第1章
多天線及波束賦形技術發展概述
| 1.3 多天線傳輸技術分類 |
1.3.1 閉環空間複用
1.3.2 開環空間複用
在某些場景中，信道狀态資訊的準确性與及時性可能難于保證，但是 MIMO 信道仍然能支援多個資料流的并行傳輸。這種情況下，如果閉環預編碼已經無 法準确地比對信道的變化，一般可以采用開環空間複用。所謂開環空間複用，是指預編碼的計算不取決于信道狀态資訊的回報。但是，并行傳輸的資料流數量，以及對各資料流的速率配置設定仍然需要根據 CSI 進行判斷。
例如，LTE 的傳輸模式 3（TM3，Transmission Mode3）中使用的開環空間複用技術，其傳輸過程可以通過式（1-22）表示。
其中，U 矩陣和 D 矩陣的定義如表 1.1 所示。
發送的多個并行資料流通過三個線性變換映射到發射天線端口上。
- 首先通過 U 矩陣實作資料流的混合，相當于一種資料流之間的空間交 織，可以平衡各個資料流的傳輸品質。
- 然後通過 D 矩陣，在頻域利用相位旋轉實作 CDD（Cyclic Delay Diversity）。CDD 的工作原理将在 1.3.4 節中進行描述。
- 經過 U 矩陣和 D 矩陣的變換之後，信号向量的次元仍然與資料流的數量相同。例如，如果以前資料有兩個資料流，那麼經過 U 矩陣和 D 變換之後的數 據還是 2×1 的向量，但是基站可能有 4 個天線。這時候，還需要用一個 W 矩陣 做後一級的預編碼，把兩個資料層映射到 4 個天線端口上去。
需要說明的是，這個 W 并不是根據 UE 的回報而選擇的，而是按照一個固 定的順序從碼本中切換選擇出來的，是以其預編碼方式并不是用來比對信道的。
TM3 的開環空間複用實際上是一種發射分集技術 CDD 和開環空間複用的 結合，可以用于信噪比較高且空間相關性較低的高速移動場景。
1.3.3 波束賦形
波束賦形是一種基于天線陣列的信号預處理技術，通過調整天線陣列中每 個陣元的權重系數産生具有可控指向性的波束，進而能夠獲得陣列處理增益。 波束賦形技術在擴大覆寫範圍、改善邊緣吞吐量以及抑制幹擾等方面都有極大 的優勢。波束賦形帶來的空間選擇性，使得波束賦形與 SDMA（Spatial Division Multiple Access）之間具有緊密的聯系。實際系統中應用的波束賦形技術可能 具有不同的目标，如側重于鍊路品質改善（使用者吞吐量提高）或者針對多使用者 問題（如小區吞吐量與幹擾消除/避免）。
波束賦形實際上利用了波的幹涉原理，例如，單個振動源在水中引起的波 紋在各個方向的振幅是各相同性衰減的，但是如果增加一個振動源，則兩列波 之間将發生幹涉現象，某些方向振幅增強，某些方向振幅減弱（振幅增強部分 的能量來自于振幅減弱部分）。利用光波，同樣可以觀測到由于波之間的幹涉 而在不同方向産生的明暗條紋。
考慮兩個保持一定間距的同極化方向的天線振子，由這兩個陣元發出的波 之間會發生幹涉現象，即某些方向振幅增強，某些方向振幅減弱。出現上述現 象的原因可由圖 1.7 進行說明。假設觀測點距離天線振子很遠，可以認為兩列 波到達觀測點的角度是相同的。此時兩列波的相位差 d·sin θ 将随觀測角度 θ 的 變化而發生變化，在某些角度兩列波同相疊加導緻振幅增強，而在某些方向反 相疊加導緻振幅減小。
是以如果能夠根據信道條件，适當地控制每個陣元的權重系數，就有可能 在增強期望方向信号強度的同時，盡可能降低對非期望方向的幹擾。波束賦形 的作用在于，通過對每個陣元的權重系數的調整，使波束賦形後的等效信道具 有可控的空間選擇性。對于 TDD 系統，可以友善地利用信道的互易性，通過 上行信号估計信道或 DOA（Direction of Arrival）并用其計算波束賦形向量。對 于 FDD 系統，也可以通過上行信号估計 DOA 等長期統計資訊并進行下行賦形。
在實際的多徑傳播環境中，由于信号到達接收機時要經過多次散射、反射， 每次反射和散射還會引起極化的偏轉。從接收機的角度考慮，每個散射、反射 體也都可以被視為等效的虛拟天線陣元，而終到達接收機的信号是多條路徑 的疊加。在這種情況下，可能不存在明确的波達方向，但是如果發射機能夠獲 得充分的信道狀态資訊，則仍然有可能通過對權重向量的選擇實作增強期望信 号并抑制幹擾的作用。
在波束賦形的技術中，陣元間距将對經過賦形後等效信道的選擇性帶來明 顯的影響。在圖 1.7 所示的模型中，假設觀測位置發生了一個較小的角度偏移 θ Δ ，則相位差将變為 ( ) sind ϕ θθ Δ = ⋅ +Δ 。陣元間距越大，相位差随角度偏轉 的變化就越大。或者說對于大間距天線陣，一個很小的角度偏轉也能引起很大 的相位差的變化，進而信号的功率随角度變化比小間距天線陣更為劇烈。如圖 1.8 所示，如果兩個陣元間距不同的陣列采用相同的賦形算法分别對同一角度 賦形，那麼在目标角度上得到的增益是相同的。不同的是，小間距天線陣的波瓣相對較寬，對于角度偏轉不如大間距天線敏感，是以對信道的變化具有更高的頑健性。
