5G Massive MIMO與波束賦形關(guān)系及背后的信號(hào)處理

2017-08-11  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

人類對(duì)高速移動(dòng)數(shù)據(jù)的渴求是無(wú)止境的?？墒?在城市環(huán)境中可用RF頻譜已經(jīng)飽和,顯然需要提高基站收發(fā)數(shù)據(jù)的頻譜利用率。

提升基站頻譜效率的一種方案是通過(guò)基站內(nèi)的大量天線實(shí)現(xiàn)同一頻率資源與多臺(tái)空間上分離的用戶終端同時(shí)通信,并利用多徑傳輸。這種技術(shù)常被稱為Massive MIMO(大規(guī)模多入多出)。

您可能聽到過(guò)Massive MIMO被描述為大量天線的波束賦形。隨之而來(lái)的問題是:何謂波束賦形?

波束賦形與Massive MIMO的關(guān)系

不同的人對(duì)于波束賦形這個(gè)詞有著不同的理解。波束賦形是指根據(jù)特定場(chǎng)景自適應(yīng)的調(diào)整天線陣列的輻射圖。在蜂窩通信中,許多人認(rèn)為波束賦形是將天線功率主瓣指向用戶,如圖1所示。

圖1. 傳統(tǒng)波束賦形

調(diào)整各天線收發(fā)單元幅度和相位,使得天線陣列在特定方向上的發(fā)射/接收信號(hào)相干疊加,而其他方向的信號(hào)則相互抵消。一般不考慮陣列和用戶所處的空間環(huán)境。這是波束賦形,不過(guò)只是它的一種特別實(shí)現(xiàn)。

Massive MIMO可被視為更廣泛意義上的波束賦形的一種形式,不過(guò)它與傳統(tǒng)形式相去甚遠(yuǎn)——

• Massive意指基站天線陣列中的大量天線;

• MIMO意指天線陣列使用同一時(shí)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(rèn)為在實(shí)際系統(tǒng)中,天線與用戶終端—以及相反過(guò)程—之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了周圍環(huán)境的濾波。信號(hào)可能會(huì)被建筑物和其他障礙物反射,這些反射會(huì)有相關(guān)的延遲、衰減和抵達(dá)方向,如圖2所示。天線與用戶終端之間甚至可能沒有直接路徑。人們發(fā)現(xiàn),這些非直接傳輸路徑同樣有利用價(jià)值。

圖2. 天線陣列和用戶之間的多路徑環(huán)境

為了利用多路徑,天線元件和用戶終端之間的空間信道需要加以表征。文獻(xiàn)中一般將這種響應(yīng)稱為信道狀態(tài)信息(CSI)。此CSI實(shí)質(zhì)上是各天線與各用戶終端之間的空間傳遞函數(shù)的集合。用一個(gè)矩陣(H)來(lái)收集此空間信息,如圖3所示。下一節(jié)將詳細(xì)討論CSI概念及其收集方法。CSI用于數(shù)字化編碼和解碼天線陣列所收發(fā)的數(shù)據(jù)。

圖3. 表征massive MIMO系統(tǒng)需要信道狀態(tài)信息

表征基站與用戶之間的空間信道

不妨考慮一個(gè)有趣的類比:一個(gè)氣球在某個(gè)位置被戳破了,發(fā)出“啪”的一聲,在另一個(gè)位置記錄此聲音或脈沖,如圖4所示。

圖4. 通過(guò)聲音類比說(shuō)明信道的空間特性

在麥克風(fēng)位置記錄的聲音是一個(gè)空間脈沖響應(yīng),其包含的信息是周圍環(huán)境中氣球和麥克風(fēng)在該特定位置所獨(dú)有的。與直接路徑相比,被障礙物反射的聲音會(huì)有衰減和延遲。

如果擴(kuò)大該類比以模擬天線陣列/用戶終端場(chǎng)景,那么需要更多氣球,如圖5所示。注意,為了表征各氣球與麥克風(fēng)之間的信道,我們需要在不同時(shí)間戳破各氣球,使得麥克風(fēng)記錄的不同氣球的反射不會(huì)重疊。

圖5. 通過(guò)聲音類比下行鏈路信道表征

另一方向也需要表征,如圖6所示。本例中,可以在用戶終端位置的氣球戳破時(shí)同時(shí)完成所有錄音。這樣所花的時(shí)間要少得多!

