MIMO與波束成形相得益彰　LTE覆蓋率/傳輸品質大增

目前如無線區域網路(WLAN)、全球微波互通存取(WiMAX)及長程演進計畫(LTE)，亦在其通訊標準中定義波束成形技術。而在LTE分時多工(TDD)模式下，波束成形技術更亦發重要。本文陳述LTE標準於3GPP Release 9中之八種現行MIMO傳輸模式及波束成形技術的使用。

透視MIMO及波束成形

圖1　MIMO系統帶有m Tx及n Rx天線

以下分別探討MIMO與波束成形的技術，並進一步分析基地台天線所造成的影響。

MIMO影響資料傳遞

本文對MIMO的討論僅止於其於LTE傳輸的應用模式，MIMO系統被用來改善資料傳遞過程之強健性或增加資料傳速率。一個典型的MIMO系統包括數個發射與接收天線(圖1)。

簡單地說，接收器接收到訊號y，其為輸入訊號向量x乘上傳輸矩陣H後之結果。

傳輸矩陣H包含通道脈衝響應h_nm，其模擬了發射天線m與接收天線n間的通道效應。許多MIMO演算法即根據傳送矩陣H的特性分析。一個通道矩陣的維度即定義於H矩陣中彼此獨立之行與列的數目，這亦表示將有多少獨立的資料串能被同時傳送。

‧	傳送分集增加資料傳遞的強健性
	當相同資料透由多個天線來傳輸，就稱為傳送分集(Transmit Diversity)，此增加了訊號雜訊比。時空編碼(Space-Time Code)被用來產生額外的訊號。Alamouti為雙天線組合發展出的第一個編碼。如今，更多的編碼已被發展以針對兩組以上的雙天線。

‧	空間多工增加資料速輸速率
	空間多工(Spatial Multiplexing)增加資料傳輸速率。資料被分成不同的資料串，再透過相同的空中介面予以同時傳遞。傳輸內容包括特別的區段，亦稱為導向(Pilot)或參考(Reference)訊號，這些是接收器已知的訊號。

接收器可針對每個發射天線進行通道預測。在所謂閉迴路方法中，接收端透過特別回授通道回報通道狀態給發射端。如此可針對通道特性改變而進行快速回應，如多工資料串之數目調整。

當資料傳輸速率必須針對單一使用者進行提升，則稱做單一使用者MIMO(SU-MIMO)；當個別資料串必須被指定到許多使用者，這就稱為多使用者MIMO(MU-MIMO)。

剖析波束成形基礎

波束成形藉由適當地調整個別天線所傳遞訊號之大小與相位權重，以多個天線的方式去控制波前的方向，藉此可為基地台覆蓋邊緣的特定區域提供較好的涵蓋率。此原因在於陣列中的每一天線將對傳輸的訊號予以貢獻，如此即形成所謂陣列增益(Array Gain)，亦稱為定向波束成形增益(Beamforming Gain)。

圖2　個別天線距離為d的陣列天線。波前必須橫跨於兩個天線間之額外路徑為d＊sinθ。

透過接收波束成形，可決定波前將抵達的方向(Direction of Arrival, DoA)，而藉由對干擾方向源施以無效的波束模型(Beam Pattern)，則可對特定的干擾訊號達到抑制效果。

調整式波束成形(Adaptive Beamforming)是一種對移動中接收端施以連續波束的技術，這需要快速的訊號處理能力搭配強大的演算法則。

在圖2中，訊號的波前必須跨越額外路徑d＊sinθ到下一個天線。以光速c做考量，如此可計算出兩天線間之延遲。

對於每個天線，訊號S_i為：

這個近似值只在窄頻訊號時有效。若以向量式表示，則公式如下。其中，a為陣列引導向量(Array Steering Vector)。

圖3　8-element ULA之波束模型範例

圖3舉例說明一個對應到相同角度θ，帶有八個一致線性陣列(Uniform Linear Array, ULA)的陣列天線振幅響應。在這例子中，最大值來自於陣列抵達角度為零，即θ=0。

藉由調整個別天線上訊號的大小或相位權重，可達到波束成形之目的：

其中w是權重向量(Weight Vector)。訊號的權重化，使得其可以在發射與接收端方向被有效地強化，而同時在干擾源方向被破壞性消弭。

因為波束成形針對戶端設備(UE)於特定方位提供最佳訊號，找出對應之權重向量w為基本的步驟。有兩個基本方法可找出權重向量，然而它們也會影響陣列天線的排列；天線間之距離d亦為其中重要的因素。

