多天線波束成形技術顯威　TD-LTE傳輸效能倍增

過往行動無線系統普遍採用多天線技術增進傳輸效能，在早期的大型蜂巢式網路拓撲中，基地台發射和車內接收天線分集技術常被用來減輕多路徑傳播導致的選擇性衰減效應，此一問題在都會地區尤為嚴重。

時至今日，隨著手機變得更輕薄，且車內安裝的裝置也只剩藍牙(Bluetooth)音響連接裝置後，行動裝置廠商已不再使用接收分集技術。

然而，此一趨勢即將有所改變；最新的無線區域網路部署使用多天線空間串流增加傳輸頻寬，並加快傳輸速度。

隨著低成本硬體愈來愈普及，新興的長程演進計畫(LTE)通訊技術，特別是分時雙工(TDD)版本，已經將各種多天線技術納入規範，藉此增加數據資料傳輸效能。

一般而言，基本的無線通道使用一個發射和一個接收天線，因此又稱為單一輸入單一輸出(SISO)。相對於所有可加以量測的複雜傳輸配置，這類簡單的無線通道建立了傳輸性能基準。以SISO傳輸性能為基準的單一輸入多重輸出(SIMO)提供接收天線冗餘(Receive Antenna Redundancy)，以便使用接收分集技術，例如合併接收器的最大比值。

藉此天線技術方式可改善裝置接收器的訊號與干擾噪音值(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)，並可在各種不同傳輸狀況下避免產生通道衰減。

多重輸入單一輸出(MISO)同樣提供發射天線冗餘，以便使用發射分集技術，例如Alamouti符號編碼，或是LTE標準的空間頻率區塊編碼(SFBC)。和SIMO一樣，MISO也可改善裝置接收器的SINR，並可防止通道衰減。不過，SIMO和MISO都無法提高傳輸速度，但可減少誤碼率，因此毋須重新傳送資料。

追求訊號完整度　多天線技術持續精進

多重輸入多重輸出(MIMO)則提供額外的發射和接收天線冗餘。如果傳送相同的資料給發送天線，可用這種冗餘以及上述的發射與接收分集技術，來改善裝置接收器上SINR；或者也可以選擇犧牲局部或全部的SINR性能提升，以便改善頻譜效率。空間多工傳輸(Spatial Multiplexing)技術使用發射天線來傳送獨立的資料串流，因此可提高單一用戶的資料傳輸速度，或是增加系統的細胞容量。

除了這些分集和空間多工技術外，還可使用多天線配置，集中在某個特定方向傳送或接收資料，如此可提高系統性能。這項技術為波束成形(Beamforming)技術，它可以是固定或是可變的，視不同的應用而定。波束成形技術可用於各種不同頻率的應用，從聲納和地震，到聲學、無線通訊、無線天文學，以及雷達等。一般而言，從兩個或多個空間分離的傳輸點發送相同的訊號時，發射波束成形技術可找出其中的干擾場型(Interference Pattern)。同樣的，設計人員可使用接收波束成形技術從兩個或多個空間分離的接收點接收相同的訊號並找出干擾場型。

提升訊號功率增益　全項天線設計至關重要

以一個簡單的例子來說明，透過一個全向天線發送射頻(RF)無線訊號時，所得到的訊號之相對場強如圖1(a)的圓弧黑色實線所示。為了建立發射波束成形，設計人員加入第二個相同的全向天線元件，與第一個天線元件相隔半個RF載波波長，如在圖1(b)所示。在這個例子中，兩個天線元件發送完全一樣的訊號資訊符號副本。設計人員一眼就可看到，在0度方位角的方向出現了相長(或同相)干擾，使得合併場強增加，導致這個方向產生一個有效的同調訊號功率增益。

圖1　均勻線性陣波束成形範例

另外，在大約±90度的方位角方向則出現了相消(或反相)干擾，使得合併場強下降或衰減。增加第三個天線元件有助於改善合併場強的空間選擇性。這個天線元件與前兩個元件在同一個軸上，以半個RF載波波長相隔開來，如圖1(c)所示。在此範例中，這些共極、相關的陣列元件沿著一個天線元件軸平均地間隔開來，形成了一個均勻線性陣列(ULA)天線系統。

設計人員可清楚看出，相對於ULA寬邊，0度方位角方向形成了一個單一主波束，在這裡出現了最大相長(或同相)干擾，並且在合併場強波束場型中產生最大功率增益。此外，亦可以觀察到兩個不同的功率衰減零陷，在±42度方位角之主波束的兩側各有一個，這兩個功率最小位置代表在合併場強波束場型中出現最大相消(或反相)干擾的方位角。

