Massive MIMO和波束成形：揭密5G背后的信号处理

Massive MIMO空间多工有望成为蜂巢式通讯领域中改写游戏规则的革命性技术，支援在高流量城市地区实现更高的行动容量和效率。它利用了多径传播带来的分集性，允许基地台与多用户之间在同一时间和频率资源时进行数据传输...

我们对于高速行动资料的渴求是无止境的。可是在密集城市环境中的可用射频(RF)频谱已经饱和，显然目前迫切需要提高从无线基地台收发资料的效率。

基地台包含大量天线，因此，提升基地台频谱效率的一种方案是让这些天线透过相同的频率资源与多个在空间上分离的使用者终端同时通讯，并利用多径传输。这种技术常被称为大规模多输入多输出(massive MIMO)。您可能听过massive MIMO被描述为大量天线的波束成形(beamforming)。但随之而来的问题是：何谓波束成形？

波束成形与Massive MIMO的关系

不同的人对于波束成形一词有着不同的理解。波束成形是指根据特定场景自动调整天线阵列辐射模式的能力。在蜂巢式通讯领域，许多人认为波束成形是将天线功率主瓣指向使用者，如图1所示。调整各天线收发单元的幅度和相位，使得天线阵列在特定方向上的发射/接收讯号一致地叠加，而其他方向的讯号则相互抵销。一般不考虑阵列和用户所处的空间环境。这确实是波束成形，不过只是它的一种特定建置。

图1：传统波束成形

Massive MIMO可被视为更广泛意义上的波束成形的一种形式，不过它与传统形式相去甚远。Massive意指基地台天线阵列中的大量天线；MIMO意指天线阵列使用同一时间和频率资源满足空间上分离的多位用户的需求。Massive MIMO也认为在实际系统中，天线与使用者终端(以及相反过程)之间传输的资料经过了周围环境的滤波。讯号可能会被建筑物和其他障碍物反射，这些反射可能涉及延迟、衰减和抵达方向，如图2所示。天线与使用者终端之间甚至可能没有直接路径。其结果是这些非直接传输路径同样有利用价值。

图2：天线阵列和使用者之间的多路径环境

为了利用多路径，天线元件和使用者终端之间的空间通道需要加以表征。文献中一般将这种响应称为通道状态资讯(CSI)。此CSI实质上是各天线与各使用者终端之间的空间传递函数集合。用一个矩阵(H)来收集此空间资讯，如图3所示。下一节将详细讨论CSI概念及其收集方法。CSI用于数位化编码和解码天线阵列所收发的资料。

图3：表征massive MIMO系统需要通道状态资讯

表征基地台与使用者之间的空间通道

想像一个有趣的比喻：一个气球在某个位置被戳破了，发出“啪”的声响，在另一个位置记录此声音或脉冲，如图4所示。在麦克风位置记录的声音是一种空间脉冲响应，其中包含的资讯对于周围环境中的气球和麦克风所在特定位置来说是独有的。相较于直接路径，被障碍物反射的声音会产生衰减和延迟。

图4：透过声音比喻说明通道的空间特性

如果将该比喻延伸至比较天线阵列和使用者终端场景，那么就需要更多的气球，如图5所示。值得注意的是，为了表征每个气球与麦克风之间的通道，我们必须在不同时间戳破各个气球，使得麦克风记录的气球反射不至于重叠。另一方向也需要表征，如图6所示。在此例中，在使用者终端位置的气球被戳破时，即可同时完成所有录音。这样所花的时间显然少得多了！

图5：以声音比喻下行链路通道表征 

P6图6：以声音比喻上行链路通道表征

在RF领域中，利用导频讯号表征空间通道。天线与使用者终端之间的空中下载(OTA)传输通道是可互易的，即该通道在两个方向是相同的。这取决于系统作业于分时多工(TDD)模式还是分频多工(FDD)模式。在TDD模式时，上行链路和下行链路传输使用相同频率资源。可互易的假设意味着只需要在一个方向上表征通道即可，上行链路通道是显而易见的选择，因为只需要从使用者终端发送一个导频讯号，就能由所有的天线元件接收。通道估计的复杂度与使用者终端数成比例，而非与阵列中的天线数成正比。这一点非常重要，因为使用者终端可能在移动中，因而必须频繁地进行通道估计。基于上行链路的表征还有一个重要优势，那就是所有繁重的通道估计和讯号处理任务皆在基地台完成，而非在用户端进行。

图7：每个使用者终端发射正交导频符号

现在，收集CSI的概念既已经建立了，接着如何将此资讯应用于资料讯号，以支援空间多工呢？滤波是基于CSI而设计的，以便对天线阵列传输的资料进行预编码，使得多路径讯号会在使用者终端位置一致地叠加。这种滤波还可以用来线性组合天线阵列RF路径收到的资料，从而检测来自不同用户的资料串流。以下将更详细讨论这个问题。

支援Massive MIMO的讯号处理

前面介绍了如何估计CSI(用矩阵H表示)。检测和预编码矩阵基于H计算。这种矩阵有多种计算方法。以下将着重于讨论线性方案。线性预编码/检测方法的例子有最大比率(MR)、归零(ZF)和最小均方误差(MMSE)。本文最后将提供从CSI汇出预编码/检测滤波器的全过程，并讨论其最佳化标准与每种方法的优缺点。

对于上述三种线性方法，图8和图9分别显示上行和下行链路中讯号处理的运作方式。针对预编码，可能还有某种缩放矩阵，以符合整个阵列因简化而忽略的功率标准。

图8：上行链路讯号处理；H表示共轭转置 

P9图9：下行链路讯号处理；T表示转置；表示共轭

顾名思义，最大比率滤波旨在最大程度地提高讯号杂讯比(SNR)。从讯号处理的角度看，这是最简单的方法，因为检测/预编码矩阵刚好是CSI矩阵H的共轭转置或转置。其最大缺点是忽略了使用者间干扰。