‧	使用DoA決定權重
	如果UE的方位為已知，波束成形權重可據此做調整，以對此UE做傳輸最佳化。如此一來，特殊的演算法如MUSIC或ESPRIT，能於基地台中使用以定義出此UE訊號的DoA，而亦據此決定出它的方位。一致線性陣列(ULA)通常在這種情況下被採用，其天線間距離d是相同的且d≦λ/2。這類陣列可視為對空間的過濾(Spatial Filtering)及對訊號空間的取樣，就如Nyquist準則套用於對時間訊號的取樣，但這裡的距離必須滿足d≦λ/2以決定出DoA。

‧	使用通道預測來決定權重
	其他演算法則由通道預測以決定波束成形權重。例如，使用現存的訓練序列(Training Sequence)。在分時雙工(TDD)系統內，上行和下行訊號是在相同的頻率上，所以其擁有相同的通道特性。這是為什麼TDD系統不需要來自UE的回授，只要適當的上行訊號抵達基地台，即可開始進行通道之預測的原因。在TDD LTE的案例中，上行探測參考訊號(Uplink Sounding Reference Signal)即會被有效利用。

藉由簡單的雙天線陣列(Two-element Array)可顯示天線間之距離如何影響天線特性。隨著增加兩天線間的距離，旁波帶(Side Lobe)亦隨之上升。

基地台天線演進中

在上一段的描述中，天線陣列的幾何特性明顯影響其輻射特性，這裡將以基地台天線做進一步討論。

圖4　用於MIMO及Beamforming之不同正交極化基地台天線陣列

目前，傳統被動基地台天線大多由多個正交極化元素製成。在Y軸，數個元素組成以定義其照度(Illumination)，即涵蓋半徑(Cell Radius)。所有具相同極化的元素發射出相同訊號(如圖4左邊紅色天線所示)。而MIMO和波束成形之效果達成，則是正交極化元素隨X軸的縱列安排。

左側天線由兩個元素以90度的安排組成(正交極化)，每個「極化縱列」(左斜線或右斜線)各自代表一個不同訊號傳輸的天線元素。這使得單一天線組合能同時傳遞兩個不同訊號，如2×2 MIMO或傳輸分集(TX Diversity)。同樣地，居中的天線組合能發射四個獨立訊號(4×N MIMO)，而右邊的天線組合則可同時傳送八個獨立訊號(8×N MIMO)。

如圖4所示的天線也可用於波束成形，然而波束成形需要相關連的通道(Correlated Channel)，亦即相同極化的元素(+45度或-45度)必須同時使用，兩縱列間的距離不能太大，波束成形可由如圖4中間的天線布局，或右邊的布局來達成。

基地台天線結構目前仍在演進中，主動天線為重要的應用趨勢，其採取無接縫的波束成形整合概念，即根據所需之天線元素數量施以特定的收發單元。

了解LTE中傳輸模式及波束成形

以下從LTE概述、LTE下行鏈路的傳輸模式、3GPP Release 9測試要求三方面來加以探討。

LTE概述

從LTE的實體通道與訊號來說，LTE在下行上行均定義許多通道。對通道預測而言，下行參考訊號結構非常重要，其定義了對於一個天線、兩個天線及四個天線傳輸的訊號結構準則。時/頻域中特定的預設資源元素(Resource Element，或以Ro-3表示)夾帶著特定蜂巢基地台的參考訊號序列(Cell-specific Reference Signal Sequence)，一個資源元素代表著一個時域上正交頻分多工(OFDM)記號與一個頻域上的副載波(Subcarrier)的組合。

不同的訊號模式被用於波束成形。UE專屬的參考訊號(UE-specific Reference Signal)在這裡也被使用著。這些是必要的，因為只要波束成形被使用，每個UE的實體下行共享通道(Physical Downlink Shared Channel, PDSCH)會與不同的波束成形權重被一起傳遞出去，UE專屬參考權重訊號和PDSCH上的資料會藉由同一個波束成形權重予以傳送。

