我們對高速移動數據的渴望是永不滿足的。隨著我們在密集的城市環境中使可用的射頻頻譜飽和，很明顯，需要提高我們從無線基站發送和接收數據的效率。

由大量天線組成的基站同時通過相同的頻率資源與多個空間上分離的用戶終端通信并利用多徑傳播是實現這種效率節約的一種選擇。這種技術通常被稱為大規模MIMO（多輸入，多輸出）。您可能聽說過大規模MIMO被描述為具有大量天線的波束成形。但這提出了一個問題...什么是波束成形？

波束成形與大規模 MIMO

波束成形是一個詞，對不同的人意味著不同的東西。波束成形是使天線陣列的輻射方向圖適應特定場景的能力。在蜂窩通信領域，許多人認為波束成形是將功率波瓣引導到特定方向上朝向用戶，如圖1所示。相對幅度和相移應用于每個天線元件，以允許天線陣列的輸出信號相干地相加以獲得特定的發射/接收角度，并對其他信號破壞性地相互抵消。通常不考慮數組和用戶所處的空間環境。這確實是波束成形，但只是它的一個具體實現。

圖1.傳統波束成形。

大規模MIMO可以被認為是更一般意義上的波束成形的一種形式，但與傳統形式相去甚遠。海量簡單地指基站天線陣列中的大量天線。MIMO 是指天線陣列在相同的時間和頻率資源中滿足多個空間上分離的用戶。大規模MIMO還承認，在實際系統中，天線和用戶終端之間傳輸的數據（反之亦然）會從周圍環境中進行濾波。信號可能會從建筑物和其他障礙物反射，這些反射將具有相關的延遲、衰減和到達方向，如圖2所示。天線和用戶終端之間甚至可能沒有直接的視線。事實證明，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.天線陣列和用戶之間的多路徑環境。

為了利用多條路徑，需要表征天線元件和用戶終端之間的空間信道。在文獻中，這種響應通常被稱為通道狀態信息（CSI）。該CSI實際上是每個天線和每個用戶終端之間的空間傳遞函數的集合。該空間信息收集在矩陣 （H） 中，如圖 3 所示。下一節將更詳細地介紹 CSI 的概念以及如何收集它。CSI用于對天線陣列發送和接收的數據進行數字編碼和解碼。

圖3.表征大規模 MIMO 系統 所需的 信道 狀態 信息。

表征基站和用戶之間的空間信道

一個有趣的類比是考慮一個氣球在一個位置被彈出，而這個爆裂聲或脈沖的聲音被記錄在另一個位置，如圖4所示。在麥克風位置記錄的聲音是一種空間脈沖響應，其中包含氣球和麥克風在周圍環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衰減和延遲。

圖4.音頻類比，用于演示通道的空間特征。

如果我們擴展類比以與天線陣列/用戶終端案例進行比較，我們需要更多的氣球，如圖 5 所示。請注意，為了表征每個氣球和麥克風之間的通道，我們需要在不同的時間爆破每個氣球，這樣麥克風就不會記錄重疊的不同氣球的反射。另一個方向也需要表征，如圖6所示。在這種情況下，當氣球在用戶終端位置彈出時，可以同時完成所有記錄。這顯然要少得多的時間！

圖5.音頻類比下行鏈路信道表征。

圖6.上行鏈路信道表征的音頻類比。

在RF空間中，導頻信號用于表征空間信道。天線和用戶終端之間的空中傳輸信道是相互的，這意味著信道在兩個方向上是相同的。這取決于系統在時分雙工 （TDD） 模式下運行，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。互易假設意味著通道只需要在一個方向上表征。上行鏈路信道是顯而易見的選擇，因為只需要從用戶終端發送一個導頻信號，并由所有天線元件接收。信道估計的復雜性與用戶終端的數量成正比，而不是陣列中的天線數量。考慮到用戶終端可能正在移動，這一點至關重要，因此需要經常執行信道估計。基于上行鏈路的表征的另一個顯著優勢意味著，所有重載信道估計和信號處理都是在基站完成的，而不是在用戶端完成的。

圖7.每個用戶終端傳輸正交導頻符號。

那么，既然收集CSI的概念已經建立，那么如何將這些信息應用于數據信號以實現空間多路復用？基于CSI設計濾波，對天線陣列傳輸的數據進行預編碼，使多徑信號在用戶終端位置相干相干。這種濾波還可用于線性組合天線陣列RF路徑接收的數據，以便可以檢測來自不同用戶的數據流。以下部分將更詳細地介紹此問題。

支持大規模 MIMO 的信號處理

在上一節中，我們描述了如何估計 CSI（由矩陣 H 表示）。檢測和預編碼矩陣基于H計算。有許多方法可以計算這些矩陣。本文重點介紹線性方案。線性預編碼/檢測方法的示例包括最大比率 （MR）、零強制 （ZF） 和最小均方誤差 （MMSE）。本文沒有提供從CSI中預編碼/檢測濾波器的完整推導，但討論了它們優化的標準以及每種方法的優缺點。有關這些主題的更詳細處理，請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性方法的信號處理在上行鏈路和下行鏈路中的工作方式。對于預編碼，可能還會有一些縮放矩陣來規范整個數組的功率，為簡單起見，省略了這些矩陣。

圖8.上行鏈路信號處理。H表示共軛轉置。

圖9.下行信號處理。T表示轉置。* 表示共軛物。

顧名思義，最大比濾波旨在最大化信噪比（SNR）。從信號處理的角度來看，這是最簡單的方法，因為檢測/預編碼矩陣只是CSI矩陣H的共軛轉置或共軛。這種方法的最大缺點是忽略了用戶之間的干擾。

