【導(dǎo)讀】自很早以前開始，多天線技術(shù)便已在移動無線系統(tǒng)中得到使用。在早期的基站發(fā)射和車載移動臺接收時期，大蜂窩小區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中多路徑傳播會產(chǎn)生選擇性衰落，因而影響到信號質(zhì)量，特別是在市區(qū)內(nèi)這樣的問題更加嚴(yán)重。以往的辦法是使用基站發(fā)射和車載接收機(jī)天線分集來解決這個問題。
隨著手機(jī)變得越來越小，車載通信裝置經(jīng)過簡化而開始采用藍(lán)牙音頻連通性技術(shù)，移動設(shè)備中的接收分集已經(jīng)逐漸淘汰。不過，這一趨勢很快將發(fā)生變化：最新的無線局域網(wǎng)實施使用了多天線空間流，能夠增加發(fā)射帶寬和速度。隨著實施這一先進(jìn)技術(shù)的低成本硬件的問世，首次發(fā)布的 3GPP LTE（第三代合作伙伴計劃長期演進(jìn)）標(biāo)準(zhǔn)，特別是其 TDD（時分雙工）版本已經(jīng)提議并實施了各種多天線技術(shù)。
再次說明一下，基礎(chǔ)的無線信道使用的是單路發(fā)射和單路接收天線，稱為 SISO（單路輸入單路輸出）。這種簡單的無線信道設(shè)定了信號傳輸性能的基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上可以對所有更復(fù)雜的傳輸配置進(jìn)行測量。
SIMO（單路輸入多路輸出）提供了比 SISO 基準(zhǔn)更大的接收天線冗余，支持在接收機(jī)中使用接收分集技術(shù)，例如最大比合并等。這可以改善在設(shè)備接收機(jī)上觀測到的 SINR，并有助于改善信道衰落條件下的性能。
MISO（多路輸入單路輸出）提供發(fā)射天線冗余，像在 LTE 情況中一樣，支持使用Alamouti符號編碼或空頻分組編碼（SFBC）等發(fā)射分集技術(shù)。與 SIMO 一樣，這也可以改善在設(shè)備接收機(jī)上觀測到的 SINR，并可幫助提供保護(hù)，防止信道衰落。
無論是 SIMO 還是 MISO 都不能提高數(shù)據(jù)吞吐量，但它們可以降低誤碼率，從而減少需要重發(fā)的數(shù)據(jù)量。
MIMO（多路輸入多路輸出）提供額外的發(fā)射和接收天線冗余。如果將相同的數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)射天線，這一冗余可用來改善上面所述使用相同發(fā)射和接收分集技術(shù)的設(shè)備接收機(jī)上的 SINR。或者可以犧牲部分或全部可能的 SINR 性能改善，以便獲得更高的頻譜效率。空間多路復(fù)用發(fā)射技術(shù)（使用發(fā)射天線發(fā)送獨立數(shù)據(jù)流）可以為單一用戶提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量（SU-MIMO 或單用戶 MIMO），或增加系統(tǒng)蜂窩小區(qū)容量（MU-MIMO 或多用戶 MIMO）。
除了這些分集和空間多路復(fù)用技術(shù)之外，還可以使用多天線配置將發(fā)射或接收集中在特定方向上。這種技術(shù)稱為波束賦形，取決于具體應(yīng)用，可以采用固定波束賦形或可變波束賦形，并能夠改善系統(tǒng)性能。波束賦形技術(shù)可在許多不同頻率的應(yīng)用中使用，包括聲納和地震學(xué)、聲學(xué)、無線通信、射電天文學(xué)和雷達(dá)等。
