第1章
多天线及波束赋形技术发展概述
| 1.3 多天线传输技术分类 |
1.3.1 闭环空间复用
1.3.2 开环空间复用
在某些场景中，信道状态信息的准确性与及时性可能难于保证，但是 MIMO 信道仍然能支持多个数据流的并行传输。这种情况下，如果闭环预编码已经无 法准确地匹配信道的变化，一般可以采用开环空间复用。所谓开环空间复用，是指预编码的计算不取决于信道状态信息的反馈。但是，并行传输的数据流数量，以及对各数据流的速率分配仍然需要根据 CSI 进行判断。
例如，LTE 的传输模式 3（TM3，Transmission Mode3）中使用的开环空间复用技术，其传输过程可以通过式（1-22）表示。
其中，U 矩阵和 D 矩阵的定义如表 1.1 所示。
发送的多个并行数据流通过三个线性变换映射到发射天线端口上。
- 首先通过 U 矩阵实现数据流的混合，相当于一种数据流之间的空间交 织，可以平衡各个数据流的传输质量。
- 然后通过 D 矩阵，在频域利用相位旋转实现 CDD（Cyclic Delay Diversity）。CDD 的工作原理将在 1.3.4 节中进行描述。
- 经过 U 矩阵和 D 矩阵的变换之后，信号向量的维度仍然与数据流的数量相同。例如，如果以前数据有两个数据流，那么经过 U 矩阵和 D 变换之后的数 据还是 2×1 的向量，但是基站可能有 4 个天线。这时候，还需要用一个 W 矩阵 做后一级的预编码，把两个数据层映射到 4 个天线端口上去。
需要说明的是，这个 W 并不是根据 UE 的反馈而选择的，而是按照一个固 定的顺序从码本中切换选择出来的，因此其预编码方式并不是用来匹配信道的。
TM3 的开环空间复用实际上是一种发射分集技术 CDD 和开环空间复用的 结合，可以用于信噪比较高且空间相关性较低的高速移动场景。
1.3.3 波束赋形
波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，通过调整天线阵列中每 个阵元的加权系数产生具有可控指向性的波束，从而能够获得阵列处理增益。 波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及抑制干扰等方面都有极大 的优势。波束赋形带来的空间选择性，使得波束赋形与 SDMA（Spatial Division Multiple Access）之间具有紧密的联系。实际系统中应用的波束赋形技术可能 具有不同的目标，如侧重于链路质量改善（用户吞吐量提高）或者针对多用户 问题（如小区吞吐量与干扰消除/避免）。
波束赋形实际上利用了波的干涉原理，例如，单个振动源在水中引起的波 纹在各个方向的振幅是各相同性衰减的，但是如果增加一个振动源，则两列波 之间将发生干涉现象，某些方向振幅增强，某些方向振幅减弱（振幅增强部分 的能量来自于振幅减弱部分）。利用光波，同样可以观测到由于波之间的干涉 而在不同方向产生的明暗条纹。
考虑两个保持一定间距的同极化方向的天线振子，由这两个阵元发出的波 之间会发生干涉现象，即某些方向振幅增强，某些方向振幅减弱。出现上述现 象的原因可由图 1.7 进行说明。假设观测点距离天线振子很远，可以认为两列 波到达观测点的角度是相同的。此时两列波的相位差 d·sin θ 将随观测角度 θ 的 变化而发生变化，在某些角度两列波同相叠加导致振幅增强，而在某些方向反 相叠加导致振幅减小。
因此如果能够根据信道条件，适当地控制每个阵元的加权系数，就有可能 在增强期望方向信号强度的同时，尽可能降低对非期望方向的干扰。波束赋形 的作用在于，通过对每个阵元的加权系数的调整，使波束赋形后的等效信道具 有可控的空间选择性。对于 TDD 系统，可以方便地利用信道的互易性，通过 上行信号估计信道或 DOA（Direction of Arrival）并用其计算波束赋形向量。对 于 FDD 系统，也可以通过上行信号估计 DOA 等长期统计信息并进行下行赋形。
在实际的多径传播环境中，由于信号到达接收机时要经过多次散射、反射， 每次反射和散射还会引起极化的偏转。从接收机的角度考虑，每个散射、反射 体也都可以被视为等效的虚拟天线阵元，而终到达接收机的信号是多条路径 的叠加。在这种情况下，可能不存在明确的波达方向，但是如果发射机能够获 得充分的信道状态信息，则仍然有可能通过对加权向量的选择实现增强期望信 号并抑制干扰的作用。
在波束赋形的技术中，阵元间距将对经过赋形后等效信道的选择性带来明 显的影响。在图 1.7 所示的模型中，假设观测位置发生了一个较小的角度偏移 θ Δ ，则相位差将变为 ( ) sind ϕ θθ Δ = ⋅ +Δ 。阵元间距越大，相位差随角度偏转 的变化就越大。或者说对于大间距天线阵，一个很小的角度偏转也能引起很大 的相位差的变化，从而信号的功率随角度变化比小间距天线阵更为剧烈。如图 1.8 所示，如果两个阵元间距不同的阵列采用相同的赋形算法分别对同一角度 赋形，那么在目标角度上得到的增益是相同的。不同的是，小间距天线阵的波瓣相对较宽，对于角度偏转不如大间距天线敏感，因此对信道的变化具有更高的顽健性。
