MIMO波束赋形及其对TD-LTE测试的影响

1 波束赋形基础知识

“波束赋形”一词有时会被滥用，从而引起混淆。从技术上来说，波束赋形和波束导向一样简单，即两个或更多的天线以受控的延迟或相位偏移来发射信号，从而创造出定向的建设性干涉波瓣(见图1)。

图1　简单波束导向创建的波瓣

TD-LTE系统中所用的波束赋形是一个相对更加复杂的命题，部分原因是终端设备具有移动的特性。一种称为Eigen波束赋形的技术会使用关于RF信道的信息从统计上对发射天线组件的幅度和相位参数进行加权判断。虽然 Eigen波束赋形并非计算最密集的波束赋形类型(还有一种称为最大比率发送的方法也会执行相同类型的权重判断，但只针对每个子载波)，但当它被用于组件数较高的8 × n MIMO系统时，无论是在实施中，还是在系统开发的验证阶段中，都将是一个极具挑战性的命题。

2　TD-LTE与8×n MIMO

多数计划中的TD-LTE部署都是围绕8个天线组件的发射天线而设计的(见图2)。在这些系统中，4个有一定距离间隔的天线组件被物理指向某个角度。另外，4个组件的布置方式是，每个都分别与前4个天线组件同轴，而且后4个天线组件中每一个都指向其各自的配对组件。

图2　一个8×2波束赋形系统创造出的垂直极化波束

由4个方向类似的组件组成的每一组都形成了一个可以瞄准某个特定方向的波束。这4个无线电链路之间的关联程度很高，而两个垂直极化波束则显示出较低程度的相互关联，形成类似2×n MIMO的系统，因此也就可以发射多层或多个数据流。因此，这样的系统在实现MIMO系统数据速率最大化优势的同时，还可充分发挥波束赋形优化特定方向信号强度。这种系统通常被称为双层波束赋形系统，其中的每一层都可以代表一个独立的数据流。

双层MIMO波束赋形系统既可用作单用户MIMO系统(SU-MIMO)，即两个数据流都被分配给单个用户终端，也可以用作多用户(MU-MIMO)系统，即个数据流均被分配给不同的用户终端。这样为网络运营商提供巨大的灵活性，使之能够选择性地部署覆盖能力最大的系统，或者是单个用户数据吞吐量最大的系统。

3　波束赋形工作原理

在任何一种波束赋形系统中，系统都必须能够估计目标用户终端的方向。在FDD系统中，这是用户终端 以预编码矩阵指标(PMI)的形式进行反馈的功能，而TD-LTE的信道互易性取消了这一要求。在TD-LTE系统中，用户终端会向基站发送一个信道报告信号，基站通过检查相同极化天线之间的相对相位差，能估计出用户终端的到达方向(DoA)。需要注意的是，尽管这种估计是在上行链路中执行的，基站仍可利用信道互易性，根据对上行链路的估计在下行链路中执行发送任务。

接下来，根据估计出的DoA，基站会动态调整天线阵列中每个组件的“天线权重”(相对幅度和相位)，将波束引向所期望的用户，并且/或者将零信号引导至不需要干涉所在的方向。图 1显示的便是这一基本概念。

上面的场景事实上只是简单的波束导向。Eigen波束赋形会加入一些智能处理，但其期望的基本效果是相同的：系统会利用互易性对下行信道的参数做出估计并据此调整天线权重(见图3)。

图3　自适应式波束赋形系统

4　测试波束赋形

在实验室中创建真实MIMO测试平台时可能遇到各种挑战，而其中很多都已在过去被人们发现并得到了解决。由于波束和MIMO链路组件的空间特性，在实验室中进行的测试必须实施正确的极化和真实的天线方向图才能创造出有效的测试环境。

TD-LTE则增加了超出简单MIMO测试的更多要求：上行和下行链路必须在衰退和传输功能特性方面表现出互易性。在测试实验室中，这并不像看起来那么简单。现代信道仿真器必须由单向RF信道组成。要想精确仿真互易信道，就需要在产生同步的、精确重复衰退方面下大量的功夫。在多数测试中表现良好的信道仿真器并不一定适用于TD-LTE测试，除非它能够在上行和下行链路中生成几乎完全相同的信道条件。

另外一个关键的关注领域就是相位精度和校准。近几个月中，人们在这个看似神秘的话题方面做了很多的工作，在基于实验室的最新型RF信道仿真技术取得了新的进展。在实践中，相位校准会受下列因素的影响：