總之，無論何時從兩個或更多個空間分離的發(fā)射點發(fā)送相同的信號，都會出現(xiàn)干擾方向圖。發(fā)射波束賦形就是利用這種干擾方向圖進(jìn)行工作的。無論何時利用波束賦形技術(shù)從兩個或更多個空間分離的接收點接收相同的信號，都可使用同樣的原則。
舉一個簡單的例子，當(dāng)使用單個全向天線發(fā)射射頻無線信號時，產(chǎn)生的信號相對場強(qiáng)如圖 1 (a) 中的藍(lán)色實線所示。
為了能夠發(fā)射波束賦形信號，需要添加另一個同樣的全向天線陣元，與第一個天線陣元距離間隔半個射頻載波波長，見圖1 (b)。在此例中，兩個天線陣元都傳輸待發(fā)射信號信息符號的相同副本。我們可以立即看到，在大約 0°方位角的方向上發(fā)生了相長（同相）干擾，合并后的場強(qiáng)增加，在這個方向上產(chǎn)生有效相干信號功率增益。相反，在大約 +/-90° 的方向上會發(fā)生相消（異相）干擾，合并后的場強(qiáng)會降低或衰減。
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在同一個軸上與前兩個天線陣元間隔半個射頻載波波長的位置上添加第三個天線陣元，可改善合并后相對場強(qiáng)的空間選擇性，見圖1 (c)。在我們的例子中，天線單元經(jīng)過同極化、相關(guān)，并沿著單一天線陣元軸向均勻分隔，構(gòu)成了一個均勻線性陣列（ULA）天線系統(tǒng)。在相對 ULA 寬邊為 0° 的方向上的單一主瓣信息清晰可見。在這個方向上會發(fā)生最大相長（或同相）干擾，在合并后的場強(qiáng)波束方向圖中產(chǎn)生最大的功率增益。現(xiàn)在我們可以看到兩個不同的功率衰減零點（null）的信息，主瓣一側(cè)位于 +/-42 ° 方位角上。這兩個最小功率位置表示在合并后的場強(qiáng)波束方向圖中發(fā)生了最大相消（或異相）干擾的方位方向。
圖1. ULA 波束賦形實例
圖中文字中英對照
最后向 ULA 添加第 4 個天線陣元可進(jìn)一步改善主瓣選擇性，見圖1(d)。功率零點的數(shù)量也從兩個增加到三個。兩個零點現(xiàn)在位于 +/-30° 方位角，第三個位于 ULA 天線軸線上。現(xiàn)在，兩個不同功率旁瓣的信息清晰可見，位于 +/-50° 方位角處。兩個旁瓣的功率電平都低于主瓣。
最終的波束方向圖不僅由 ULA 物理幾何形狀和陣元間距決定，還受到每個天線陣元上發(fā)射的每個信息符號副本所接受的相對幅度和相位加權(quán)的影響。
這可以通過在四個天線陣元中的每一個上引入 +90° 相對相移來證明。結(jié)果是主波束位置從 0° 方位角轉(zhuǎn)移到 -30° 方位角，如圖1(e) 所示。請注意，零位和旁瓣位置還受新加權(quán)值的影響。
通過精心設(shè)計波束賦形天線陣列的幾何形狀，再加上精確控制對每個天線陣元所應(yīng)用的相對幅度和相位加權(quán)，不僅可以控制主瓣功率傳輸?shù)倪x擇性形狀和方位方向，還可以控制功率零點方位位置和旁瓣電平。
讓我們現(xiàn)在單獨考慮添加額外的天線陣元對在目標(biāo)設(shè)備接收機(jī)上觀測到的結(jié)果波束方向圖的有效功率增益的影響。
圖1(b) 顯示了添加另一個天線陣元的過程。該天線陣元與第一個天線陣元發(fā)射完全相同的符號副本。在此例中，相長（同相）信號之和將會導(dǎo)致位于 0° 方位角主波束位置處的目標(biāo)設(shè)備接收機(jī)觀測到相干功率增益增加 6 dB。因此，如果沒有應(yīng)用歸一化，圖1繪圖(b)雙天線實例中的主瓣最大值理論上將是繪圖 (a) 單天線實例中的主瓣最大值的兩倍。
這個6 dB相干增益改善可被視為由于使用兩個空間分離的天線陣元，與單天線發(fā)射相比在目標(biāo)設(shè)備接收機(jī)上觀測到的波束賦形增益改善。
