大规模MIMO和波束成形：5G流行语背后的信号处理

我们对高速移动数据的渴望是永不满足的。随着我们在密集的城市环境中使可用的射频频谱饱和，很明显，需要提高我们从无线基站发送和接收数据的效率。

由大量天线组成的基站同时通过相同的频率资源与多个空间上分离的用户终端通信并利用多径传播是实现这种效率节约的一种选择。这种技术通常被称为大规模MIMO（多输入，多输出）。您可能听说过大规模MIMO被描述为具有大量天线的波束成形。但这提出了一个问题...什么是波束成形？

波束成形与大规模 MIMO

波束成形是一个词，对不同的人意味着不同的东西。波束成形是使天线阵列的辐射方向图适应特定场景的能力。在蜂窝通信领域，许多人认为波束成形是将功率波瓣引导到特定方向上朝向用户，如图1所示。相对幅度和相移应用于每个天线元件，以允许天线阵列的输出信号相干地相加以获得特定的发射/接收角度，并对其他信号破坏性地相互抵消。通常不考虑数组和用户所处的空间环境。这确实是波束成形，但只是它的一个具体实现。

图1.传统波束成形。

大规模MIMO可以被认为是更一般意义上的波束成形的一种形式，但与传统形式相去甚远。海量简单地指基站天线阵列中的大量天线。MIMO 是指天线阵列在相同的时间和频率资源中满足多个空间上分离的用户。大规模MIMO还承认，在实际系统中，天线和用户终端之间传输的数据（反之亦然）会从周围环境中进行滤波。信号可能会从建筑物和其他障碍物反射，这些反射将具有相关的延迟、衰减和到达方向，如图2所示。天线和用户终端之间甚至可能没有直接的视线。事实证明，这些非直接传输路径可以作为一种向善的力量加以利用。

图2.天线阵列和用户之间的多路径环境。

为了利用多条路径，需要表征天线元件和用户终端之间的空间信道。在文献中，这种响应通常被称为通道状态信息（CSI）。该CSI实际上是每个天线和每个用户终端之间的空间传递函数的集合。该空间信息收集在矩阵 （H） 中，如图 3 所示。下一节将更详细地介绍 CSI 的概念以及如何收集它。CSI用于对天线阵列发送和接收的数据进行数字编码和解码。

图3.表征大规模 MIMO 系统 所需的 信道 状态 信息。

表征基站和用户之间的空间信道

一个有趣的类比是考虑一个气球在一个位置被弹出，而这个爆裂声或脉冲的声音被记录在另一个位置，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，其中包含气球和麦克风在周围环境中的特定位置所特有的信息。与直接路径相比，从障碍物反射的声音会衰减和延迟。

图4.音频类比，用于演示通道的空间特征。

如果我们扩展类比以与天线阵列/用户终端案例进行比较，我们需要更多的气球，如图 5 所示。请注意，为了表征每个气球和麦克风之间的通道，我们需要在不同的时间爆破每个气球，这样麦克风就不会记录重叠的不同气球的反射。另一个方向也需要表征，如图6所示。在这种情况下，当气球在用户终端位置弹出时，可以同时完成所有记录。这显然要少得多的时间！

图5.音频类比下行链路信道表征。

图6.上行链路信道表征的音频类比。

在RF空间中，导频信号用于表征空间信道。天线和用户终端之间的空中传输信道是相互的，这意味着信道在两个方向上是相同的。这取决于系统在时分双工 （TDD） 模式下运行，而不是频分双工 （FDD） 模式。在TDD模式下，上行和下行传输使用相同的频率资源。互易假设意味着通道只需要在一个方向上表征。上行链路信道是显而易见的选择，因为只需要从用户终端发送一个导频信号，并由所有天线元件接收。信道估计的复杂性与用户终端的数量成正比，而不是阵列中的天线数量。考虑到用户终端可能正在移动，这一点至关重要，因此需要经常执行信道估计。基于上行链路的表征的另一个显著优势意味着，所有重载信道估计和信号处理都是在基站完成的，而不是在用户端完成的。

图7.每个用户终端传输正交导频符号。

那么，既然收集CSI的概念已经建立，那么如何将这些信息应用于数据信号以实现空间多路复用？基于CSI设计滤波，对天线阵列传输的数据进行预编码，使多径信号在用户终端位置相干相干。这种滤波还可用于线性组合天线阵列RF路径接收的数据，以便可以检测来自不同用户的数据流。以下部分将更详细地介绍此问题。

支持大规模 MIMO 的信号处理

在上一节中，我们描述了如何估计 CSI（由矩阵 H 表示）。检测和预编码矩阵基于H计算。有许多方法可以计算这些矩阵。本文重点介绍线性方案。线性预编码/检测方法的示例包括最大比率 （MR）、零强制 （ZF） 和最小均方误差 （MMSE）。本文没有提供从CSI中预编码/检测滤波器的完整推导，但讨论了它们优化的标准以及每种方法的优缺点。有关这些主题的更详细处理，请参阅本文末尾的参考资料。1, 2, 3

图8和图9分别描述了上述三种线性方法的信号处理在上行链路和下行链路中的工作方式。对于预编码，可能还会有一些缩放矩阵来规范整个数组的功率，为简单起见，省略了这些矩阵。

图8.上行链路信号处理。H表示共轭转置。

图9.下行信号处理。T表示转置。* 表示共轭物。

顾名思义，最大比滤波旨在最大化信噪比（SNR）。从信号处理的角度来看，这是最简单的方法，因为检测/预编码矩阵只是CSI矩阵H的共轭转置或共轭。这种方法的最大缺点是忽略了用户之间的干扰。

