我們對(duì)高速移動(dòng)數(shù)據(jù)的渴望是永不滿(mǎn)足的。隨著我們?cè)诿芗某鞘协h(huán)境中使可用的射頻頻譜飽和，很明顯，需要提高我們從無(wú)線(xiàn)基站發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的效率。

由大量天線(xiàn)組成的基站同時(shí)通過(guò)相同的頻率資源與多個(gè)空間上分離的用戶(hù)終端通信并利用多徑傳播是實(shí)現(xiàn)這種效率節(jié)約的一種選擇。這種技術(shù)通常被稱(chēng)為大規(guī)模MIMO（多輸入，多輸出）。您可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)大規(guī)模MIMO被描述為具有大量天線(xiàn)的波束成形。但這提出了一個(gè)問(wèn)題...什么是波束成形？

波束成形與大規(guī)模 MIMO

波束成形是一個(gè)詞，對(duì)不同的人意味著不同的東西。波束成形是使天線(xiàn)陣列的輻射方向圖適應(yīng)特定場(chǎng)景的能力。在蜂窩通信領(lǐng)域，許多人認(rèn)為波束成形是將功率波瓣引導(dǎo)到特定方向上朝向用戶(hù)，如圖1所示。相對(duì)幅度和相移應(yīng)用于每個(gè)天線(xiàn)元件，以允許天線(xiàn)陣列的輸出信號(hào)相干地相加以獲得特定的發(fā)射/接收角度，并對(duì)其他信號(hào)破壞性地相互抵消。通常不考慮數(shù)組和用戶(hù)所處的空間環(huán)境。這確實(shí)是波束成形，但只是它的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。

圖1.傳統(tǒng)波束成形。

大規(guī)模MIMO可以被認(rèn)為是更一般意義上的波束成形的一種形式，但與傳統(tǒng)形式相去甚遠(yuǎn)。海量簡(jiǎn)單地指基站天線(xiàn)陣列中的大量天線(xiàn)。MIMO 是指天線(xiàn)陣列在相同的時(shí)間和頻率資源中滿(mǎn)足多個(gè)空間上分離的用戶(hù)。大規(guī)模MIMO還承認(rèn)，在實(shí)際系統(tǒng)中，天線(xiàn)和用戶(hù)終端之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（反之亦然）會(huì)從周?chē)h(huán)境中進(jìn)行濾波。信號(hào)可能會(huì)從建筑物和其他障礙物反射，這些反射將具有相關(guān)的延遲、衰減和到達(dá)方向，如圖2所示。天線(xiàn)和用戶(hù)終端之間甚至可能沒(méi)有直接的視線(xiàn)。事實(shí)證明，這些非直接傳輸路徑可以作為一種向善的力量加以利用。

圖2.天線(xiàn)陣列和用戶(hù)之間的多路徑環(huán)境。

為了利用多條路徑，需要表征天線(xiàn)元件和用戶(hù)終端之間的空間信道。在文獻(xiàn)中，這種響應(yīng)通常被稱(chēng)為通道狀態(tài)信息（CSI）。該CSI實(shí)際上是每個(gè)天線(xiàn)和每個(gè)用戶(hù)終端之間的空間傳遞函數(shù)的集合。該空間信息收集在矩陣 （H） 中，如圖 3 所示。下一節(jié)將更詳細(xì)地介紹 CSI 的概念以及如何收集它。CSI用于對(duì)天線(xiàn)陣列發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字編碼和解碼。

圖3.表征大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng) 所需的 信道 狀態(tài) 信息。

表征基站和用戶(hù)之間的空間信道

一個(gè)有趣的類(lèi)比是考慮一個(gè)氣球在一個(gè)位置被彈出，而這個(gè)爆裂聲或脈沖的聲音被記錄在另一個(gè)位置，如圖4所示。在麥克風(fēng)位置記錄的聲音是一種空間脈沖響應(yīng)，其中包含氣球和麥克風(fēng)在周?chē)h(huán)境中的特定位置所特有的信息。與直接路徑相比，從障礙物反射的聲音會(huì)衰減和延遲。