從另外一個角度考慮，由于基站側角度擴充相對較小，小間距天線陣不易 獲得較高的 Rank，是以傳統的波束賦形僅針對單流傳輸。大間距陣列天線一般 能夠獲得相對較高的 Rank，但是在多徑環境中，其預編碼效果對信道變化非常 敏感，是以隻能适用于低速運動場景，而且預編碼的頻域顆粒度對其性能也會 帶來較明顯的影響。
下行 MU-MIMO 系統中，使用者間的幹擾抑制主要通過基站側準确的排程和 波束賦形來實作，由于移動信道動态特性以及諸多非理想因素的存在，實際 的無線通信系統中更希望利用一種較為穩健的波束形态擷取穩定的多使用者傳輸增益。
此外，從圖 1.8 中可以看出，大間距天線陣的波瓣較窄，收到的有效多徑 功率較低，是以其輸出 SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）的方差較 低，具有更好的分集效果；而小間距天線由于波瓣較寬，接收到更多的多徑分 量，因而其輸出 SINR 的方差較大，分集效果較差。
需要說明的是，所謂的預編碼或是波束賦形，從來都沒有嚴格的定義和界 限。兩者都是通過天線陣列的權重處理，産生具有特定空域分布特性的信号的 過程。從此意義上講，兩者是沒有實質差别的。當然，人們對預編碼和波束賦 形技術之間的差別與聯系所産生的困惑，也是有一定的曆史原因的。
- 波束賦形源自于陣列信号處理學術方向，比預編碼概念的提出大概要早數 十年。在經典的陣列信号處理或早期的波束賦形方案中，出于避免相位模糊的考慮，一般都采用陣子間距不超過 0.5 個波長的陣列。這些早期波束賦形方案的目 标基本都是瞄準期望方向，同時對若幹幹擾方向形成零限（用于電子對抗或軍事 通信）。它們考慮的主要是 LOS（Line of Sight）或接近 LOS 的場景。在民用移 動通信領域，從實作波束賦形的便利性角度考慮，TDD 系統有着較為天然的互 易性優勢，是以早期普遍認為波束屬于一項 TDD 專屬技術。尤其是 TD-SCDMA （Time Division Synchronous Code Division Multiple Access）中率先大範圍使用了 波束賦形，更是留下了波束賦形即 TDD 技術的口實。
- 在多天線系統中，“預編碼”是十幾年前 MIMO 興起之後的概念，實質 上也不是新鮮事物。由于在低相關、高空間自由度場景中，MIMO 信道容量的 優勢才能得以展現，是以針對 MIMO 中的預編碼的研究（尤其是早期）更多地 偏重于大間距天線以及 NLOS（Non-LOS）的情況。當然，這也是由于小間距 天線陣在 LOS 場景中的應用在陣列信号處理領域已經進行過較為充分的研究 （此點也從側面印證了預編碼和波束賦形之間的聯系）。從實作的角度出發， 優化的預編碼需要發送端确知 CSI，這對于 TDD 系統較為便利，但是對于 FDD 系統則成了重要障礙。是以，對 TDD 的預編碼，相對而言的研究點較少（互 易性非理想、校準等），尤其是基于互易性假設的空域預處理在波束賦形這個 階段已經有很多成形的研究。但是對 FDD 的預編碼，無論從技術實作還是标準 化，都有很多值得挖掘的問題。是以，針對 MIMO 中的預編碼的研究初期，基 于有限回報（碼本）的預編碼技術很快就成了關注的焦點，而 LTE 中對 MIMO 技術的标準化浪潮更是進一步推動了該技術的發展。
在這種情況下，早期 LTE 标準化領域中逐漸形成了一種非正式的慣例。
- 預編碼就是基于公共參考信号的（LTE Rel-8 中，基于公共參考信号的 傳輸方案主要是針對 FDD 設計的，當然 TDD 也可以使用）。
- 基于專用參考信号的傳輸則稱為波束賦形（LTE Rel-8 中，這種傳輸方 式主要是為 TDD 設計的）。
但是這種非正式的劃分随着 LTE MIMO 技術标準化的演進，已經趨于消 失。LTE Rel-9 正是此變化的轉折點，因為從 TM8 開始（直至後續的所有 TM）， 無論 FDD 還是 TDD 都采用基于專用參考信号的傳輸方式。盡管 TM8 還被習慣 性地稱為雙流波束賦形，但是從 TM9 開始，一般不會再去強調基于專用參考信 号的傳輸到底是波束賦形還是預編碼。
從标準化和實踐兩方面考慮，無論用于 TDD/FDD、大間距/小間距陣列、 基于碼本/互易性回報，在 LTE 後續版本及 NR MIMO 中普遍采用的基于專用 參考信号進行傳輸的架構中，波束賦形和預編碼的差異或許僅僅展現在算法的 稱謂上。
1.3.4 發射分集