線陣列和使用者終端場景,那麼就需要更多的氣球,如圖5所示。值得注意的是,為了表徵每個氣球與麥克風之間的通道,我們必須在不同時間戳破各個氣球,使得麥克風記錄的氣球反射不至於重疊。另一方向也需要表徵,如圖6所示。在此例中,在使用者終端位置的氣球被戳破時,即可同時完成所有錄音。這樣所花的時間顯然少得多了!

20171024_ADI_TA31P5 圖5:以聲音比喻下行鏈路通道表徵 20171024_ADI_TA31P6 圖6:以聲音比喻上行鏈路通道表徵

在RF領域中,利用導頻訊號表徵空間通道。天線與使用者終端之間的空中下載(OTA)傳輸通道是可互易的,即該通道在兩個方向是相同的。這取決於系統作業於分時多工(TDD)模式還是分頻多工(FDD)模式。在TDD模式時,上行鏈路和下行鏈路傳輸使用相同頻率資源。可互易的假設意味著只需要在一個方向上表徵通道即可,上行鏈路通道是顯而易見的選擇,因為只需要從使用者終端發送一個導頻訊號,就能由所有的天線元件接收。通道估計的複雜度與使用者終端數成比例,而非與陣列中的天線數成正比。這一點非常重要,因為使用者終端可能在移動中,因而必須頻繁地進行通道估計。基於上行鏈路的表徵還有一個重要優勢,那就是所有繁重的通道估計和訊號處理任務皆在基地台完成,而非在用戶端進行。

20171024_ADI_TA31P7 圖7:每個使用者終端發射正交導頻符號

現在,收集CSI的概念既已經建立了,接著如何將此資訊應用於資料訊號,以支援空間多工呢?濾波是基於CSI而設計的,以便對天線陣列傳輸的資料進行預編碼,使得多路徑訊號會在使用者終端位置一致地疊加。這種濾波還可以用來線性組合天線陣列RF路徑收到的資料,從而檢測來自不同用戶的資料串流。以下將更詳細討論這個問題。

支援Massive MIMO的訊號處理

前面介紹了如何估計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。以下將著重於討論線性方案。線性預編碼/檢測方法的例子有最大比率(MR)、歸零(ZF)和最小均方誤差(MMSE)。本文最後將提供從CSI匯出預編碼/檢測濾波器的全過程,並討論其最佳化標準與每種方法的優缺點。

對於上述三種線性方法,圖8和圖9分別顯示上行和下行鏈路中訊號處理的運作方式。針對預編碼,可能還有某種縮放矩陣,以符合整個陣列因簡化而忽略的功率標準。

20171024_ADI_TA31P8 圖8:上行鏈路訊號處理;H表示共軛轉置 20171024_ADI_TA31P9 圖9:下行鏈路訊號處理;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地提高訊號雜訊比(SNR)。從訊號處理的角度看,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使用者間干擾。

歸零預編碼試圖解決使用者間干擾問題,透過設計最佳化標準來使其降至最低。檢測/預編碼矩陣是CSI矩陣的偽逆(pseudoinverse)。偽逆矩陣的計算開銷高於MR情況中的複共軛。然而,由於太注重降低干擾,用戶的接收功率會受影響。

MMSE試圖在放大訊號與降低干擾之間取得平衡。這種整體觀需付出的代價是訊號處理複雜度較高。MMSE的途徑為最佳化導入了一個正規化項目——在圖8和圖9中表示為β——利用它可以在雜訊協方差與發射功率之間找到平衡點。此方法在文獻中有時也被稱為正規化歸零(RZF)。

以上並未囊括所有的預編碼/檢測技術,只是簡單介紹了主要線性方法。另外還有非線性訊號處理技術,例如髒紙(dirty paper)編碼和連續干擾消除便可用來解決此問題。這些方法可提供最優容量,但實現起來非常複雜。上述線性方法對massive 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運算資源、天線數目、使用者人數和系統所處環境的多樣性。對於天線數目遠大於使用者人數的大天線陣列,最大化比率方法可能充份滿足需要。

