確定天線訊號相位精準度　LTE基站波束成形量測達陣

多重輸入多重輸出(MIMO)技術於第三代夥伴計畫演進通用陸地無線電接取(3GPP E-UTRA)長程演進計畫(LTE)中不可或缺，而MIMO中的波束成形(Beamforming)也廣泛應用在LTE中。

為達到高速資料傳輸速率，目前先進的通訊網路使用MIMO技術，波束成形應用於MIMO技術中可以鎖定特定區域，改善遠離基地台使用者的通訊品質，其他應用波束成形的通訊標準還有無線區域網路(WLAN)、全球微波存取互通介面(WiMAX)和通用行動通訊系統(UMTS)LTE，波束成形對於分時多工(TDD)模式的LTE尤其重要。

以下將介紹基地台傳輸功能和LTE傳輸模式(TM)、量測基地台波束成形的測試方案，對於基地台做完整的測試與使用向量式訊號產生器、頻譜分析儀與網路分析儀等各式不同的測試。

波束成形量測重點為衰減及AWGN

LTE波束成形技術應用於行動裝置中，其量測主要為行動裝置接收測試(量測接收角[AoA]與干擾抑制)，一般而言，衰減(Fading)與加性高斯白雜訊(AWGN)對於傳輸模式的影響將會是測試應用的重點(圖1)。

圖1　行動裝置接收基地台傳輸無線電波方塊圖

基頻與射頻(RF)模組不一定要放在一起，事實上，較先進的基地台已經傾向將基頻與射頻模組(Remote Radio Head, RRH)分開，意味著基頻模組可與網路整合，如此一來，基頻的訊號可以數位訊號的形式傳送到RRH(藉由CPRI介面)，然後再進入調變端與放大器中。

另外一個相當重要的趨勢是主動式基地台天線的應用，這些天線包含數個發射與接收元件(收發機)，此設置相當適合實施波束成形的技術，一些未來基地台架構應用的建議是將基頻模組整合置天線中。本文描述的測試內容可以適用於所有的架構。

圖2　基地台設置

圖2為基地台設置的一些可能性，基地台與射頻模組逐漸使用數位訊號作為連結。目前較新的設置方法為將基頻模組與射頻模組分開，基頻與射頻模組間使用數位訊號溝通，基頻模組可放置於天線桿底下、與射頻模組放在一起或放置於網路中。

計算波束成形權重

在此介紹幾個LTE波束成形最重要的參數，其他詳細的內容請參閱LTE波束成形白皮書。3GPP Release 9的規範定義八種不同的傳輸模式(表1)。

TM 7與TM 8使用陣列天線達成波束成形，儘管使用者裝置(UE)只看得見一支(TM 7)或兩支(TM 8)天線，在兩種模式中基地台傳送使用者標準參考訊號。以下針對TM 6、7與8更詳細的說明：

TM 6使用單一傳輸層達到閉迴路空間多工

此模式僅使用單一傳輸層達到空間多工，藉由已定義的編碼將天線的訊號加權可達到波束成形的作用。為預測接收端的通道模型，基地台傳送一細胞特異性參考訊號(Cell-Specific Reference Signal)給行動裝置，其中包含傳送多個資源單位(RE)與多個時槽，行動裝置將通道預測結果預編碼並回報至基地台，而基地台經由各個天線連接埠傳送預編碼訊號，雙天線將產生四種不同的波束成形之場型，而四天線則會產生十六種場型(圖3)。

圖3　雙天線距離λ/2編碼從0至3所對應的天線輻射場型

TM 7波束成形(天線連接埠5)

此模式使用使用者裝置特異性參考訊號(UE-Specific Reference Signals, UE-Specific RS)，傳送資料與UE-Specific RS皆使用同一天線權重做傳送，由於行動裝置只需要UE-Specific RS解調，接收所傳送的資料顯然是透過單一傳送天線，行動裝置並不會知道實際傳送天線的個數，這樣的傳輸方式顯然從單一虛擬天線連接埠來做傳送。

目前有各種不同計算波束成形權重最佳化的演算法，比如決定接收上行訊號的方向(訊號到達方向DoA與訊號到達角度AoA)，以此來計算波束成形的權重，並須藉由數個單一天線單元所組成的陣列天線，而每個天線間距至少大於二分之一波長，若是波束不夠集中或是無法決定主要DoA的方向，將很難決定DoA。