零強制預編碼試圖通過設計優化標準來最小化用戶間干擾問題。檢測/預編碼矩陣是 CSI 矩陣的偽逆矩陣。計算偽逆比MR情況下的復共軛計算成本更高。然而，如果如此專注于最小化干擾，用戶的接收功率就會受到影響。

MMSE試圖在獲得最大的信號放大和減少干擾之間取得平衡。這種整體視圖以信號處理的復雜性作為價格標簽。MMSE方法為優化引入了一個正則化項（如圖8和圖9中表示為β），允許在噪聲協方差和發射功率之間找到平衡。它有時在文獻中也被稱為正則化零強迫（RZF）。

這不是預編碼/檢測技術的詳盡列表，但概述了主要的線性方法。還有非線性信號處理技術，如臟紙編碼和連續干擾消除，可以應用于這個問題。這些提供了最佳容量，但實施起來非常復雜。上述線性方法通常足以滿足大規模MIMO，其中天線數量變大。預編碼/檢測技術的選擇將取決于計算資源、天線數量、用戶數量以及系統所處的特定環境的多樣性。對于天線數量明顯大于用戶數量的大型天線陣列，最大比率方法可能就足夠了。

現實世界 系統 對 大規模 MIMO 的 實際 障礙

當 大規模 MIMO 在 實際 場景 中 實現 時， 需要 考慮 更多 的 實際 考慮因素。以在 3.5 GHz 頻段運行的具有 32 個發射 （Tx） 和 32 個接收 （Rx） 通道的天線陣列為例。需要放置 64 個射頻信號鏈，給定工作頻率，天線之間的間距約為 4.2 cm。這是一個很大的硬件，可以打包到一個小空間里。這也意味著有大量的功率被耗散，這帶來了不可避免的溫度問題。ADI公司的集成收發器為其中許多問題提供了高效的解決方案。下一節將更詳細地討論AD9371。

本文前面討論了在系統中應用互易性來大幅降低信道估計和信號處理開銷。圖10顯示了實際系統中的下行鏈路信道。它分為三個部分;無線信道（H），基站傳輸射頻路徑的硬件響應（T理學士），以及用戶接收射頻路徑的硬件響應（RUE).上行鏈路與 R 相反理學士表征基站接收硬件RF路徑和TUE表征用戶傳輸硬件RF路徑。雖然互惠假設適用于空中接口，但不適用于硬件路徑。由于走線不匹配、RF路徑之間的同步不良以及與溫度相關的相位漂移，RF信號鏈會給系統帶來不準確性。

圖 10.真實世界的下行通道。

對RF路徑中的所有LO（本振）PLL使用公共同步參考時鐘，對基帶數字JESD204B信號使用同步SYSREF，將有助于解決RF路徑之間的延遲問題。但是，在系統啟動時，RF路徑之間仍然存在一些任意相位不匹配。與溫度相關的相位漂移進一步加劇了這個問題，很明顯，在系統初始化時需要在現場進行校準，并在此后定期進行校準。校準允許互惠的優勢，例如保持基站的信號處理復雜性和僅保留上行鏈路信道特性。一般可以簡化為只有基站射頻路徑（T理學士和 R理學士）需要考慮。

有許多方法可以校準這些系統。一種是使用小心放置在天線陣列前面的參考天線來校準接收和發射射頻通道。以這種方式將天線放置在陣列前面是否適合現場的實際基站校準是值得懷疑的。另一種是使用陣列中現有天線之間的相互耦合作為校準機制。這很可能是可行的。最直接的方法可能是在基站天線之前添加無源耦合路徑。這增加了硬件領域的復雜性，但應該提供強大的校準機制。為了完全校準系統，從一個指定的校準發射通道發送信號，該通道通過無源耦合連接由所有RF接收路徑接收。然后，每個發射RF路徑按順序發送一個信號，該信號在每個天線之前的無源耦合點拾取，中繼回合路器，然后中繼到指定的校準接收路徑。與溫度相關的效應通常變化緩慢，因此與通道表征不同，這種校準不必非常頻繁地執行。

ADI公司的收發器和大規模MIMO

ADI公司的集成收發器產品系列特別適合需要高密度RF信號鏈的應用。AD9371具有2個發射路徑、2個接收路徑、一個觀測接收器，以及3個用于RFLO生成的小數N分頻PLL，采用12 mm×12 mm封裝。這種無與倫比的集成水平使制造商能夠及時且經濟高效地創建復雜的系統。

采用多個AD9371收發器的可能系統實現如圖11所示。這是一款32發送、32接收系統，內置16個AD9371收發器。三個AD9528時鐘發生器為系統提供PLL參考時鐘和JESD204B SYSREF。AD9528是一款兩級PLL，具有14路LVDS/HSTL輸出和集成JESD204B SYSREF發生器，可實現多器件同步。AD9528采用扇出緩沖器配置，其中一個用作主器件，部分輸出用于驅動從器件的時鐘輸入和SYSREF輸入。包括一種可能的無源校準機制（以綠色和橙色顯示），其中專用的發射和接收通道用于校準通過分路器/合路器的所有接收和發射信號路徑，如上一節所述。

圖 11.采用ADI公司AD9371收發器的32 Tx、32 Rx大規模MIMO無線電頭框圖。

結論

大規模MIMO空間復用有可能成為蜂窩通信領域改變游戲規則的技術，從而在高流量城市地區提高蜂窩容量和效率。利用多徑傳播引入的多樣性，允許在基站和多個用戶之間以相同的時間和頻率資源進行數據傳輸。由于基站天線和用戶之間的信道互易性，所有信號處理的復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?系列集成收發器產品可在狹小空間內提供高密度RF路徑，因此非常適合大規模MIMO應用。

審核編輯：郭婷