無線通訊已是當今通訊產業重要的發展潮流，時下最新的無線通訊技術如長程演進計畫(LTE)，為提高傳輸速率與吞吐量(Throughput)，紛紛導入多重輸入多重輸出(MIMO)天線設計，以及波束成形(Beamforming)技術。為確保系統擁有最佳效能表現，如何完整落實波束成形測試作業已至為關鍵。因此，掌握規格書上的相關定義與基礎原理，不僅是成功設計LTE無線通訊系統的基本功夫，亦是未來跨入LTE-Advanced領域的重要基石。
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| 圖1 適當的權重可以增強特定範圍的可能性(波束成形：主波瓣朝向移動電話)或是在接收模式抑制特定的干擾。 |
在發展中的無線通訊網路科技，多重輸入多重輸出(MIMO)天線系統是一種用來改善穩定性或是資料速率的方法。在長程演進計畫(LTE)規格書中發行版本八指定MIMO使用四個發射天線與四個接收天線。然而，也允許以多組天線改善到使用者端的傳輸或是抑制干擾。該分文獻除了解釋波束成形背後的科技，以及如何實現LTE外，也發表對於在基地站測試、天線以及使用者設備中波束成形(Beamforming)的測試解決方案。
波束成形運作方式
波束成形已經使用一段時間了，例如在雷達系統以及衛星技術上，這是根據覆蓋多重天線上訊號傳輸的權重。因為一個天線擁有對稱的特性，因此在傳輸與接收的行為上是相同的，在傳輸模式下特定的範圍可以增加強度，當在接收模式下特定的干擾則可以被抑制(圖1)，通常多個個別天線可組成天線陣列。
當在天線陣列特定的距離角度所接收到的波，訊號將在個別的天線並不同變化的時間抵達。當給予天線間固定的距離d，則到第二根天線的路徑長則為d×sinθ短於到第一個天線。在光速c，天線端時間重疊為i結果，如公式1所示。
.......................(1)
訊號si在每個天線如公式2所示。
.......................(2)
這個表示僅只有效於窄帶訊號。若寫成向量形式，則為公式3所示：
......................(3)
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| 圖2 前波抵達陣列天線在角度θ，與每個天線的間距d。因此，訊號在不同時間達到個別的天線。 |
其中a是陣列操控向量，而天線角度與間距d的關係如圖2所示。
波束成形藉由訊號在每個個別的天線的權重比來產生在大小及相位上，可以公式4表示，其中W為權重向量。
y(t)=wH·a(θ)·s(t) .................(4)
波束成形的權重考量
有兩個方法可以決定波束成形的權重，決定陣列天線的特性時，個別天線距離d是決定性的因數。在兩個各別天線的分離度可能變化(以及不需要相同)。變化兩個天線間的距離d可以有機會達到不同波束成形特性。
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到達方向(Direction of Arrival)是指使用天線陣列來決定發射使用者設備的地點(抵達方向=DoA或抵達角度=AoA)要求一個常數距離d<λ/2介於兩個各別天線，這個簡單的陣列類型稱之為均勻線性陣列(ULA)，以及在空間中訊號的過濾準則來表示。 |
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通道響應(Channel Response)意指如果使用者設備可以執行通道評估以及回報通道估測回基地台，天線陣列的要求就不再須要套用，距離也可能為d>λ/2。 |
LTE傳輸模式
LTE版本八定義七種不同的傳輸模式(TM)，如表1所示。以下將針對利用波束成形的傳輸模式六及七進行更深入的描述。
TM6：閉迴路排列1波束成形
傳輸模式六這個波束成形模式，相關於來自使用者設備的響應，不要求特別的陣列結構。與空間多工對比而言，僅只一路數據串流被散播在介於四個天線間(因此被標示為排列1)。