从另外一个角度考虑，由于基站侧角度扩展相对较小，小间距天线阵不易 获得较高的 Rank，因此传统的波束赋形仅针对单流传输。大间距阵列天线一般 能够获得相对较高的 Rank，但是在多径环境中，其预编码效果对信道变化非常 敏感，因此只能适用于低速运动场景，而且预编码的频域颗粒度对其性能也会 带来较明显的影响。
下行 MU-MIMO 系统中，用户间的干扰抑制主要通过基站侧准确的调度和 波束赋形来实现，由于移动信道动态特性以及诸多非理想因素的存在，实际 的无线通信系统中更希望利用一种较为稳健的波束形态获取稳定的多用户传输增益。
此外，从图 1.8 中可以看出，大间距天线阵的波瓣较窄，收到的有效多径 功率较低，因此其输出 SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio）的方差较 低，具有更好的分集效果；而小间距天线由于波瓣较宽，接收到更多的多径分 量，因而其输出 SINR 的方差较大，分集效果较差。
需要说明的是，所谓的预编码或是波束赋形，从来都没有严格的定义和界 限。两者都是通过天线阵列的加权处理，产生具有特定空域分布特性的信号的 过程。从此意义上讲，两者是没有实质差别的。当然，人们对预编码和波束赋 形技术之间的区别与联系所产生的困惑，也是有一定的历史原因的。
- 波束赋形源自于阵列信号处理学术方向，比预编码概念的提出大概要早数 十年。在经典的阵列信号处理或早期的波束赋形方案中，出于避免相位模糊的考虑，一般都采用阵子间距不超过 0.5 个波长的阵列。这些早期波束赋形方案的目 标基本都是瞄准期望方向，同时对若干干扰方向形成零限（用于电子对抗或军事 通信）。它们考虑的主要是 LOS（Line of Sight）或接近 LOS 的场景。在民用移 动通信领域，从实现波束赋形的便利性角度考虑，TDD 系统有着较为天然的互 易性优势，因此早期普遍认为波束属于一项 TDD 专属技术。尤其是 TD-SCDMA （Time Division Synchronous Code Division Multiple Access）中率先大范围使用了 波束赋形，更是留下了波束赋形即 TDD 技术的口实。
- 在多天线系统中，“预编码”是十几年前 MIMO 兴起之后的概念，实质 上也不是新鲜事物。由于在低相关、高空间*度场景中，MIMO 信道容量的 优势才能得以体现，因此针对 MIMO 中的预编码的研究（尤其是早期）更多地 偏重于大间距天线以及 NLOS（Non-LOS）的情况。当然，这也是由于小间距 天线阵在 LOS 场景中的应用在阵列信号处理领域已经进行过较为充分的研究 （此点也从侧面印证了预编码和波束赋形之间的联系）。从实现的角度出发， 优化的预编码需要发送端确知 CSI，这对于 TDD 系统较为便利，但是对于 FDD 系统则成了重要障碍。因此，对 TDD 的预编码，相对而言的研究点较少（互 易性非理想、校准等），尤其是基于互易性假设的空域预处理在波束赋形这个 阶段已经有很多成形的研究。但是对 FDD 的预编码，无论从技术实现还是标准 化，都有很多值得挖掘的问题。因此，针对 MIMO 中的预编码的研究初期，基 于有限反馈（码本）的预编码技术很快就成了关注的焦点，而 LTE 中对 MIMO 技术的标准化浪潮更是进一步推动了该技术的发展。
在这种情况下，早期 LTE 标准化领域中逐渐形成了一种非正式的惯例。
- 预编码就是基于公共参考信号的（LTE Rel-8 中，基于公共参考信号的 传输方案主要是针对 FDD 设计的，当然 TDD 也可以使用）。
- 基于专用参考信号的传输则称为波束赋形（LTE Rel-8 中，这种传输方 式主要是为 TDD 设计的）。
但是这种非正式的划分随着 LTE MIMO 技术标准化的演进，已经趋于消 失。LTE Rel-9 正是此变化的转折点，因为从 TM8 开始（直至后续的所有 TM）， 无论 FDD 还是 TDD 都采用基于专用参考信号的传输方式。尽管 TM8 还被习惯 性地称为双流波束赋形，但是从 TM9 开始，一般不会再去强调基于专用参考信 号的传输到底是波束赋形还是预编码。
从标准化和实践两方面考虑，无论用于 TDD/FDD、大间距/小间距阵列、 基于码本/互易性反馈，在 LTE 后续版本及 NR MIMO 中普遍采用的基于专用 参考信号进行传输的框架中，波束赋形和预编码的差异或许仅仅体现在算法的 称谓上。