圖4.音頻類(lèi)比，用于演示通道的空間特征。

如果我們擴(kuò)展類(lèi)比以與天線(xiàn)陣列/用戶(hù)終端案例進(jìn)行比較，我們需要更多的氣球，如圖 5 所示。請(qǐng)注意，為了表征每個(gè)氣球和麥克風(fēng)之間的通道，我們需要在不同的時(shí)間爆破每個(gè)氣球，這樣麥克風(fēng)就不會(huì)記錄重疊的不同氣球的反射。另一個(gè)方向也需要表征，如圖6所示。在這種情況下，當(dāng)氣球在用戶(hù)終端位置彈出時(shí)，可以同時(shí)完成所有記錄。這顯然要少得多的時(shí)間！

圖5.音頻類(lèi)比下行鏈路信道表征。

圖6.上行鏈路信道表征的音頻類(lèi)比。

在RF空間中，導(dǎo)頻信號(hào)用于表征空間信道。天線(xiàn)和用戶(hù)終端之間的空中傳輸信道是相互的，這意味著信道在兩個(gè)方向上是相同的。這取決于系統(tǒng)在時(shí)分雙工 （TDD） 模式下運(yùn)行，而不是頻分雙工 （FDD） 模式。在TDD模式下，上行和下行傳輸使用相同的頻率資源。互易假設(shè)意味著通道只需要在一個(gè)方向上表征。上行鏈路信道是顯而易見(jiàn)的選擇，因?yàn)橹恍枰獜挠脩?hù)終端發(fā)送一個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)，并由所有天線(xiàn)元件接收。信道估計(jì)的復(fù)雜性與用戶(hù)終端的數(shù)量成正比，而不是陣列中的天線(xiàn)數(shù)量。考慮到用戶(hù)終端可能正在移動(dòng)，這一點(diǎn)至關(guān)重要，因此需要經(jīng)常執(zhí)行信道估計(jì)?；谏闲墟溌返谋碚鞯牧硪粋€(gè)顯著優(yōu)勢(shì)意味著，所有重載信道估計(jì)和信號(hào)處理都是在基站完成的，而不是在用戶(hù)端完成的。

圖7.每個(gè)用戶(hù)終端傳輸正交導(dǎo)頻符號(hào)。

那么，既然收集CSI的概念已經(jīng)建立，那么如何將這些信息應(yīng)用于數(shù)據(jù)信號(hào)以實(shí)現(xiàn)空間多路復(fù)用？基于CSI設(shè)計(jì)濾波，對(duì)天線(xiàn)陣列傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼，使多徑信號(hào)在用戶(hù)終端位置相干相干。這種濾波還可用于線(xiàn)性組合天線(xiàn)陣列RF路徑接收的數(shù)據(jù)，以便可以檢測(cè)來(lái)自不同用戶(hù)的數(shù)據(jù)流。以下部分將更詳細(xì)地介紹此問(wèn)題。

支持大規(guī)模 MIMO 的信號(hào)處理

在上一節(jié)中，我們描述了如何估計(jì) CSI（由矩陣 H 表示）。檢測(cè)和預(yù)編碼矩陣基于H計(jì)算。有許多方法可以計(jì)算這些矩陣。本文重點(diǎn)介紹線(xiàn)性方案。線(xiàn)性預(yù)編碼/檢測(cè)方法的示例包括最大比率 （MR）、零強(qiáng)制 （ZF） 和最小均方誤差 （MMSE）。本文沒(méi)有提供從CSI中預(yù)編碼/檢測(cè)濾波器的完整推導(dǎo)，但討論了它們優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)以及每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。有關(guān)這些主題的更詳細(xì)處理，請(qǐng)參閱本文末尾的參考資料。1, 2, 3

圖8和圖9分別描述了上述三種線(xiàn)性方法的信號(hào)處理在上行鏈路和下行鏈路中的工作方式。對(duì)于預(yù)編碼，可能還會(huì)有一些縮放矩陣來(lái)規(guī)范整個(gè)數(shù)組的功率，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，省略了這些矩陣。

圖8.上行鏈路信號(hào)處理。H表示共軛轉(zhuǎn)置。

圖9.下行信號(hào)處理。T表示轉(zhuǎn)置。* 表示共軛物。

顧名思義，最大比濾波旨在最大化信噪比（SNR）。從信號(hào)處理的角度來(lái)看，這是最簡(jiǎn)單的方法，因?yàn)闄z測(cè)/預(yù)編碼矩陣只是CSI矩陣H的共軛轉(zhuǎn)置或共軛。這種方法的最大缺點(diǎn)是忽略了用戶(hù)之間的干擾。