(1)调整信道功率水平。

(2)调整信噪比 。

(3)改变信道模型。

(4)调整频率。

(5)断电重启。

尽管SISO和非波束赋形MIMO系统对于这些过程造成的轻微相位偏移并不敏感 ，但MIMO波束赋形对与相位有关的精度不良现象尤为敏感。

图4显示的是一个DoA错误为ε度的典型8天线统一线性阵列的辐射模式。8度的错误会导致波束赋形增益出现10 dB的损失，而当错误达到14度时，整个链路都将损失殆尽。

图4　相位错误及其对波束赋形增益的影响(8天线线性阵列)

因此，要想对MIMO波束赋形进行精确的测试，就必须对系统执行定期的相位校准。虽然也可对用于测试MIMO波束赋形的信道仿真系统进行手动相位校准，但用户在这种校准中所花的时间可能为测试所需时间的5~8倍。更重要的是，手动相位校准需要断开并重新连接多个RF连接器，这将会对系统的长期稳定性产生不利影响。

解决的办法就是自动化相位校准，将该能力和动态环境以及几何信道模型作为现代信道仿真器的“必备”能力。先进的信道仿真系统现在已经能够提供自动化的相位校准而无需手动干预，这在很大程度应归功于原型8×n MIMO波束赋形系统基础研究方面的进步。在一个自动化相位校准系统中，只需一个按键或轻点鼠标，就可以准确地调整系统所用每个无线电链路的相位精度，而且无需断开电缆。更重要的是，这种作法将有效确保测试结果的有效性和精确度。

5　思博伦VR5 HD大幅降低MIMO测试的复杂性

(1)简化和改善先进技术MIMO接收机的测试

思博伦通信的VR5 HD空间信道仿真器能够解决现代多高天线数无线技术所用RF接收机测试有关的各种问题。VR5的设计目标就是为尖端移动设备和基站的测试工作提供更高的效率和易用性。

LTE等先进的无线技术(包括先进LTE和TD-LTE)都有赖于多天线技术(MIMO和波束塑型)来满足公众对更高数据速率的感观需求。这将给负责执行RF测试的人带来许多的问题。首先遇到的，也是最明显的问题是，必需仿真和控制数量极大的信道。

(2)VR5硬件平台

仿真一个MIMO信道需要m×n个独立的仿真无线电信道，其中的m为发射器的天线组件数量，而n为接收器的组件数量。如果需要执行双向或交接测试，则所需要的链路数立即便会加倍。VR5便是针对此类测试案例而设计的，使用单个6U硬件单元便可满足更高的测试需求。

VR5还集成了测试所需的常用RF组件。分离器、组合器和复用器等被动组件都集成在该单元中，而且该系统的输出功率和动态范围也经过专门设计，因此无需再使用板载放大器。

面向无线市场的新型测试设备 “为未来做好准备”，因此实施高一个数量级的RF质量规格。VR5带来了全新的RF处理能力，包括尖端的输出功率范围、噪音地平，以及总体信道质量。凭借其性能拓展空间，VR5可以轻松地满足未来几年中可能出现的任何测试需求。

(3)MIMO和空中MIMO(MIMO-OTA)测试

大规模商用MIMO部署也给测试实验室带来了新的挑战。例如，在传统的单路输出、单路输出(SISO)无线连接中，接收机天线的朝向几乎不会对性能产生影响。但在MIMO中，信道的效能是接收机天线组件和发射机天线组件之间空间关系的一项直接职能。

VR5提供完整的MIMO信道关联控制，从而能够应对所有这些测试案例。思博伦还添加了一种称为动态关联(Dynamic Correlation)的关联相关特性，它可以仿真由运动造成的实时关联变化。

MIMO部署造成的另外一项复杂问题是，天线及天线组件物理设计和朝向的影响。在多数使用信道仿真器的测试中，仿真器一般都通过电缆与接收机天线连接。由于物理天线的接收能力已变得非常关键，因此空中MIMO(MIMO-OTA)测试也成为测试天平中的一个重要组成部分。空中MIMO测试常常会被误认为就是现场测试，但实际上它指的是屏蔽环境中的受控辐射测试。

MIMO-OTA使用无回声屏蔽室或反射舱将被测设备与外界干扰隔离开来。在前一种环境中，屏蔽室的内墙会吸收和散射RF能力，使这种由仿真器-屏蔽室构成的组合能够精确地控制被测设备所受的RF能量。在反射舱中，舱壁反射被用来精确创建一个丰富的空中多径环境。

在上面描述的两种OTA方法中，测试所需的信道仿真器必须能够生成受控的RF条件，并将屏蔽舱室的特性也考虑在内。由于思博伦积极参与了制订MIMO-OTA标准的行业机构，VR5也具备独特的优势，能够提供切实可行的MIMO-OTA测试。利用一种可选的软件，还可将需要的信道特性映射到屏蔽室参数中，并创建出由VR5生成的信道。