LTE TDD UE必須支援UE專屬參考訊號，尤其當它也有可能被LTE FDD UE所使用時。由於LTE TDD上下行訊號使用相同頻率，波束成形技術更為其所偏好採用。

UE專屬參考訊號亦使用於傳輸模式八(TM8)，因為相同的天線單元被使用在二個資料串流上，參考訊號必須要有不同的編碼以使得UE可以區分個別的資料流。

LTE下行鏈路的傳輸模式說明

在下行鏈路中，LTE使用MIMO的技術來達到高資料傳輸率。然而，其也提供其他可靠的技術，如傳送分集或單一輸入單一輸出(SISO)。在Release 9的規範中，則分別定義了基地台與UE於四根天線的應用。

Release 9同樣也支援波束成形，但在本例中基地台的天線數目並沒有被指定，而取決於實現的方式。八個天線單元的安排是合乎時宜的，其確保足夠的波束成形增益。

為保持UE的低複雜度，Release 8/9仍沒有將真實MIMO(True MIMO)指定在LTE的上行鏈路中，但這在先進長程演進計畫(LTE-Advanced)中將有所改變。LTE上行鏈路的接收波束成形(Receive Beamforming)在基地台的建置中能獨立運作，儘管如此，其尚無須因此而被標準化。

下行鏈路的各種情況均反應在不同的傳輸模式(TM)中，在Release 9中描述八種不同的傳輸模式，其解釋如表1所示。

‧	TM1-單一傳送天線(Single Transmit Antenna)
	這個模式只使用一個傳輸天線。

‧	TM2-傳送分集
	傳送分集是MIMO的預設模式，其透由不同天線來發送相同的訊息，每個天線的資料串流使用不同的編碼與不同頻率，這提高訊號雜訊比，並使整個傳輸更為強健。另外，在LTE中，傳送分集對某些傳輸模式而言，是個可靠的選擇，尤其當空間多工不能使用時，可作為備用選項。控制通道(Control Channel)，如實體廣播通道(PBCH)和實體下行控制通道(PDCCH)，也採用傳送分集作為訊號傳遞。對雙天線而言，Alamouti碼如空頻區塊碼(SFBC)為其所用；而對四根天線來說，則是結合SFBC及頻率交換傳送分集(OFSTD)的方式來實現MIMO。

‧	TM3-帶有CDD的開迴路空間多工
	為達到更高的資料傳輸率，該模式支援二到四層多工到個別二到四根天線。針對UE對通道現況的回覆，它在此部分的需求較少，而其通常應用於當通道資訊遺失或通道快速變化的情形下，即UE正以高速行進中。除Table 4所定義的預編碼(Precoding)外，此訊號通常在週期性延遲分集(Cyclic Delay Diversity, CDD)處理後被加到每根天線，從而以人工方式製造頻率分集(Frequency Diversity)。圖5顯示了CDD的原則。對於兩個發射天線，使用一個固定預編碼(如定義於表2中的碼書索引)；而四個天線，其預編碼是採循環切換(Cyclically Switched)。

圖5　TM3：帶有CDD之空間多工；個別副載波之人工化延遲。

‧	TM4-閉迴路空間多工
	為達到更高的資料傳輸率，該模式支援四層的空間多工到個別的四根天線(表2)。為實現接收端的通道預測，基地台透由不同資源單元(Resource Element, RE)及不同的時槽(Time Slot)發射基地台專屬(Cell-specific)參考訊號。UE則根據通道現況做出回應，回應內容包含哪個預編碼為所定義碼書(Defined Codebook)之首選。這可藉由碼書中定義的預編碼索引(Precoding Matrix Indicators, PMI)來達成；此帶有預編碼矩陣(Precoding Matrix)的表單為傳送雙方所已知。

‧	TM5-多使用者MIMO
	模式五相似於模式四，它使用的方式為碼書做基礎的閉路空間多工。而在這裡每一層有其專屬的UE。

‧	TM6-閉迴路空間多工使用單一傳輸層
	此模式為閉迴路空間多工(TM4)的特殊類型，相較於TM4，只有一層被使用(相當於1階)。UE執行完通道預測並將最合適的預編碼矩陣索引發送到基地台，基地台則透過所有天線埠傳送預編碼，表2的碼書在此被使用，但只有淺灰色部分。另外，針對不同的天線下之訊號基頻部分做預編碼，可產生波束成形效果(見圖6之雙天線)。四個傳輸天線將產生十六個波束成形圖，這個隱含的波束成形效果，可自模式七與八之典型的波束成形中分辨出來；而此二模式的目的在於直接影響天線場型，以改善特定區塊的基地台涵蓋。

