多輸入多輸出(MIMO)技術在第三代合作夥伴計畫(3GPP)E-UTRA長期演進計畫(LTE)中是不可或缺的，而MIMO中的波束成形也廣泛應用在LTE中。
LTE波束成形簡介
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有無線區域網路(WLAN)、全球微波存取互通介面(WiMAX)和全球通用行動通訊系統(UMTS)LTE，波束成形對於分時多工(TDD)模式的LTE尤其重要。
以下將針對行動裝置(UE)量測做說明；這些測試儀器廣泛地應用於波束成形與相位的量測，可提供使用者相當彈性的設置與升級舊有的測試系統。
LTE波束成形技術應用於行動裝置內，波束成形的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是測試應用的重點(圖1)。
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| 圖1 行動裝置接收基地台傳輸無線電波方塊圖 |
行動裝置接收機測試
雖然波束成形技術是基地台的功能，行動通訊裝置端還是必須想辦法解讀波束成形訊號，SMx可提供一個預設的測試訊號，其規格符合且高於TS26.521-1規範中第8.3章的定義，除了要預編碼外，SMU向量訊號產生器還可以提供即時衰減(Real Time Fading)(根據規範預定的定義)、設定MIMO Fading(2×2或4×4)以及模擬AWGN。
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| 圖2 行動裝置接收機雙天線測試方塊圖 |
一台SMU可用來模擬雙天線輸入，而兩台串接的SMU則可以模擬四天線，圖2為一部SMU的設置，四天線設置則須串接兩台SMU。
虛擬天線連接埠
根據蜂巢式的配置之標準定義虛擬天線(天線連接埠)：連接埠03為Cell-specific Reference Signals(CS-RS)、連接埠4為MBSFN-RS、連接埠5是UE-specific Reference Signals(DM-RS)如單一傳輸層(TM 7)、連接埠6為Positioning Reference Signals(PRS)、連接埠78為UE-specific Reference Signals(DM-RS)如雙傳輸層(TM 8)。
基地台中實體天線數量並未被定義，然而會有一個最小數量，實體天線數量至少等於或大於傳輸層的層數，因此四傳輸層至少需要四支實體天線。
SMU在R9可以模擬四天線(四支實體天線須搭配兩台SMU)，也就是將SMU的四個天線連接埠視為實體射頻(RF)連接埠，因此就波束成形模式TM 7與TM 8，AP 5或AP 7/8必須對應到SMU上的實體RF連接埠。
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| 圖3 SMU天線數量設定與個別基頻訊號設定 |
在General DL Settings中，在PDSCH Scheduling欄位設定Auto/DCI(下行控制指標)，可以讓波束成形設定更容易調整(更多詳細選項)，而PDSCH參數自動被定義，這些設定在PDSCH中即時被傳送，也可以在Global MIMO Configuration中設定模擬天線個數，最多可以設定四天線，接著單一或兩台SMU中個別的基頻訊號分別產生訊號給各個天線(圖3)。
在Frame Configuration中，選擇Configure User，可以增加相關波束成形的訊息，設定欲傳輸的模式(TM 7或TM 8)，如圖4~5所示。縱使TM 7與TM 8基本在操作步驟上相同，仍然在後面兩節分開討論。
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| 圖4 SMU Frame Configuration設定 |
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| 圖5 Configure User中設定傳輸模式：TM 7與TM 8為波束成形 |
採用傳輸模式7
SMU在TM 7波束成形中產生相關的參考訊號(DM-RS)，將單一傳輸層分派給雙天線或四天線，虛擬天線連接埠(AP 5)則根據實體天線來分配。
選擇Auto/DCI模式後，控制頻道PDCCH須做額外的設定，選擇Configure PCFICH，PHICH與PDCCH來做設定，螢幕底下列出PDCCH的設定(圖6)，TM 7定義DCI Format 1A為1，單一AP 5在此設定DCI Format為1。
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| 圖6 TM 7之PDCCH DCI Format設定：DCI Format 1 |
資料以選定的DCI Format傳送，PDSCH可以更進一步選擇Config Content做設定，傳送的位元樣式能夠從底下的Data欄位解讀(圖7)，資源單位(RBs)的數量及位置可以藉由Resource Block Assignment進行設定，而調變方式能夠在Modulation and Coding Scheme中做設定。
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| 圖7 TM 7中DCI Format 1設置範例 |
在Auto/DCI模式下，PDSCH設定根據圖8自動被填入，而在Timeplan中用來設定希望顯示的設定(圖9)。
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| 圖8 Auto/DCI模式下PDSCH自動被指派定義(定義好的PDSCH資料來源設定為User 1，在此範例中Resource Block Assignment設為1，Modulation and Coding Scheme(MCS 0)設為0，一個RB被指派偏移37 RBs與QPSK調變) |
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| 圖9 Auto/DCI模式下OFDMA Timeplan參數被自動定義 |
各個天線實際的分布(權重)可以在Antenna Mapping中個別設定(圖10)。
在Antenna Mapping中點選Config可以選擇編輯Codebook、隨機(Random)Codebook、固定權重等三種不同的測試模式(圖1114)，在Mapping Coordinates中可以選擇的欄位是根據General DL Settings(圖3)裡天線數量而決定的。