圖6. 通過(guò)聲音類比上行鏈路信道表征

RF領(lǐng)域利用導(dǎo)頻信號(hào)表征空間信道。天線與用戶終端之間的空中傳輸信道是互易的,即該信道在兩個(gè)方向是相同的。這與系統(tǒng)工作在時(shí)分復(fù)用(TDD)模式還是頻分復(fù)用(FDD)模式有關(guān)。在TDD模式下,上行鏈路和下行鏈路傳輸使用相同頻率資源?；ヒ仔约僭O(shè)意味著只需要在一個(gè)方向上表征信道即可,上行鏈路信道是顯而易見的選擇,因?yàn)橹恍枰獙⒁粋€(gè)導(dǎo)頻信號(hào)從用戶終端發(fā)送,并由所有天線元件接收。信道估計(jì)的復(fù)雜度與用戶終端數(shù)成比例,而非與陣列中的天線數(shù)成正比。這點(diǎn)非常重要,因?yàn)橛脩艚K端可能在移動(dòng),故信道估計(jì)需要頻繁進(jìn)行。基于上行鏈路表征還有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì),那就是所有繁重的信道估計(jì)和信號(hào)處理任務(wù)皆在基站完成,而非在用戶端完成。

圖7. 每個(gè)用戶終端發(fā)射正交導(dǎo)頻符號(hào)

現(xiàn)在,收集CSI的概念既已建立,那么如何將此信息應(yīng)用于數(shù)據(jù)信號(hào)以支持空間復(fù)用呢?濾波基于CSI而設(shè)計(jì),以對(duì)天線陣列傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼,使得多路徑信號(hào)會(huì)在用戶終端位置相干疊加。這種濾波還可以用來(lái)線性組合天線陣列RF路徑收到的數(shù)據(jù),從而檢測(cè)來(lái)自不同用戶的數(shù)據(jù)流。

支持Massive MIMO的信號(hào)處理

上一節(jié)介紹了如何估計(jì)CSI(用矩陣H表示)。檢測(cè)和預(yù)編碼矩陣基于H計(jì)算。這種矩陣有多種計(jì)算方法,我們將重點(diǎn)討論線性方案。線性預(yù)編碼/檢測(cè)方法的例子有最大比率(MR)、迫零(ZF)和最小均方誤差(MMSE)。本文未提供從CSI導(dǎo)出預(yù)編碼/檢測(cè)濾波器的全過(guò)程,但討論了其優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)及每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

對(duì)于上述三種線性方法,圖8和圖9分別顯示了上行和下行鏈路中信號(hào)處理的工作方式。針對(duì)預(yù)編碼,可能還有某種縮放矩陣,用以歸一化陣列上為簡(jiǎn)單起見而忽略的功率。

圖8. 上行鏈路信號(hào)處理H表示共軛轉(zhuǎn)置

圖9. 下行鏈路信號(hào)處理T表示轉(zhuǎn)置。* 表示共軛

顧名思義,最大比率濾波旨在最大程度提高信噪比(SNR)。從信號(hào)處理角度看,這是最簡(jiǎn)單的方法,因?yàn)闄z測(cè)/預(yù)編碼矩陣剛好是CSI矩陣H的共軛轉(zhuǎn)置或轉(zhuǎn)置。其最大缺點(diǎn)是忽略了用戶間干擾。

迫零預(yù)編碼試圖解決用戶間干擾問題,通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)使其最小。檢測(cè)/預(yù)編碼矩陣是CSI矩陣的偽逆。偽逆的計(jì)算開銷高于MR情況中的復(fù)共軛。然而,由于太注重降低干擾,用戶的接收功率會(huì)受影響。

MMSE試圖在放大信號(hào)與降低干擾之間取得平衡。這種整體觀需付出的代價(jià)是信號(hào)處理復(fù)雜度較高。MMSE方法給優(yōu)化引入了一個(gè)正則項(xiàng)—在圖8和圖9中表示為?—利用它可以找到噪聲協(xié)方差與發(fā)射功率的平衡點(diǎn)。此方法在文獻(xiàn)中有時(shí)也被稱為正則化迫零(RZF)。

以上并未囊括所有預(yù)編碼/檢測(cè)技術(shù),只是簡(jiǎn)單介紹了主要線性方法。另外還有非線性信號(hào)處理技術(shù),例如臟紙編碼和連續(xù)干擾消除便可用來(lái)解決此問題。這些方法可提供最優(yōu)容量,但實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜。上述線性方法對(duì)massive MIMO而言一般是足夠的,天線數(shù)目可以很大。預(yù)編碼/檢測(cè)技術(shù)的選擇取決于計(jì)算資源、天線數(shù)目、用戶數(shù)目和系統(tǒng)所處環(huán)境的多樣性。對(duì)于天線數(shù)目遠(yuǎn)大于用戶數(shù)目的大天線陣列,最大比率方法可能足以滿足需要。

現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)向Massive MIMO

提出的實(shí)際挑戰(zhàn)

在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)massive MIMO時(shí),還有其他實(shí)際問題需要考慮。舉個(gè)例子,假設(shè)一個(gè)天線陣列有32個(gè)發(fā)射(Tx)信道和32個(gè)接收(Rx)信道,工作在3.5 GHz頻段。那么需要放置64個(gè)RF信號(hào)鏈,在給定工作頻率下,天線間距約為4.2 cm。這說(shuō)明,有大量硬件需裝入一個(gè)很小的空間中。它還意味著會(huì)耗散大量功率,不可避免會(huì)帶來(lái)溫度問題。ADI的集成收發(fā)器為此類問題提供了高效解決方案。