归零预编码试图解决使用者间干扰问题，透过设计最佳化标准来使其降至最低。检测/预编码矩阵是CSI矩阵的伪逆(pseudoinverse)。伪逆矩阵的计算开销高于MR情况中的复共轭。然而，由于太注重降低干扰，用户的接收功率会受影响。

MMSE试图在放大讯号与降低干扰之间取得平衡。这种整体观需付出的代价是讯号处理复杂度较高。MMSE的途径为最佳化导入了一个正规化项目——在图8和图9中表示为β——利用它可以在杂讯协方差与发射功率之间找到平衡点。此方法在文献中有时也被称为正规化归零(RZF)。

以上并未囊括所有的预编码/检测技术，只是简单介绍了主要线性方法。另外还有非线性讯号处理技术，例如脏纸(dirty paper)编码和连续干扰消除便可用来解决此问题。这些方法可提供最优容量，但实现起来非常复杂。上述线性方法对massive MIMO而言一般是足够的，天线数目可以很大。预编码/检测技术的选择取决于运算资源、天线数目、使用者人数和系统所处环境的多样性。对于天线数目远大于使用者人数的大天线阵列，最大化比率方法可能充份满足需要。

现实世界系统挑战Massive MIMO

在现实世界的场景中实现massive MIMO时，还有其他实际问题需要考虑。例如，一个天线阵列有32个发射(Tx)通道和32个接收(Rx)通道，作业在3.5GHz频段，那么就需要放置64个RF讯号链，在指定的工作频率下，天线间距约为4.2cm。这表示有大量硬体必须装入一个很小的空间中。它还意味着会耗散大量功率，不可避免会带来温度问题。 图10显示了在现实世界系统中的下行链路通道。它分为三个部份：空中下载(OTA)通道(H)、基地台发射RF路径的硬体回应(TBS)以及使用者接收RF路径的硬体回应(RUE)。上行链路与此相反，RBS表征基地台接收硬体RF路径，TUE表征使用者发射硬体RF路径。可互易的假设虽然对OTA介面成立，但对硬体路径不成立。由于走线不匹配、RF路径间同步不佳以及与温度有关的相位漂移等问题，RF讯号链会对系统造成误差。

图10：现实世界的下行链路通道

在RF路径中的所有本地振荡(LO)锁相环(PLL)都使用共同的同步参考时脉，并对基频数位JESD204B讯号使用同步SYSREF，有助于解决RF路径间的延迟问题。但在系统启动时，RF路径之间仍存在通道间的相位不匹配，由温度引起的相位漂移则会进一步扩大此问题。因此，系统在启动时显然需要初始化校准，并在此后的运作中进行周期性校准。透过校准可实现互易优势，使讯号处理复杂度维持在基地台，并且只需要表征上行链路通道。这样可获得一般意义上的简化，从而仅需要考虑基地台RF路径(TBS和RBS)。

有多种方法可校准这些系统。其一是在天线阵列前面放置一个校准天线，利用此校准天线来校准接收和发射RF通道。但这种在阵列前方放置天线的方式是否满足实际系统校准的需求，还是个疑问。另一种方法是利用阵列中现有天线之间的交互耦合作为校准机制，这有很高的可行性。最简单直接的方法或许是在基地台中的天线之前增加一些被动耦合路径。这会增加硬体的复杂度，但应该能提供一种较耐用的校准机制。为了全面校准系统，从一个指定校准发射通道发送讯号时，将会被所有通过被动耦合连接的RF接收路径接收。然后，每个发射RF路径依序发送讯号，并在各天线前的被动耦合点加以接收，再被传回合路器，接着被送至指定校准接收路径。温度相关效应的变化一般较慢，故与通道特性不同，无需频繁执行温度相关校准。

例如，美商亚德诺半导体(ADI)的整合收发器为此类问题提供了高效率解决方案。该系列产品特别适合需要高密度RF讯号链的应用，如AD9371在12mm×12mm的封装中整合了2个发射路径、2个接收路径和1个观测接收机，以及3个小数N分频PLL用于产生RF LO。高整合度使得制造商能够及时且经济高效地创建复杂的系统。

图11显示使用多个AD9371收发器的可能系统建置。该系统搭载了16个AD9371收发器，提供32个发射通道和32个接收通道。3个AD9528时脉产生器为系统提供了PLL参考时脉和JESD204B SYSREF。AD9528是一款双级PLL，提供14路LVDS/HSTL输出，整合JESD204B SYSREF产生器，可用于多元件同步。AD9528采用扇出缓冲配置，其中一个用于作为主元件，其他一些输出则用于驱动时脉输入和从属元件的SYSREF输入。包括一个可能的被动校准机制(如图中绿色和橙色部份所示)，一个专用的发射和接收通道透过分路器/合路器校准所有接收和发射讯号路径。

图11：采用ADI AD9371收发器的32T/Rx massive MIMO射频前端

结语

Massive MIMO空间多工有望成为蜂巢式通讯领域中改写游戏规则的革命性技术，支援在高流量城市地区实现更高的行动容量和效率。它利用了多径传播带来的分集性，允许基地台与多用户之间在同一时间和频率资源时进行资料传输。基地台天线与使用者之间的通道具有互易性，因此，所有复杂的讯号处理都可以保留在基地台进行，通道表征也可以在上行链路中完成。例如ADI RadioVerse系列整合收发器产品支援在小空间中实现高密度的RF路径，因而非常适合massive MIMO应用。