再者，藉由通道預測亦可決定最佳波束成形權重，由於TD-LTE系統在上行與下行皆使用同一頻率傳輸，上行參考訊號可直接被用來決定通道預測，下行訊號的波束成形權重因此可被計算，在這樣的條件下，波束成形向量藉由通道預測來決定，而非計算DoA。

另一方面，波束成形計算是根據上行訊號的量測，根據天線陣列的校正與射頻模組等主要因素達到波束成形的精準度。LTE並無規範任何決定波束成形參數的方法，其他方法如波束切換亦可做為運用。

TM 8雙傳輸層波束成形(天線連接埠7與8)

LTE Releases 8規格定義單一傳輸層波束成形，而Releases 9規格定義雙傳輸層波束成形，此定義將允許基地台單獨針對兩個傳輸層的天線做波束成形加權，因此可以做空間上的多工來同時滿足單一或多個使用裝置。

如同TM 7，在此使用UE-specific RS，同樣的資源單位被當作參考訊號藉由兩個天線傳送，這些參考訊號必須分別作編碼以讓行動裝置編碼辨識，而由於雙傳輸層的使用，可以同時指派給單一行動裝置(單一使用者MIMO裝置)，或是分別指派給兩個不同的行動裝置(多使用者MIMO)。

值得注意的是，LTE Release 10，亦即LTE-Advanced的版本將從根本改變，針對下行訊號，天線數增加至八支天線，因此定義八個傳輸層，這代表波束成形技術也有可能增加至八個傳輸層，新的傳輸模式TM 9擴充TM 8至八天線連接埠(AP 7至14)，上行訊號也增加MIMO的功能。

LTE基地台波束成形量測

基地台的波束成形有幾種必要的量測，包含驗證根據3GPP定義的傳輸模式是否正確，以及演算法是否最佳，這樣的測試須知道陣列天線訊號大小與相位的精準度，由於下行天線的權重是根據上行訊號預測，任何的不精準將直接影響下行的波束成形訊號，確定天線訊號間的相位精準度將是個重要的測試。

基地台可產生傳送與接收訊號方向的波束成形，因此兩個方向都須被測試驗證。而行動裝置端透過TM 7與TM 8也有新的測試需求，例如量測行動裝置偵測與解調波束成形訊號的品質。

圖4　基地台發射機測試方塊圖，下行訊號從射頻模組輸出端測試。

基地台發射機量測大致上有三種不同的方式。圖4為測試點的示意圖，除針對LTE規格測試確保參考訊號以TM 7的形式傳送以外，並且可對任何標準的訊號量測其相位與功率大小，以此解決方案得以決定訊號間的相位差，進而才可能決定對不同訊號加權，這些量測可根據其各種應用與可得的測試設備決定使用訊號分析儀或是網路分析儀，雖然本篇提及的方法可廣泛的應用，在此針對LTE規格(如取樣率)討論。

使用頻譜分析儀LTE分析軟體測試波束成形

訊號與頻譜分析儀FSx的LTE分析軟體可用在常見的LTE量測，包括功率、誤差向量振幅(EVM)與電波頻譜，也可用來驗證波束成形的傳輸模式是否正確地被使用。

圖5　兩組訊號的加權(90o相位差為例)

在TM 7與TM 8的波束成形傳輸模式下，實體下行共享通道(PDSCH)中的UE-Specific RS與資料使用波束成形，而其他頻道傳輸則未被加權，也就是說，傳送訊號並無相位差異(0^o)。這代表PDSCH與DM-RS之星座圖根據加權值做旋轉，圖5為兩個同樣大小的QPSK調變訊號分別以一相位差藉由兩天線傳送。天線一發送訊號一於左下方，天線二發送訊號二相位差90^o於右下方，接收端測得加成的訊號往下。本例RS與PDSCH的QPSK訊號旋轉了45^o。

個別天線輸出測試

圖6為個別天線輸出測試基本的配置，天線輸出透過開關切換輸入至FSx。在LTE分析軟體中，打開Demodulation Settings對話方塊，在MIMO Configuration中設定天線的數量(此例設定為2)，若是在Enhanced Settings中設定傳輸模式7，軟體將會計算相位偏移，並將星座圖轉回原來的位置，因此可以根據DM-RS的參考值解調PDSCH的分布(圖7)。此外，LTE分析軟體亦可分析多個不同的波束成形配置，量測所有的標準。