最後如圖1(d)所示，設計人員可在ULA中加入第四個天線元件，以進一步提高主波束的選擇性。功率零陷(Power Null)的數量也從兩個增加到三個。

其中兩個零陷位於±30度方位角，第三個零陷則位於ULA天線軸線上。現在設計人員可清楚觀察到位於±50度方位角形成了兩個不同功率的旁波束，這兩個旁波束都出現在相對於主波束的降低功率位準處。所產生的波束場型不僅由ULA實體幾何參數和元件分離度決定，同時也會受到施加於在每個天線元件上傳輸之每個資訊符號的相對振幅和相位權重所影響。

如圖1(e)所示，對所有四個天線元件施加+90度相對相位偏移權重，就可看到從0度方位角到-30度方位角的主波束位置出現了偏移。請注意，零陷和旁波束位置也受到新的加權值影響。藉由仔細設計波束成形天線陣列的幾何形狀，再加上精確地控制施加到每個天線元件的相對振幅和相位權重，不僅可控制主波束功率傳輸的選擇性形狀和方位角方向，同時還可控制功率零陷方位角位置和旁波束位準。

現在，讓我們考慮增加額外的天線元件後，對於在目標行動裝置接收器之波束場型有效功率增益有何影響。圖1(b)顯示增加第二個天線元件的情形，該天線發送了跟第一天線元件所發送的完全一樣的符號副本。在這種情況下，相長(同相)訊號加總將導致位於0度方位角主波束位置之目標裝置接收器的同調功率增益提升了6dB。

因此，如未將天線圖正常化，圖1(b)中兩個天線的最大主波束，理論上是圖1(a)中單天線的最大主波束的兩倍。由於使用兩個空間相隔的天線元件，而非一個天線元件，結果可將同調增益提升6dB，亦即提升目標裝置接收器的波束成形增益。

實際上，兩個天線元件分別發送的符號功率位準可能減少為原始天線符號功率位準的一半(即3dB)，以便保持和單一天線一樣的總發射功率。即便如此，相對於單一天線，目標裝置接收器的波束成形增益仍然提升了3dB。多天線波束成形傳輸技術具有波束成形選擇性、干擾管理和同調訊號增益等優點，因此非常受到現代無線通訊系統的青睞。

如圖2所示，此為圖解波束成形傳輸專業術語和重要特性。主波束(Main Lobe)是指主要的最大功率傳輸波束，通常在目標裝置或傳輸路徑中進行指向，並透過無線傳播通道中的反射到達目標裝置；旁波束(Side Lobe)為次要的功率傳輸波束，有時會對主要或相鄰細胞中的其他用戶端裝置產生干擾；功率零陷指傳輸波束場型(Beam Pattern)中出現最小功率的地點，系統可能會利用並控制此特性，以減輕對主要或相鄰細胞中其他用戶端裝置的干擾；主波束寬度是主波束傳輸的選擇性，以主波束3dB點兩側的方位角量度；主波束至旁波束位準為相對於不想要的旁波束傳輸功率，需要的主波束傳輸功率之功率差的選擇性。

圖2　波束成形示意圖

強化LTE上下行傳輸效率　波束成形技術備受矚目

圖3　(a)透過波束成形技術提升細胞邊緣傳輸效能；(b)透過波束成形技術與MU-MIMO增加細胞容量。

提高細胞邊緣傳輸效能是所有無線蜂巢式通訊系統的最大的挑戰。為此，業界紛紛使用波束成形技術來提供LTE服務。圖3顯示兩個實際情境中範例，它們都利用波束成形技術的優點來提升現代蜂巢式無線通訊系統的傳輸效能。

圖3(a)顯示兩個相鄰的細胞，中間有兩個位於細胞邊緣的用戶端裝置正進行通訊。圖中顯示eNB1正在為目標裝置UE1提供服務，過程中eNB1使用波束成形技術進行傳輸，以便將UE1方位角方向的訊號功率最大化。與此同時，藉由操控UE2方向的功率零陷位置，eNB1試圖將對UE2的干擾降到最低。同樣的，ENB2亦使用波束成形技術大幅提高UE2方向的傳輸接收度，並且將對UE1的干擾降到最低。有需要時也可使用波束成形增益來增加細胞的覆蓋範圍。