現實世界系統挑戰Massive MIMO

在現實世界的場景中實現massive MIMO時,還有其他實際問題需要考慮。例如,一個天線陣列有32個發射(Tx)通道和32個接收(Rx)通道,作業在3.5GHz頻段,那麼就需要放置64個RF訊號鏈,在指定的工作頻率下,天線間距約為4.2cm。這表示有大量硬體必須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。 圖10顯示了在現實世界系統中的下行鏈路通道。它分為三個部份:空中下載(OTA)通道(H)、基地台發射RF路徑的硬體回應(TBS)以及使用者接收RF路徑的硬體回應(RUE)。上行鏈路與此相反,RBS表徵基地台接收硬體RF路徑,TUE表徵使用者發射硬體RF路徑。可互易的假設雖然對OTA介面成立,但對硬體路徑不成立。由於走線不匹配、RF路徑間同步不佳以及與溫度有關的相位漂移等問題,RF訊號鏈會對系統造成誤差。

20171024_ADI_TA31P10 圖10:現實世界的下行鏈路通道

在RF路徑中的所有本地振盪(LO)鎖相環(PLL)都使用共同的同步參考時脈,並對基頻數位JESD204B訊號使用同步SYSREF,有助於解決RF路徑間的延遲問題。但在系統啟動時,RF路徑之間仍存在通道間的相位不匹配,由溫度引起的相位漂移則會進一步擴大此問題。因此,系統在啟動時顯然需要初始化校準,並在此後的運作中進行週期性校準。透過校準可實現互易優勢,使訊號處理複雜度維持在基地台,並且只需要表徵上行鏈路通道。這樣可獲得一般意義上的簡化,從而僅需要考慮基地台RF路徑(TBS和RBS)。

有多種方法可校準這些系統。其一是在天線陣列前面放置一個校準天線,利用此校準天線來校準接收和發射RF通道。但這種在陣列前方放置天線的方式是否滿足實際系統校準的需求,還是個疑問。另一種方法是利用陣列中現有天線之間的交互耦合作為校準機制,這有很高的可行性。最簡單直接的方法或許是在基地台中的天線之前增加一些被動耦合路徑。這會增加硬體的複雜度,但應該能提供一種較耐用的校準機制。為了全面校準系統,從一個指定校準發射通道發送訊號時,將會被所有通過被動耦合連接的RF接收路徑接收。然後,每個發射RF路徑依序發送訊號,並在各天線前的被動耦合點加以接收,再被傳回合路器,接著被送至指定校準接收路徑。溫度相關效應的變化一般較慢,故與通道特性不同,無需頻繁執行溫度相關校準。

例如,美商亞德諾半導體(ADI)的整合收發器為此類問題提供了高效率解決方案。該系列產品特別適合需要高密度RF訊號鏈的應用,如AD9371在12mm×12mm的封裝中整合了2個發射路徑、2個接收路徑和1個觀測接收機,以及3個小數N分頻PLL用於產生RF LO。高整合度使得製造商能夠及時且經濟高效地創建複雜的系統。

圖11顯示使用多個AD9371收發器的可能系統建置。該系統搭載了16個AD9371收發器,提供32個發射通道和32個接收通道。3個AD9528時脈產生器為系統提供了PLL參考時脈和JESD204B SYSREF。AD9528是一款雙級PLL,提供14路LVDS/HSTL輸出,整合JESD204B SYSREF產生器,可用於多元件同步。AD9528採用扇出緩衝配置,其中一個用於作為主元件,其他一些輸出則用於驅動時脈輸入和從屬元件的SYSREF輸入。包括一個可能的被動校準機制(如圖中綠色和橙色部份所示),一個專用的發射和接收通道透過分路器/合路器校準所有接收和發射訊號路徑。

20171024_ADI_TA31P11 圖11:採用ADI AD9371收發器的32T/Rx massive MIMO射頻前端

結語

Massive MIMO空間多工有望成為蜂巢式通訊領域中改寫遊戲規則的革命性技術,支援在高流量城市地區實現更高的行動容量和效率。它利用了多徑傳播帶來的分集性,允許基地台與多用戶之間在同一時間和頻率資源時進行資料傳輸。基地台天線與使用者之間的通道具有互易性,因此,所有複雜的訊號處理都可以保留在基地台進行,通道表徵也可以在上行鏈路中完成。例如ADI RadioVerse系列整合收發器產品支援在小空間中實現高密度的RF路徑,因而非常適合massive MIMO應用。