使用傳輸模式8
SMU在TM 8波束成形中產生相關的參考訊號(DM-RS)，將雙傳輸層分派給雙天線或四天線，虛擬天線連接埠(AP 7或AP 8)根據實體天線來分配。每個傳輸層可以給一個(單一傳輸層多使用者波束成形)或兩個(雙傳輸層波束成形)行動裝置使用。
選擇Auto/DCI模式後，控制頻道PDCCH須做額外的設定，選擇Configure PCFICH，PHICH與PDCCH來做設定，螢幕底下列出PDCCH的設定(圖6)，TM 8定義DCI Format 1A與2B，在此設定DCI Format為2B。
在單一使用者使用雙傳輸層波束成形的情況下，雙傳輸層都使用波束成形技術分派給單一行動裝置(使用者)，如圖1516所示。
資料以選定的DCI Format傳送，PDSCH可以更進一步選擇Config Content來設定，傳送的位元樣式可從底下Data欄位解讀(圖17)，RBs的數量及位置可藉由Resource Block Assignment來設定，而調變方式可以在Modulation and Coding Scheme中設定。雙傳輸層能夠個別分開設定(Transport Block 1設為第一傳輸層，而Transport Block 2設為第二傳輸層)。
在Auto/DCI模式下，PDSCH設定根據圖18自動被填入，而在Timeplan中可設定希望顯示的設定。雙傳輸層波束成形模式在此可以看到其設定(圖18中2.1與2.2)。
各個天線實際的分布(權重)可以在Antenna Mapping中個別設定。而在Antenna Mapping中點選Config，可以選擇編輯三種不同的測試模式，在Mapping Coordinates中可以選擇的欄位是根據General DL Settings(圖3)裡天線數量而決定。
如果是在多個使用者使用雙傳輸層波束成形的情況下，不同的傳輸層則可提供給多個行動裝置(使用者)如同多用戶(MU)MIMO。首先兩個使用者必須在Configure User中設定UE ID(圖19)。
兩個使用者仍然可以被新增到PDCCH設定中，而在此選用DCI Format 2B(圖20)。
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| 圖20 TM 8兩個行動裝置之PDCCH DCI Format設定：DCI Format 2B |
資料以選定的DCI Format傳送，PDSCH可以更進一步選擇Config Content來設定，傳送的位元樣式能夠從底下Data欄位解讀，RBs的數量及位置可以藉由Resource Block Assignment來設定，而調變方式可以在Modulation and Coding Scheme中設定。由於在此多使用者模式，將兩個使用者設定Redundancy Version為1(圖21)，而AP 7與AP 8設定不同的New Data Indicator來區隔(圖22~23)。總結來說，權重的設定可以參考單一使用者模式。
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| 圖21 TM 8中多使用者DCI Format 2B設置範例：設定Redundancy Version為1，開啟New Data Indicator |
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| 圖22 多使用者使用雙傳輸層波束成形技術使用不同的天線連接埠設定 |
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| 圖23 Auto/DCI多使用者波束成形模式下PDSCH自動被指派定義(定義好的PDSCH資料來源設定為User 1與User 2，在此範例中Resource Block Assignment設為1，Modulation and Coding Scheme(MCS 0)設為0，一個RB被指派偏移37 RBs與QPSK調變)，兩個獨立的傳輸層，自動指派給多個使用者。 |
採行SISO+波束成形
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| 圖24 SISO波束成形的設定：單一天線產生Cell-specific Reference Signals，只有PDSCH接收到不同的相位。 |
除了波束成形模式外，SMU也允許波束成形是以單一輸入單一輸出(SISO)的形式發射，當訊號以這樣的模式下產生，天線模擬的Path A與Path B並不適MIMO天線，訊號在輸出端是具有同樣的SISO訊號，有著同樣的Cell-specific Reference Signals，只有傳送使用者定義相位差的PDSCH，根據TS36.521-1第8.3.2.1.1節中SISO+BF模式須要被測試(圖24)。
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| 圖25 RRH上行訊號測試方塊圖 |
產生相位同步訊號
訊號產生器SMx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)。
Remote Radio Heads測試
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| 圖26 RRH下行訊號測試方塊圖 |
測試可以針對整個基地台抑或是單一Remote Radio Head(RRH)，一般而言，基頻訊號與RRH間的溝通是使用數位的Common Public Radio Interface(CPRI)，如圖25~26所示。羅德史瓦茲(R&S)使用EX-IQ-Box數位訊號介面模組來支援此類的格式，EX-IQ-Box讓SMx與FSx透過CPRI介面進行量測，EX-IQ-Box並且也能夠很彈性地進行資料錄放的功能(圖27)。
EX-IQ-Box模擬基頻訊號測試，RF訊號測試與發射就如同基地台測試、下行訊號模擬使用ARB檔案來播放(例如使用WinIQSIM2)，可以平行使用EX-IQ-Box播放四個檔案，因此可傳送四個基頻訊號給RRH做測試。而上行訊號可以使用EX-IQ-Box做紀錄。
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| 圖27 RRH測試設置：雙向CPRI控制與EX-IQ-Box獨立控制操作 |
(本文作者任職於羅德史瓦茲)