圖3(b)顯示單細胞eNB3同時為UE3和UE4這兩個位於不同地點的裝置提供通訊服務。由於不同的波束成形權重可單獨應用於每個空間多工傳輸層，因此可以搭配使用空間分隔多重存取技術(SDMA)和MU-MIMO傳輸技術，以增加細胞的容量。

圖4顯示兩個不同的波束成形部署技巧。圖4(a)顯示由一個由八埠Butler矩陣波束成形網路組成的固定傳統切換式波束成形器。這個網路結合使用90o混合耦合器和相位偏移器，來部署由不同的可選固定時間或相位延遲路徑所形成的矩陣。所產生的固定傳輸波束的數量等於用來建構Butler矩陣網路的天線元件N的數量。圖中所示的範例使用八個天線，產生八個可選波束。這種網路有時也稱為「波束網格」或波束成形網路，可選擇單獨或是N個固定傳輸波束的組合，以便大幅提高行動裝置接收器的SINR。

圖4　(a)是固定常規切換式波束成形器；(b)則是調適型波束成形器。

在無線網路中，系統開發人員須知道細胞中的UE位置，才能選擇最佳的下行鏈路傳輸波束。藉由量測整個eNB接收天線陣列中上行鏈路訊號的到達角度(AoA)，可以直接得知UE位置，或是透過上行鏈路控制通道品質反饋資訊，來間接獲得這個訊息。

相反的，圖4(b)顯示調適型波束成形器的架構，顧名思義，調適型波束成形器可以不斷調整並重新計算出最佳的傳輸波束成形複合加權值，以便因應各種不同的通道狀況。調適型波束成形器的權重不是固定的，不僅可將目標UE接收到的SINR最佳化，而且可以更有效地調整選擇性並找出功率零陷位置，進而減少對其他使用者的干擾。

在無線網路中，eNB通常會直接量測在整體eNB接收器陣列中接收到的上行鏈路參考訊號，並據此估算最佳權重。接著可使用這些資訊來計算上行鏈路AoA，並且分解通道特性矩陣。如果是分頻雙工(FDD)系統，在下行鏈路和上行鏈路分別使用不同的RF載波頻率的情況下，須藉由同時量測兩個目標UE的AoA資訊，並了解細胞中其他UE的位置，以便推估出波束成形傳輸複合加權值。在上行鏈路中UE回報的通道反饋資訊也有助於估算加權值。

對於分時雙工(TDD)系統而言，由於下行鏈路和上行鏈路共享相同的RF載波頻率，設計人員假定通道可以互易，基於這個原因，TDD系統中的波束成形可以超越FDD系統所成達成的效果。可選擇所施加的波束成形傳輸複合加權值，以便匹配從eNB接收訊號衍生的分解通道特性矩陣的特徵向量。這些通道匹配波束成形權重有助於將在目標UE接收器中觀察到的SINR最佳化。eNB毋須依賴上行鏈路中用戶行動裝置提供的通道反饋資訊，但實際上，eNB波束成形權重估算過程中可能仍須使用這些資訊。

LTE系統對波束成形支援日益完整

圖5　典型的八天線配置，可支援TD-LTE TM7、TM8和TM9。

LTE定義多個下行鏈路傳輸模式，以支援波束成形技術。其中最令人注意的是傳輸模式(TM)7、8和9。3GPP第八版推出了TM7，可支援單層波束成形，第九版又增加TM8，以支援雙層波束成形；而第十版則加入TM9，最多可支援八層傳輸。圖5顯示TD-LTE蜂巢式網路中使用的典型eNB RF天線配置，可支援TM7、TM8，和TM9 MIMO波束成形模式。

圖5顯示配置成兩個天線群組的八個實體天線。每個群組對另一群組呈90^o正交交叉極化。天線群組0由天線元件一～四組成，在正45^o極化；天線群組一由天線元件五～八組成，在負45^o極化。 在個別群組中，每個天線之間都相隔約一半的RF載波波長，使得天線群組中的天線元件具有高度的關聯性，對於同調波束成形極有幫助。另一方面，這兩個群組彼此交叉極化(Cross-polarized)，使得兩個天線群組之間的關聯性很低，如此可充分支援空間多工。典型的TD-LTE eNB RF天線的實體配置會試著滿足上述需求，但MIMO空間多工和同調波束成形的關聯性要求卻互相衝突。