上文討論了利用系統(tǒng)的互易性來(lái)大幅削減信道估計(jì)和信號(hào)處理開銷。圖10顯示了一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)中的下行鏈路信道。它分為三個(gè)部分:空中信道(H)、基站發(fā)射RF路徑的硬件響應(yīng)(TBS)和用戶接收RF路徑的硬件響應(yīng)(RUE)。上行鏈路與此相反,RBS表征基站接收硬件RF路徑,TUE表征用戶發(fā)射硬件RF路徑?；ヒ仔约僭O(shè)雖然對(duì)空中接口成立,但對(duì)硬件路徑不成立。由于跡線不匹配、RF路徑間同步不佳和溫度相關(guān)的相位漂移,RF信號(hào)鏈會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)誤差。

圖10. 實(shí)際下行鏈路信道

對(duì)RF路徑中的所有LO(本振)PLL使用同一同步參考時(shí)鐘,并對(duì)基帶數(shù)字JESD204B信號(hào)使用同步SYSREF,有助于解決RF路徑間的延遲問題。但在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),RF路徑之間仍會(huì)有通道間的相位失配,由溫度引起的相位漂移會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大此問題。因此很顯然,系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)需要初始化校準(zhǔn),此后運(yùn)行中需要周期性校準(zhǔn)。通過(guò)校準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)互易性優(yōu)勢(shì),使信號(hào)處理復(fù)雜度維持在基站,并且只需要表征上行鏈路信道。這樣可獲得一般意義上的簡(jiǎn)化,從而僅需要考慮基站RF路徑(TBS和RBS)。

有多種方法可校準(zhǔn)這些系統(tǒng)——

• 在天線陣列前面放置一個(gè)校準(zhǔn)天線,利用此校準(zhǔn)天線來(lái)校準(zhǔn)接收和發(fā)射RF信道。以這種在陣列前方放置一根天線的方式是否滿足實(shí)際系統(tǒng)校準(zhǔn)的需求,是有疑問的。

• 利用陣列中現(xiàn)有天線之間的互藕作為校準(zhǔn)機(jī)制,這有很高的可行性。

• 在基站中的天線之前增加一些無(wú)源耦合路徑(或許是最簡(jiǎn)單直接的方法)。這會(huì)增加硬件復(fù)雜性,但應(yīng)能提供一個(gè)魯棒的校準(zhǔn)機(jī)制。

為了全面校準(zhǔn)系統(tǒng),從一個(gè)指定校準(zhǔn)發(fā)射信道發(fā)送一個(gè)信號(hào),所有RF接收路徑通過(guò)無(wú)源耦合連接接收該信號(hào)。然后,每個(gè)發(fā)射RF路徑依次發(fā)送一個(gè)信號(hào),該信號(hào)在各天線的耦合點(diǎn)被接收,被傳回到一個(gè)合路器,再被送至指定校準(zhǔn)接收路徑。溫度相關(guān)效應(yīng)的變化一般很慢,故與信道特性不同,無(wú)需頻繁執(zhí)行溫度相關(guān)校準(zhǔn)。

ADI的收發(fā)器和Massive MIMO

ADI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)接收路徑和一個(gè)觀測(cè)接收機(jī),并有3個(gè)小數(shù)N分頻PLL用于RF LO生成,采用12 mm × 12 mm封裝。這一無(wú)與倫比的集成度使得制造商能夠及時(shí)且經(jīng)濟(jì)高效地創(chuàng)建復(fù)雜系統(tǒng)。

圖11顯示了一個(gè)使用多個(gè)AD9371收發(fā)器的可能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)有32個(gè)發(fā)射信道和32個(gè)接收信道,采用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JESD204BSYSREF。

圖11. 采用AD9371收發(fā)器的32 Tx、32 Rx massive MIMO射頻頭框圖

AD9528是一款雙級(jí)PLL,提供14路LVDS/HSTL輸出,集成JESD204B SYSREF發(fā)生器,可用于多器件同步。AD9528排列成扇出緩沖配置,其中一個(gè)用作主器件,它的一些輸出用于驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘輸入和從器件的SYSREF輸入。圖中包括一個(gè)可能的無(wú)源校準(zhǔn)機(jī)制—如綠色和橙色部分所示—一個(gè)專用發(fā)射和接收信道通過(guò)分相器/合相器校準(zhǔn)所有接收和發(fā)射信號(hào)路徑,正如上一節(jié)所述。

結(jié)束語(yǔ)

Massive MIMO空間復(fù)用有望成為蜂窩通信領(lǐng)域的革命性技術(shù),其支持在高流量城市區(qū)域?qū)崿F(xiàn)更高的蜂窩容量和效率。它利用了多路徑傳播所帶來(lái)的分集性,允許基站與多位用戶之間使用同一時(shí)間和頻率資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?；咎炀€與用戶之間的信道具有互易性,故所有復(fù)雜的信號(hào)處理可以保留在基站進(jìn)行,信道表征可以在上行鏈路中完成。ADI的RadioVerse?系列集成收發(fā)器產(chǎn)品支持在小的空間中實(shí)現(xiàn)多通路的RF路徑,因此非常適合massive MIMO應(yīng)用。

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