實際上，在兩個天線陣元中的每個上發(fā)射的符號功率電平都可能降低 3 dB，達(dá)到初始單天線符號功率電平的一半，保持與單天線配置相同的總發(fā)射機(jī)功率。雖然如此，這仍會導(dǎo)致在目標(biāo)設(shè)備接收機(jī)上觀測到波束賦形與單天線發(fā)射相比有 3 dB 的增益。
使用多天線波束賦形發(fā)射，由于結(jié)合了波束賦形選擇性、干擾管理和相干信號增益等多種優(yōu)勢，對于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)非常有吸引力。
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圖 2. 波束賦形術(shù)語
圖中文字中英對照我們總結(jié)了一些重要的方面和術(shù)語，用于描述圖 2 中的波束賦形發(fā)射：
•主瓣：主要的最大發(fā)射功率瓣，通常指向目標(biāo)設(shè)備或發(fā)射路徑（該發(fā)射路徑將通過在無線傳播信道中進(jìn)行反射到達(dá)目標(biāo)設(shè)備）。
•旁瓣：次要的功率發(fā)射瓣，有可能對服務(wù)小區(qū)或鄰近小區(qū)中的其他用戶設(shè)備產(chǎn)生多余的干擾。
•功率零點：發(fā)射波束方向圖中功率最小的位置，系統(tǒng)可以選擇使用和控制該位置，以減少對服務(wù)小區(qū)或鄰近小區(qū)中設(shè)備的干擾。
•主波瓣寬度（Φ）：主瓣發(fā)射選擇性，在主瓣兩個 3 dB 點上方位角寬度的測量結(jié)果。
•主瓣至旁瓣的電平：預(yù)期主瓣發(fā)射功率相對于多余旁瓣發(fā)射功率的選擇性功率差。
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在現(xiàn)代無線蜂窩通信系統(tǒng)中，一個最大的挑戰(zhàn)是蜂窩小區(qū)邊緣性能。這是波束賦形技術(shù)在提供 LTE 業(yè)務(wù)方面能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用的主要原因。圖 3 顯示了兩個實際的情景示例，它們均利用了波束賦形的先進(jìn)特性以改善現(xiàn)代蜂窩無線通信系統(tǒng)中的性能。
圖 3 (a) 為兩個相鄰的蜂窩小區(qū)，每個蜂窩小區(qū)都與位于兩個蜂窩小區(qū)之間邊界上的單獨用戶設(shè)備進(jìn)行通信。此圖顯示，eNB1 正在與目標(biāo)設(shè)備 UE1 通信，eNB1 發(fā)射使用波束賦形來最大限度提高 UE1 方位方向中的信號功率。同時，我們還可看到，eNB1 正嘗試通過控制 UE2 方向中的功率零點位置，最大限度地減少對 UE2 的干擾。同樣，eNB2 正使用波束賦形最大限度提高其在 UE2 方向上的發(fā)射接收率，同時減少對 UE1 的干擾。在此情景中，使用波束賦形顯然能夠為蜂窩小區(qū)邊緣用戶提供非常大的性能改善。必要時，可以使用波束賦形增益來提高蜂窩小區(qū)覆蓋率。
圖 3 (a).用于蜂窩小區(qū)邊緣性能改善的波束賦形
圖 3 (b).用于使用 MU-MIMO 進(jìn)行蜂窩小區(qū)容量改善的波束賦形