零強(qiáng)制預(yù)編碼試圖通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)最小化用戶(hù)間干擾問(wèn)題。檢測(cè)/預(yù)編碼矩陣是 CSI 矩陣的偽逆矩陣。計(jì)算偽逆比MR情況下的復(fù)共軛計(jì)算成本更高。然而，如果如此專(zhuān)注于最小化干擾，用戶(hù)的接收功率就會(huì)受到影響。

MMSE試圖在獲得最大的信號(hào)放大和減少干擾之間取得平衡。這種整體視圖以信號(hào)處理的復(fù)雜性作為價(jià)格標(biāo)簽。MMSE方法為優(yōu)化引入了一個(gè)正則化項(xiàng)（如圖8和圖9中表示為β），允許在噪聲協(xié)方差和發(fā)射功率之間找到平衡。它有時(shí)在文獻(xiàn)中也被稱(chēng)為正則化零強(qiáng)迫（RZF）。

這不是預(yù)編碼/檢測(cè)技術(shù)的詳盡列表，但概述了主要的線(xiàn)性方法。還有非線(xiàn)性信號(hào)處理技術(shù)，如臟紙編碼和連續(xù)干擾消除，可以應(yīng)用于這個(gè)問(wèn)題。這些提供了最佳容量，但實(shí)施起來(lái)非常復(fù)雜。上述線(xiàn)性方法通常足以滿(mǎn)足大規(guī)模MIMO，其中天線(xiàn)數(shù)量變大。預(yù)編碼/檢測(cè)技術(shù)的選擇將取決于計(jì)算資源、天線(xiàn)數(shù)量、用戶(hù)數(shù)量以及系統(tǒng)所處的特定環(huán)境的多樣性。對(duì)于天線(xiàn)數(shù)量明顯大于用戶(hù)數(shù)量的大型天線(xiàn)陣列，最大比率方法可能就足夠了。

現(xiàn)實(shí)世界 系統(tǒng) 對(duì) 大規(guī)模 MIMO 的 實(shí)際 障礙

當(dāng) 大規(guī)模 MIMO 在 實(shí)際 場(chǎng)景 中 實(shí)現(xiàn) 時(shí)， 需要 考慮 更多 的 實(shí)際 考慮因素。以在 3.5 GHz 頻段運(yùn)行的具有 32 個(gè)發(fā)射 （Tx） 和 32 個(gè)接收 （Rx） 通道的天線(xiàn)陣列為例。需要放置 64 個(gè)射頻信號(hào)鏈，給定工作頻率，天線(xiàn)之間的間距約為 4.2 cm。這是一個(gè)很大的硬件，可以打包到一個(gè)小空間里。這也意味著有大量的功率被耗散，這帶來(lái)了不可避免的溫度問(wèn)題。ADI公司的集成收發(fā)器為其中許多問(wèn)題提供了高效的解決方案。下一節(jié)將更詳細(xì)地討論AD9371。

本文前面討論了在系統(tǒng)中應(yīng)用互易性來(lái)大幅降低信道估計(jì)和信號(hào)處理開(kāi)銷(xiāo)。圖10顯示了實(shí)際系統(tǒng)中的下行鏈路信道。它分為三個(gè)部分;無(wú)線(xiàn)信道（H），基站傳輸射頻路徑的硬件響應(yīng)（T理學(xué)士），以及用戶(hù)接收射頻路徑的硬件響應(yīng)（RUE).上行鏈路與 R 相反理學(xué)士表征基站接收硬件RF路徑和TUE表征用戶(hù)傳輸硬件RF路徑。雖然互惠假設(shè)適用于空中接口，但不適用于硬件路徑。由于走線(xiàn)不匹配、RF路徑之間的同步不良以及與溫度相關(guān)的相位漂移，RF信號(hào)鏈會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)不準(zhǔn)確性。

圖 10.真實(shí)世界的下行通道。

對(duì)RF路徑中的所有LO（本振）PLL使用公共同步參考時(shí)鐘，對(duì)基帶數(shù)字JESD204B信號(hào)使用同步SYSREF，將有助于解決RF路徑之間的延遲問(wèn)題。但是，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，RF路徑之間仍然存在一些任意相位不匹配。與溫度相關(guān)的相位漂移進(jìn)一步加劇了這個(gè)問(wèn)題，很明顯，在系統(tǒng)初始化時(shí)需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，并在此后定期進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)允許互惠的優(yōu)勢(shì)，例如保持基站的信號(hào)處理復(fù)雜性和僅保留上行鏈路信道特性。一般可以簡(jiǎn)化為只有基站射頻路徑（T理學(xué)士和 R理學(xué)士）需要考慮。