零强制预编码试图通过设计优化标准来最小化用户间干扰问题。检测/预编码矩阵是 CSI 矩阵的伪逆矩阵。计算伪逆比MR情况下的复共轭计算成本更高。然而，如果如此专注于最小化干扰，用户的接收功率就会受到影响。

MMSE试图在获得最大的信号放大和减少干扰之间取得平衡。这种整体视图以信号处理的复杂性作为价格标签。MMSE方法为优化引入了一个正则化项（如图8和图9中表示为β），允许在噪声协方差和发射功率之间找到平衡。它有时在文献中也被称为正则化零强迫（RZF）。

这不是预编码/检测技术的详尽列表，但概述了主要的线性方法。还有非线性信号处理技术，如脏纸编码和连续干扰消除，可以应用于这个问题。这些提供了最佳容量，但实施起来非常复杂。上述线性方法通常足以满足大规模MIMO，其中天线数量变大。预编码/检测技术的选择将取决于计算资源、天线数量、用户数量以及系统所处的特定环境的多样性。对于天线数量明显大于用户数量的大型天线阵列，最大比率方法可能就足够了。

现实世界 系统 对 大规模 MIMO 的 实际 障碍

当 大规模 MIMO 在 实际 场景 中 实现 时， 需要 考虑 更多 的 实际 考虑因素。以在 3.5 GHz 频段运行的具有 32 个发射 （Tx） 和 32 个接收 （Rx） 通道的天线阵列为例。需要放置 64 个射频信号链，给定工作频率，天线之间的间距约为 4.2 cm。这是一个很大的硬件，可以打包到一个小空间里。这也意味着有大量的功率被耗散，这带来了不可避免的温度问题。ADI公司的集成收发器为其中许多问题提供了高效的解决方案。下一节将更详细地讨论AD9371。

本文前面讨论了在系统中应用互易性来大幅降低信道估计和信号处理开销。图10显示了实际系统中的下行链路信道。它分为三个部分;无线信道（H），基站传输射频路径的硬件响应（T理学士），以及用户接收射频路径的硬件响应（RUE).上行链路与 R 相反理学士表征基站接收硬件RF路径和TUE表征用户传输硬件RF路径。虽然互惠假设适用于空中接口，但不适用于硬件路径。由于走线不匹配、RF路径之间的同步不良以及与温度相关的相位漂移，RF信号链会给系统带来不准确性。

图 10.真实世界的下行通道。

对RF路径中的所有LO（本振）PLL使用公共同步参考时钟，对基带数字JESD204B信号使用同步SYSREF，将有助于解决RF路径之间的延迟问题。但是，在系统启动时，RF路径之间仍然存在一些任意相位不匹配。与温度相关的相位漂移进一步加剧了这个问题，很明显，在系统初始化时需要在现场进行校准，并在此后定期进行校准。校准允许互惠的优势，例如保持基站的信号处理复杂性和仅保留上行链路信道特性。一般可以简化为只有基站射频路径（T理学士和 R理学士）需要考虑。

有许多方法可以校准这些系统。一种是使用小心放置在天线阵列前面的参考天线来校准接收和发射射频通道。以这种方式将天线放置在阵列前面是否适合现场的实际基站校准是值得怀疑的。另一种是使用阵列中现有天线之间的相互耦合作为校准机制。这很可能是可行的。最直接的方法可能是在基站天线之前添加无源耦合路径。这增加了硬件领域的复杂性，但应该提供强大的校准机制。为了完全校准系统，从一个指定的校准发射通道发送信号，该通道通过无源耦合连接由所有RF接收路径接收。然后，每个发射RF路径按顺序发送一个信号，该信号在每个天线之前的无源耦合点拾取，中继回合路器，然后中继到指定的校准接收路径。与温度相关的效应通常变化缓慢，因此与通道表征不同，这种校准不必非常频繁地执行。

ADI公司的收发器和大规模MIMO

ADI公司的集成收发器产品系列特别适合需要高密度RF信号链的应用。AD9371具有2个发射路径、2个接收路径、一个观测接收器，以及3个用于RFLO生成的小数N分频PLL，采用12 mm×12 mm封装。这种无与伦比的集成水平使制造商能够及时且经济高效地创建复杂的系统。

采用多个AD9371收发器的可能系统实现如图11所示。这是一款32发送、32接收系统，内置16个AD9371收发器。三个AD9528时钟发生器为系统提供PLL参考时钟和JESD204B SYSREF。AD9528是一款两级PLL，具有14路LVDS/HSTL输出和集成JESD204B SYSREF发生器，可实现多器件同步。AD9528采用扇出缓冲器配置，其中一个用作主器件，部分输出用于驱动从器件的时钟输入和SYSREF输入。包括一种可能的无源校准机制（以绿色和橙色显示），其中专用的发射和接收通道用于校准通过分路器/合路器的所有接收和发射信号路径，如上一节所述。

图 11.采用ADI公司AD9371收发器的32 Tx、32 Rx大规模MIMO无线电头框图。

结论

大规模MIMO空间复用有可能成为蜂窝通信领域改变游戏规则的技术，从而在高流量城市地区提高蜂窝容量和效率。利用多径传播引入的多样性，允许在基站和多个用户之间以相同的时间和频率资源进行数据传输。由于基站天线和用户之间的信道互易性，所有信号处理的复杂性都可以保持在基站，信道表征可以在上行链路中完成。ADI公司的RadioVerse™系列集成收发器产品可在狭小空间内提供高密度RF路径，因此非常适合大规模MIMO应用。

审核编辑：郭婷