波束成形的主要測試挑戰之一是須驗證實體RF天線陣列的波束成形訊號效能並且呈現圖形結果，以便確認eNB RF天線校驗準確度、基頻編碼的波束成形加權演算法的正確性與RF天線之MIMO單、雙層EVM。

圖6顯示的測試系統使用安捷倫(Agilent)N7109A多通道訊號分析儀和搭載的89600 VSA軟體來執行TD-LTE量測。這款多通道訊號分析儀支援八個相位同調的RF量測通道，如搭配使用適當的RF分路器和衰減器，可輕易整合入典型的TD-LTE基地台測試配置。

圖6　典型的TD-LTE波束成形測試系統配置

系統校驗是獲得出色量測準確度的關鍵要素。修正精靈可在系統校驗過程中提供指引，提示使用者將訊號分析儀通道1的量測纜線，連接到雙向校驗分路器的第一輸出埠，在圖6中則是以虛線當作注入點的表示。

接著參考通道1來進行所有的交叉通道特性量測。修正精靈並提示使用者分別將通道二到通道八的量測纜線(位於圖中虛線處)，逐次連接到雙向校驗分路器的第二輸出埠。透過這種方式，修正精靈可對跨通道修正進行特性分析，以便在訊號分析儀執行波束成形量測時，補償量測纜線、連接器、分路器和衰減器固有的不匹配效應。

如此一來，便可觀察RF天線輸出之天線波束成形效能。RF纜線和連接器很容易導致測試系統之振幅和相位出現變化，因此測試系統校驗的重要性不言可喻。

首先可用VSA軟體和多通道訊號分析儀來顯示八個天線元件之時間同步RF訊號的擷取畫面(圖7)。如此可在進一步執行進階解調變量測之前，快速找出任何基本的RF功率或時序效能缺陷。

圖7　八天線時間同步傳輸訊號之擷取畫面

驗證下行鏈路MIMO波束成形訊號時，VSA軟體的TD-LTE量測應用軟體可提供豐富的解調變結果，包括IQ星座圖、EVM結果度量、偵測到的資源分配、特定UE的RS權重、特定細胞的RS權重和缺陷，以及特定UE和通用的廣播天線波束場型，圖8～11則提供這些量測結果的範例。

圖8　星座圖訊框摘要與偵測到的資源分配

圖9　特定UE的RS權重和細胞RS對映

圖10　通道頻率、振幅和相位響應

圖11　MIMO資訊顯示畫面和特定細胞RS廣播波束場型

圖8的軌跡圖A和L顯示每個空間多工層的解調變IQ星座圖，並快速以圖形呈現訊號調變品質的正確性。圖8的軌跡圖D顯示的訊框摘要提供個別EVM以及與每個通道和訊號類型相關的功率度量資訊。它還用不同的顏色來標示所有通道類型的結果，並且在VSA軌跡圖中重複使用。圖8的軌跡圖B顯示偵測到的資源分配，亦即分配給每個使用者傳輸通道的資源區塊，再加上分配給通用控制通道的資源。

圖9顯示的表格列出所有八個天線元件所量測到的特定UE RS權重。藉由評估分配給每個使用者傳輸的各個資源區塊之振幅和相位，可得出權重。每個空間多工層都有單獨的特定UE RS權重軌跡圖，例如圖中右下角與右上角的曲線即為細胞RS對映給出軌跡。

提高細胞邊緣傳輸效能是所有無線蜂巢式通訊系統的最大的挑戰，因為周遭充斥著大量雜訊與極高的細胞間干擾，導致用戶端裝置的傳輸嚴重惡化。此時，多天線波束成形傳輸技術發揮了關鍵作用，特別是當TD-LTE網路的上行鏈路和下行鏈路具有相同的頻率，而且通道可以互易時。

事實上，波束成形技術具有選擇性、干擾管理和同調訊號增益等優點，可確保更一致的使用者體驗，並且讓所有細胞提供的重要服務都具有可接受的效能。

不過從eNB發展的角度來看，多天線波束成形傳輸技術同時也帶來各種測試挑戰，包括須驗證用來產生波束成形權重的基地台基頻接收/發射演算法是否正確執行，並須準確驗證RF天線的基地台校驗效能。測試波束成形傳輸系統時，必須小心修正所採用的實體量測配置。

另外，由於波束成形技術必須與空間多工技術結合使用，因此還須驗證RF天線每個MIMO層的EVM性能。

(本文作者任職於安捷倫)