圖3(b)描述了與兩個空間分離的設(shè)備（UE3 和 UE4）同時進(jìn)行的單小區(qū)（eNB3）通信。由于可以獨立地對每個空間多路復(fù)用傳輸層應(yīng)用不同的波束賦形加權(quán)值，所以可以結(jié)合使用空分多址（SDMA） 和 多用戶MIMO（MU-MIMO）傳輸，提供經(jīng)過改善的小區(qū)容量。圖4顯示了兩種不同的波束賦形實施技術(shù)。圖4(a) 中的實例是固定傳統(tǒng)開關(guān)波束賦形器，其中包括一個 8 端口 Butler 矩陣波形賦形網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)實施由不同的可選擇固定時間或相位時延路徑矩陣使用 90° 混合耦合器和相移器組合實施而成。
產(chǎn)生的固定發(fā)射波束數(shù)量等于用于構(gòu)成 Butler 矩陣網(wǎng)絡(luò)的天線陣元 N 的數(shù)量。（示例使用了 8 個天線，產(chǎn)生了 8 條可選擇的波束。）這有時也稱為“波束網(wǎng)格”的波束賦形網(wǎng)絡(luò)，支持選擇任何單獨的或組合的 N 個固定發(fā)射波束，以便最大限度提高設(shè)備接收機(jī)的 SINR。
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在無線網(wǎng)絡(luò)中，最佳的 eNB 下行鏈路發(fā)射波束選擇主要取決于對蜂窩小區(qū)中 UE 位置的了解。這種了解實際上可通過測量 eNB 接收天線陣列上的上行鏈路信號到達(dá)角（AoA）直接獲得，也可從上行鏈路控制信道質(zhì)量反饋信息間接推導(dǎo)得出。
圖中文字中英對照
為了進(jìn)行對比，圖 4 (b) 顯示了一個自適應(yīng)波束賦形器實例。顧名思義，自適應(yīng)波束賦形器能夠不斷地進(jìn)行自適應(yīng)和重新計算所應(yīng)用的最佳發(fā)射波束賦形復(fù)數(shù)加權(quán)值，從而最好地匹配信道條件。
因為自適應(yīng)波束賦形器加權(quán)值不是固定的，所以它不僅能夠優(yōu)化目標(biāo) UE 上的接收 SINR，還能更好地使選擇性和功率零點定位進(jìn)行自適應(yīng)，最大限度減少對其他用戶的干擾。
在無線網(wǎng)絡(luò)中，eNB 通常會通過直接測量在 eNB 接收機(jī)陣列上觀測到的已接收上行鏈路參考信號來估算最佳加權(quán)值，隨后可根據(jù)這一信息計算上行鏈路到達(dá)角（AoA），并分解信道特征矩陣。
如果是在頻分雙工（FDD）系統(tǒng)中，下行鏈路和上行鏈路使用不同的射頻載波頻率，那么所施加的波束賦形發(fā)射復(fù)數(shù)加權(quán)值將主要取決于測得或推導(dǎo)的目標(biāo) UE AoA 信息，以及蜂窩小區(qū)中任何其他 UE 的相關(guān)信息。上行鏈路上的 UE 所報告的信道反饋信息也可為加權(quán)值估算提供幫助。
如果是在時分雙工（TDD）系統(tǒng)中，由于下行鏈路和上行鏈路共享相同的射頻載波頻率，所以可以假定信道互易性。因此，TDD 系統(tǒng)中的波束賦形可能比 FDD 系統(tǒng)更出色。所選出的波束賦形發(fā)射復(fù)數(shù)加權(quán)值可以與從 eNB 接收信號推導(dǎo)出的結(jié)果一樣，最好地匹配分解后的信道特征矩陣向量。這些匹配信道的波束賦形加權(quán)值可幫助優(yōu)化目標(biāo) UE 接收機(jī)上觀測到的 SINR。eNB 不依賴于上行鏈路上的用戶設(shè)備所提供的信道反饋信息，盡管在實際上，eNB 波束賦形加權(quán)值估算過程中仍可能會使用這些信息。
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LTE 中的波束賦形
LTE 定義了多種可支持波束賦形的下行鏈路發(fā)射模式。特別受到關(guān)注的是發(fā)射模式 7、8 和 9。3GPP 第 8 版推出了支持單層波束賦形的 TM7。第 9 版增加了支持雙層波束賦形的 TM8，而第 10 版增加了 TM9，它可以支持多達(dá) 8 層發(fā)射。