有許多方法可以校準(zhǔn)這些系統(tǒng)。一種是使用小心放置在天線(xiàn)陣列前面的參考天線(xiàn)來(lái)校準(zhǔn)接收和發(fā)射射頻通道。以這種方式將天線(xiàn)放置在陣列前面是否適合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際基站校準(zhǔn)是值得懷疑的。另一種是使用陣列中現(xiàn)有天線(xiàn)之間的相互耦合作為校準(zhǔn)機(jī)制。這很可能是可行的。最直接的方法可能是在基站天線(xiàn)之前添加無(wú)源耦合路徑。這增加了硬件領(lǐng)域的復(fù)雜性，但應(yīng)該提供強(qiáng)大的校準(zhǔn)機(jī)制。為了完全校準(zhǔn)系統(tǒng)，從一個(gè)指定的校準(zhǔn)發(fā)射通道發(fā)送信號(hào)，該通道通過(guò)無(wú)源耦合連接由所有RF接收路徑接收。然后，每個(gè)發(fā)射RF路徑按順序發(fā)送一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)在每個(gè)天線(xiàn)之前的無(wú)源耦合點(diǎn)拾取，中繼回合路器，然后中繼到指定的校準(zhǔn)接收路徑。與溫度相關(guān)的效應(yīng)通常變化緩慢，因此與通道表征不同，這種校準(zhǔn)不必非常頻繁地執(zhí)行。

ADI公司的收發(fā)器和大規(guī)模MIMO

ADI公司的集成收發(fā)器產(chǎn)品系列特別適合需要高密度RF信號(hào)鏈的應(yīng)用。AD9371具有2個(gè)發(fā)射路徑、2個(gè)接收路徑、一個(gè)觀測(cè)接收器，以及3個(gè)用于RFLO生成的小數(shù)N分頻PLL，采用12 mm×12 mm封裝。這種無(wú)與倫比的集成水平使制造商能夠及時(shí)且經(jīng)濟(jì)高效地創(chuàng)建復(fù)雜的系統(tǒng)。

采用多個(gè)AD9371收發(fā)器的可能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖11所示。這是一款32發(fā)送、32接收系統(tǒng)，內(nèi)置16個(gè)AD9371收發(fā)器。三個(gè)AD9528時(shí)鐘發(fā)生器為系統(tǒng)提供PLL參考時(shí)鐘和JESD204B SYSREF。AD9528是一款兩級(jí)PLL，具有14路LVDS/HSTL輸出和集成JESD204B SYSREF發(fā)生器，可實(shí)現(xiàn)多器件同步。AD9528采用扇出緩沖器配置，其中一個(gè)用作主器件，部分輸出用于驅(qū)動(dòng)從器件的時(shí)鐘輸入和SYSREF輸入。包括一種可能的無(wú)源校準(zhǔn)機(jī)制（以綠色和橙色顯示），其中專(zhuān)用的發(fā)射和接收通道用于校準(zhǔn)通過(guò)分路器/合路器的所有接收和發(fā)射信號(hào)路徑，如上一節(jié)所述。

圖 11.采用ADI公司AD9371收發(fā)器的32 Tx、32 Rx大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)電頭框圖。

結(jié)論

大規(guī)模MIMO空間復(fù)用有可能成為蜂窩通信領(lǐng)域改變游戲規(guī)則的技術(shù)，從而在高流量城市地區(qū)提高蜂窩容量和效率。利用多徑傳播引入的多樣性，允許在基站和多個(gè)用戶(hù)之間以相同的時(shí)間和頻率資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于基站天線(xiàn)和用戶(hù)之間的信道互易性，所有信號(hào)處理的復(fù)雜性都可以保持在基站，信道表征可以在上行鏈路中完成。ADI公司的RadioVerse?系列集成收發(fā)器產(chǎn)品可在狹小空間內(nèi)提供高密度RF路徑，因此非常適合大規(guī)模MIMO應(yīng)用。

審核編輯：郭婷