為了允許在接收機的通道估測，基地台傳輸指定細胞參考訊號(RS)分布在不同的資源元素(RE)以及在不同的時槽間。使用者設備估測通道以及傳送最佳預編碼的索引矩陣回到基地台，預編碼矩陣會定義資料串流的預編碼，基地台能經由所有天線埠傳送預編碼訊號，對於電碼書則來自於標準表格的單一層。不同天線的訊號變化權重導致不明顯的波束成形。對於兩個天線，會有四個電碼書被定義，所以當使用四個天線時，會產生十六種不同的波束成形圖示(圖3)。
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| 圖3 藉由在傳輸模式六使用不同電碼書，隱喻波束成形結果；範例顯示對於兩個天線使用電碼書0～3的天線圖示(在此d=λ/2)。 |
TM7：調整式波束成形(天線埠5)
在傳輸模式七上傳訊號被用來計算波束成形參數。藉由使用距離d<λ/2的個別天線元素的天線陣列，可決定接收上傳訊號(DoA或AoA)的方向。
在這個波束成形模式，特定使用者設備的參考訊號會被使用。資料與特定使用者設備參考訊號均使用相同的天線權重被傳送。因為使用者設備要求只有其特定參考訊號能用來解調變，並且來自於僅有一個傳送天線的資料傳輸。
在TD-LTE系統中，因為上傳與下載在相同的頻率發生，上傳試探參考訊號能被直接用來估測通道。在這個案例中，利用通道估測而不必藉由DoA計算即可決定波束成形向量。因為波束成形的計算是根據上傳測量，天線陣列及接收接前端的校對遂成為影響波束成形精準度的主要因素。如果角度的延展太小或DoA沒有主導的方向，DoA的決定將更為困難。
LTE並沒有指定任何方式去決定這些參數(天線權重)，其他方式例如波束切換也是可行的。
波束成形量測與展望
在手機與基地台測試上，已經額外增加要求MIMO的引入，波束成形的使用已經帶來許多需要考慮的新參數，諸如兩個各別天線之間相位關係定義。除可涵蓋不同的量測儀器與個別無線通訊標準，包括3GPP UMTS、高速封包存取(HSPA)、加強版高速封包存取(HSPA+)、LTE、CDMA2000、1xEV-DO、無線區域網路(WLAN)、及全球微波存取互通介面(WiMAX)外，羅德史瓦茲(R&S)也提供相位相關性的訊號產生解決方案來量測天線間相位關係。
為了決定兩個或多個發射天線(波束成形發射機測試)間的相位關係，羅德史瓦茲提供兩個不同的元件類型。兩個成對額外選項的訊號頻譜分析儀，能夠量測一般無線通訊系統標準參數，諸如功率，向量誤差大小，頻譜，也可量測個別天線間的相位關係。藉由適當射頻切換器延伸測試設定，讓決定兩個以上的天線的向位關係更為可行，如圖4所示。
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| 圖4 相位同調單位讓決定兩個訊號間相位關係更可行，一台額外的電腦可以提供更便利的操控性來操控兩台頻譜分析儀。 |
另外一種選擇，可利用網路分析儀量測兩個天線間相位關係，這有關於元件結構，可在同一個時間點上量測八個天線。網路分析儀也可量測在整個訊號頻寬上的相位響應，如圖5所示。
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| 圖5 使用網路分析儀在八個天線上量測相位的相關性。 |
接收機測試要求產生一個定義的相位多重路徑訊號，羅德史瓦茲的訊號產生器允許產生兩個射頻鎖相以及可調相位訊號。將許多訊號產生器連接起來去處理超過兩個以上的天線。典型的MIMO測試即使是衰弱信道(Fading)或加性高斯白雜訊(AWGN)也是可行的，預設模組的基頻Fading與AWGN已經整合到訊號產生器中。
羅德史瓦茲額外提供整合發射機與接收機訊號測試於單一裝置的無線通訊測試儀。這些無線網路測試儀器適合所有應用範圍，從手機開發到規範要求測試，這些測試儀器可作為射頻(RF)測試儀，也能當作為通訊協定測試儀，因此縱使是OTA的方案，也允許真實的吞吐量及射頻測試。
LTE的波束成形規範仍持續演進，規格版本八定義了在兩種模式的波束成形，而版本九(LTE-Advanced)將具體規定雙層波束成形。這將會使基地台個別對這兩層做權重比，因此波束成形能被整合到空間多工，達成多個使用者設備的目標。
(本文作者任職於羅德史瓦茲)