圖 5 顯示了在 TD-LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用的典型 eNB 射頻天線配置。該網(wǎng)絡(luò)可支持 TM7、TM8 和 TM9 MIMO 波束賦形模式。
圖 5. 用于 TD-LTE TM7、TM8 和 TM9 的典型 8 天線配置
圖中文字中英對照
此例為一個 8 陣元物理天線，采用兩組天線單元配置。兩組天線單元彼此以 90? 正交交叉極化。天線組 0 包括天線單元 1 至 4，以 +45? 進(jìn)行極化。天線組 1 包括天線單元 5 至 8，以 -45進(jìn)行極化。
給定組內(nèi)的每個天線陣元都是空間分離的，間距大約為半個射頻載波波長。這樣可以使天線組中的天線陣元高度相關(guān)，對于相干波束賦形非常有利。由于兩個天線組彼此之間是交叉極化的，它們之間的相關(guān)度很低，所以有利于空間多路復(fù)用。因此，典型的 TD-LTE eNB 射頻天線物理配置可同時滿足 MIMO 空間多路復(fù)用和相干波束賦形這兩個合理但又矛盾的關(guān)聯(lián)要求。
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典型的 TD-LTE eNB 波束賦形測試系統(tǒng)配置
圖 6. 典型的 TD-LTE 波束賦形測試系統(tǒng)配置
圖中文字中英對照
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波束賦形的主要測試挑戰(zhàn)是需要驗證和顯示物理射頻天線陣列的波束賦形信號性能，以便對以下指標(biāo)進(jìn)行驗證：
•eNB 射頻天線校準(zhǔn)精度
•基帶編碼波束賦形加權(quán)算法正確性
•射頻天線處的 MIMO 信號和雙層 EVM
圖 6 中的測試系統(tǒng)使用 Agilent N7109A 多通道信號分析儀和支持 TD-LTE 測量的 89600 VSA 軟件。多通道信號分析儀可以支持 8 個相位相干射頻測量信道，并可與適合的射頻分離器和衰減器一起輕松集成到典型的 TD-LTE 基站測試裝置中。
系統(tǒng)校準(zhǔn)是進(jìn)行準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵。校正向?qū)С绦蚩梢砸龑?dǎo)用戶完成系統(tǒng)校準(zhǔn)過程，提示用戶將信號分析儀通道 1 測量電纜連接到雙路校準(zhǔn)分離器（圖 6 中用虛線標(biāo)出的注入點處）的第一個輸出端口。所有交叉信道表征測量都將以通道 1 為參考。隨后，校正向?qū)С绦蛱崾居脩魧⑹Ｏ碌耐ǖ?2 至 8 測量電纜（位于虛線上）逐次連接到雙路校準(zhǔn)分離器的第二個輸出端口，每次連接一條電纜。通過這種方式，校正向?qū)С绦蚰軌虮碚魉枰慕徊嫘诺佬Ｕ瑢π盘柗治鰞x的波束賦形測量進(jìn)行補(bǔ)償，消除測量電纜、連接器、分離器和衰減器中固有的所有失配效應(yīng)，從而使用戶可以在射頻天線輸出端看到天線賦形性能的直接、經(jīng)過校正的測量結(jié)果。不過，對射頻電纜和連接器給測試系統(tǒng)帶來的幅度和相位變化進(jìn)行校準(zhǔn)固然重要，但也不能過分夸大。
如圖 7 所示，首先使用 VSA 軟件和多通道信號分析儀顯示從全部 8 個天線單元進(jìn)行的時間同步射頻信號捕獲。用戶可以快速識別基礎(chǔ)的射頻功率或定時性能差錯，而后再執(zhí)行更高級的解調(diào)測量。