圖6　使用LTE分析軟體做為基地台發射機測試

圖7　EVM測試與QPSK調變資料(PDSCH)波束成形星座圖

波束成形天線功率量測

FSx的輸入端可連接所有天線輸出，以測試波束成形的功率大小。各個不同的頻道量測功率顯示在Allocation Summary中，然而在此量測的EVM沒有意義，原因是因所傳送的訊號是波束成形的訊號，天線訊號重複疊加無法分辨，若是天線輸出訊號相位差為0^o的話，則FSx接收到的訊號代表使用者處於陣列天線正前方。

在這個範例中，PDSCH與RS為90^o加權，這意味著PDSCH與RS不是指向0o的位置，而RS為正交訊號，因而其功率維持一定值(為-58.5dBm)，且SYNC頻道是以相位差0^o傳送，因而測得兩倍的能量，較RS多6dB為-52.4dBm，總結PDSCH較RS多3dB(-55.4dBm)(圖8)，須注意控制頻道實體廣播通道(PBCH)、實體控制格式指示通道(PCFICH)與實體下行控制通道(PDCCH)是以上行分極的編碼方式，無法在這樣的設置下分析，而改變波束成形的設定(PDSCH與RS間的權重關係)將直接影響PDSCH的功率大小。

圖8　波束成形頻道PDSCH與RS的功率較SYNC頻道小

TM 8各個天線可用上述的方式量測，在Enhanced Settings中將Layers/Codewords設定為2/2，而兩個編碼則自動被填到Demodulation Settings中，圖9為EVM量測與星座圖。

圖9　TM 8天線EVM量測總覽與波束成形QPSK調變訊號星座圖

向量訊號分析儀進行相位量測

FS-Z10同相器可結合兩部FSx，量測兩組任意通訊標準射頻訊號間的相位差、時間差與增益差，在此會介紹LTE訊號的測試設定，FS-Z10會回傳一組值，描述特定頻寬內兩相位差的平均，須注意並非量測正弦波(CW)。圖10為基本設定。

圖10　使用FS-Z10量測兩訊號相位差的設置

若是要量測多組訊號，儀器須使用切換器連續量測多組訊號，可使用OSP切換器與控制平台達到量測的目的。此外，接線量測的設置須被校正。

向量網路分析儀如ZVx可提供更彈性的測試選擇，仍可提供相位差量測功能，並且同樣可量測任意標準訊號，由於須量測多個LTE訊號，因此不須打開ZVx內部的訊號源，ZVx仍然可以計算整個訊號頻寬的相位。

若是須用到兩個以上的訊號相位關係可在FSx使用FS-Z10，並且可使用一射頻開關切換量測，羅德史瓦茲OSP切換器與控制平台可被選擇來達到量測的目的，OSP可切換多達六訊號不同的配置進出與高達40GHz頻率，圖11為搭配八天線與FS-Z10的範例配置，OSP130也可透過手動的方式自由設定訊號切換路徑。

圖11　多天線OSP設置範例

基地台接收機提供上行訊號

定義好且相位穩定的射頻訊號產生，在波束成形演算法上的驗證尤其重要，這些訊號主要是用來達成重複性測試，為測試基地台接收機或是其中的演算法如AoA，使用訊號產生器(SMU)可產生兩組相位可調的LTE上行訊號，多台訊號產生器可以連接串聯產生更多的射頻訊號。

若是使用數個訊號產生器，必須遵守幾個設定條件：所有訊號產生器必須使用同一個參考頻率；LTE上行基頻訊號內容必須相同；所有基頻訊號必須同步，以及任何射頻輸出端必須保持相位同步。

工程師可選擇兩台SMU產生四組射頻訊號輸入至基地台接收機的測試設置，抑或可選擇單一射頻路徑多台訊號產生器，如SMJ或是SMBV。所產生的LTE上行基頻訊號必須相同且具有一相位延遲。

首先，將LTE基頻上行訊號內容設定為相同。若欲將訊號同時傳送，SMU基頻訊號必須設定為同步，在此條件下，所有基頻訊號等待第一組基頻訊號(BB1)啟動而被觸發。並可在SMU中選用SMx-B90可支援多訊號相位同步的功能，單一儀器中的訊號可以同步耦合，而跨儀器亦可，SMx-B90中具有耦合本地振盪器(LO)的硬體裝置，雙通道儀器(SMU與SMATE)的LO在內部耦合，而跨儀器(SMU、SMATE、SMJ與SMBV)可透過LO IN/OUT耦合(儀器後置面板)，即可產生相位同步訊號，進而對LTE基地台上下行訊號進行測試。

(本文作者任職於羅德史瓦茲)