圖6　TM6隱含波束成形針對雙天線之圖示，碼書索引0～3。

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TM7-波束成形，天線埠5

這個模式使用UE專屬參考訊號，資料本身及此參考訊號都使用相同的天線權重(Antenna Weighting)予以傳送。因為此時UE僅需要UE專屬訊號來做PDSCH的解調，其所接收到的資料似乎僅從一根天線而來，此UE無法得知發送天線的實際數目。因此，這個傳輸模式亦被稱為「單一天線埠；埠5」。此時的資料傳輸似乎僅從單一天線之虛擬埠5做傳送。若有不同的演算法則用以計算最佳化之波束成形權重(Beamforming Weighting)。例如，先決定所接收到上行訊號之方向(DoA)或抵達角度(AoA)，再據此計算出波束成形權重。然而，這需要一個個別天線單元距離滿足d≦λ/2的陣列天線。倘若角擴展(Angular Spread)不夠小或在DoA上沒有明顯的訊號來向，要決定這個DoA可能會很困難。另一可能替代方案，則是從通道預測來決定此一波束成形權重，因為上下行訊號在TD-LTE系統中使用相同的頻率，上行探測參考訊號可直接用來做通道的預測，再用以得到下行波束成形之權重。在此方案中，波束成形向量由通道預測決定，而不是從DoA的計算而來。由於波束成形技術的計算是基於對上行訊號的量測，使得對陣列天線與射頻(RF)前級(Frontend)的校正變成影響波束成形精準度的一個重要關鍵因素。除此之外，LTE並沒有具體指出波束成形技術參數的任何方法，其他方法如波束轉換(Beamswitching)也是可能。另外，天線數量與天線架構亦被留待爾後當實際執行中再做決定。

‧	TM8-雙層波束成形，天線埠7與8
	LTE波束成形之規格仍持續發展當中。當LTE Release 8定義波束成形一層，Release 9即定出雙層波束成形。這使得基地台須對天線端之二層分別權重，如此波束成形得以空間多工方式結合以針對一個或多個UE。如同在TM7中，UE專屬參考訊號(RS)，亦適用於這裡。如圖7所示，由於使用相同天線單元，參考訊號必須有不同編碼，如此UE才能正確區分。而由於使用了兩層，這兩層可以分配給一個UE(單用戶MIMO)，抑或被分配到兩個單獨的UE(多用戶MIMO)。

圖7　傳輸模式八參考訊號分布(天線埠7和8)

3GPP Release 9測試要求

UE的3GPP認證測試規範中包含大量關於不同MIMO模式下的功能測試與性能驗證。然而，只有少數測試提及傳輸模式7和8的波束成形。這在基地台測試中更是如此。

因為許多波束成形參數及演算法則並不在LTE內定義，只有極少數指定的測試與波束成形有直接關聯。以下從基地台測試和UE測試兩方面來加以說明：

‧	基地台測試
	沒有波束成形量測被特別定義於基地台的收發測試。基地台認證測試中僅定義發射器四根天線間之時間偏移(Time Offset)。

‧	UE測試
	針對UE的接收器，在TS36.521-1第8章節中，有定義幾個於MIMO架構下的功能測試。

有數個測試適用於特定用戶參考訊號(User-specific RS)的TDD模式，即波束成形TM7與8；然而，使用預編碼CB0～CB3之離散波束設定值是從碼書表中隨機挑選使用。UE必須在多重路徑衰減的條件下達到最低吞吐量(Throughput)。

總結來說，LTE Release 8定義了七種不同的傳輸模式。Release 9增訂了TM8與雙層波束成形。TM7和8使用一或兩層UE專屬參考訊號之典型波束成形技術。這些模式需要一個個別天線單元距離滿足d≦λ/2的陣列天線。UE的反饋在此是沒有必要的。不同的演算法則可用以最佳化權重。波束成形技術對TD-LTE來說是特別有吸引力的，此乃因為上下行訊號使用相同的頻率，所以通道互惠(Channel Reciprocity)在這裡亦發揮其功效。

(本文譯者任職於羅德史瓦茲)