圖 7. 8 天線發(fā)射信號的時間同步捕獲
圖中文字中英對照
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VSA 軟件 TD-LTE 測量應(yīng)用程序提供了廣泛的解調(diào)結(jié)果，用于驗證下行鏈路 MIMO 波束賦形信號。這些包括 IQ 星座圖、EVM 結(jié)果指標(biāo)、探測到的資源分配、特定用戶的 RS 加權(quán)值、特定小區(qū)的 RS 加權(quán)值和減損值，以及特定用戶和公共廣播天線波束方向圖。圖 8 至圖 11 顯示了這些結(jié)果的部分實例。
如圖 8 中跡線 A 和 L 所示，解調(diào)后的 IQ 星座圖按照空間多路復(fù)用層進(jìn)行顯示，并可快速顯示信號調(diào)制質(zhì)量的正確性。
圖 8. 星座圖幀匯總和探測到的資源分配
圖中文字中英對照
圖 8 跡線 D 中顯示的幀匯總提供了訪問各個信道和信號類型相關(guān) EVM 和功率指標(biāo)的途徑。它還提供了用于所有信道類型結(jié)果的顏色鍵，該顏色鍵可在整個 VSA 跡線中重復(fù)使用。
圖 8 跡線 B 中的探測分配結(jié)果顯示了每個特定用戶發(fā)射的資源塊分配，以及公共控制信道使用的資源分配。
圖 9 中的表格顯示了對 8 個天線單元中的每 1 個進(jìn)行測量所得到的特定 UE RS 加權(quán)值。加權(quán)值可以同時從幅度和相位方面進(jìn)行測試，最多可細(xì)化到每個用戶發(fā)射相關(guān)的單個資源塊分配。測量應(yīng)用軟件還可提供每個空間多路復(fù)用層的單獨特定用戶 RS 加權(quán)值跡線。小區(qū) RS 映射提供了圖中的藍(lán)色曲線。
圖 9. 特定 UE RS 加權(quán)值和小區(qū) RS 映射
圖 10. 信道頻率、幅度和相位響應(yīng)
圖 11. MIMO 信息顯示屏幕和特定蜂窩小區(qū) RS 廣播波束方向圖
圖中文字中英對照
總結(jié)
與現(xiàn)代無線蜂窩通信系統(tǒng)有關(guān)的性能問題都是最具挑戰(zhàn)性的問題。在此領(lǐng)域中，用戶設(shè)備收發(fā)信號的質(zhì)量會受到噪聲最嚴(yán)重的影響以及最大程度的小區(qū)間干擾。使用多天線波束賦形發(fā)射技術(shù)可以發(fā)揮關(guān)鍵的改善作用，尤其是對 TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)而言，因為在該網(wǎng)絡(luò)中上下行鏈路頻率是相同的，可以假設(shè)信道互易。波束賦形選擇性、干擾管理和相干信號增益等多種優(yōu)勢合為一體，可在整個小區(qū)內(nèi)以可接受的性能水平提供重要業(yè)務(wù)，有助于確保更一致的最終用戶體驗。
從 eNB 開發(fā)的角度來看，多天線波束賦形發(fā)射的使用帶來了一些特殊的測試挑戰(zhàn)，包括需要驗證用于生成波束賦形加權(quán)值的 eNB 基帶接收/發(fā)射算法是否正確實施，以及精確驗證射頻天線上觀測的 eNB 校準(zhǔn)性能。在對波束賦形發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行測試時，必須對使用的物理測量配置裝置進(jìn)行細(xì)心校正。另外，由于波束賦形結(jié)合了空間多路復(fù)用技術(shù)，所以還需要對在射頻天線處觀測到的每個 MIMO 層的 EVM 性能進(jìn)行驗證。
如果您希望觀看上述測量的演示視頻，
請訪問：http://www.youtube.com/watch?v=mj58aSOZ1Kc
