射频波束赋形技术改善 TD-LTE 蜂窝小区边缘性能
随着手机变得越来越小，车载通信装置经过简化而开始采用蓝牙音频连通性技术，移动设备中的接收分集已经逐渐淘汰。不过，这一趋势很快将发生变化：最新的无线局域网实施使用了多天线空间流，能够增加发射带宽和速度。随着实施这一先进技术的低成本硬件的问世，首次发布的 3GPP LTE（第三代合作伙伴计划长期演进）标准，特别是其 TDD（时分双工）版本已经提议并实施了各种多天线技术。
再次说明一下，基础的无线信道使用的是单路发射和单路接收天线，称为 SISO（单路输入单路输出）。这种简单的无线信道设定了信号传输性能的基准，在此基础上可以对所有更复杂的传输配置进行测量。
SIMO（单路输入多路输出）提供了比 SISO 基准更大的接收天线冗余，支持在接收机中使用接收分集技术，例如最大比合并等。这可以改善在设备接收机上观测到的 SINR，并有助于改善信道衰落条件下的性能。
MISO（多路输入单路输出）提供发射天线冗余，像在 LTE 情况中一样，支持使用Alamouti符号编码或空频分组编码（SFBC）等发射分集技术。与 SIMO 一样，这也可以改善在设备接收机上观测到的 SINR，并可帮助提供保护，防止信道衰落。
无论是 SIMO 还是 MISO 都不能提高数据吞吐量，但它们可以降低误码率，从而减少需要重发的数据量。
MIMO（多路输入多路输出）提供额外的发射和接收天线冗余。如果将相同的数据发送到发射天线，这一冗余可用来改善上面所述使用相同发射和接收分集技术的设备接收机上的 SINR。或者可以牺牲部分或全部可能的 SINR 性能改善，以便获得更高的频谱效率。空间多路复用发射技术（使用发射天线发送独立数据流）可以为单一用户提供更高的数据吞吐量（SU-MIMO 或单用户 MIMO），或增加系统蜂窝小区容量（MU-MIMO 或多用户 MIMO）。
除了这些分集和空间多路复用技术之外，还可以使用多天线配置将发射或接收集中在特定方向上。这种技术称为波束赋形，取决于具体应用，可以采用固定波束赋形或可变波束赋形，并能够改善系统性能。波束赋形技术可在许多不同频率的应用中使用，包括声纳和地震学、声学、无线通信、射电天文学和雷达等。
总之，无论何时从两个或更多个空间分离的发射点发送相同的信号，都会出现干扰方向图。发射波束赋形就是利用这种干扰方向图进行工作的。无论何时利用波束赋形技术从两个或更多个空间分离的接收点接收相同的信号，都可使用同样的原则。
举一个简单的例子，当使用单个全向天线发射射频无线信号时，产生的信号相对场强如图 1 (a) 中的蓝色实线所示。
为了能够发射波束赋形信号，需要添加另一个同样的全向天线阵元，与第一个天线阵元距离间隔半个射频载波波长，见图1 (b)。在此例中，两个天线阵元都传输待发射信号信息符号的相同副本。我们可以立即看到，在大约 0°方位角的方向上发生了相长（同相）干扰，合并后的场强增加，在这个方向上产生有效相干信号功率增益。相反，在大约 +/-90° 的方向上会发生相消（异相）干扰，合并后的场强会降低或衰减。
在同一个轴上与前两个天线阵元间隔半个射频载波波长的位置上添加第三个天线阵元，可改善合并后相对场强的空间选择性，见图1 (c)。在我们的例子中，天线单元经过同极化、相关，并沿着单一天线阵元轴向均匀分隔，构成了一个均匀线性阵列（ULA）天线系统。在相对 ULA 宽边为 0° 的方向上的单一主瓣信息清晰可见。在这个方向上会发生最大相长（或同相）干扰，在合并后的场强波束方向图中产生最大的功率增益。现在我们可以看到两个不同的功率衰减零点（null）的信息，主瓣一侧位于 +/-42 ° 方位角上。这两个最小功率位置表示在合并后的场强波束方向图中发生了最大相消（或异相）干扰的方位方向。图1. ULA 波束赋形实例
图中文字中英对照
最后向 ULA 添加第 4 个天线阵元可进一步改善主瓣选择性，见图1(d)。功率零点的数量也从两个增加到三个。两个零点现在位于 +/-30° 方位角，第三个位于 ULA 天线轴线上。现在，两个不同功率旁瓣的信息清晰可见，位于 +/-50° 方位角处。两个旁瓣的功率电平都低于主瓣。
最终的波束方向图不仅由 ULA 物理几何形状和阵元间距决定，还受到每个天线阵元上发射的每个信息符号副本所接受的相对幅度和相位加权的影响。
这可以通过在四个天线阵元中的每一个上引入 +90° 相对相移来证明。结果是主波束位置从 0° 方位角转移到 -30° 方位角，如图1(e) 所示。请注意，零位和旁瓣位置还受新加权值的影响。
通过精心设计波束赋形天线阵列的几何形状，再加上精确控制对每个天线阵元所应用的相对幅度和相位加权，不仅可以控制主瓣功率传输的选择性形状和方位方向，还可以控制功率零点方位位置和旁瓣电平。
让我们现在单独考虑添加额外的天线阵元对在目标设备接收机上观测到的结果波束方向图的有效功率增益的影响。
图1(b) 显示了添加另一个天线阵元的过程。该天线阵元与第一个天线阵元发射完全相同的符号副本。在此例中，相长（同相）信号之和将会导致位于 0° 方位角主波束位置处的目标设备接收机观测到相干功率增益增加 6 dB。因此，如果没有应用归一化，图1绘图(b)双天线实例中的主瓣最大值理论上将是绘图 (a) 单天线实例中的主瓣最大值的两倍。
这个6 dB相干增益改善可被视为由于使用两个空间分离的天线阵元，与单天线发射相比在目标设备接收机上观测到的波束赋形增益改善。
实际上，在两个天线阵元中的每个上发射的符号功率电平都可能降低 3 dB，达到初始单天线符号功率电平的一半，保持与单天线配置相同的总发射机功率。虽然如此，这仍会导致在目标设备接收机上观测到波束赋形与单天线发射相比有 3 dB 的增益。
使用多天线波束赋形发射，由于结合了波束赋形选择性、干扰管理和相干信号增益等多种优势，对于现代无线通信系统非常有吸引力。
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图 2. 波束赋形术语
图中文字中英对照
我们总结了一些重要的方面和术语，用于描述图 2 中的波束赋形发射：
•主瓣：主要的最大发射功率瓣，通常指向目标设备或发射路径（该发射路径将通过在无线传播信道中进行反射到达目标设备）。
•旁瓣：次要的功率发射瓣，有可能对服务小区或邻近小区中的其他用户设备产生多余的干扰。
•功率零点：发射波束方向图中功率最小的位置，系统可以选择使用和控制该位置，以减少对服务小区或邻近小区中设备的干扰。
•主波瓣宽度（Φ）：主瓣发射选择性，在主瓣两个 3 dB 点上方位角宽度的测量结果。
•主瓣至旁瓣的电平：预期主瓣发射功率相对于多余旁瓣发射功率的选择性功率差。
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在现代无线蜂窝通信系统中，一个最大的挑战是蜂窝小区边缘性能。这是波束赋形技术在提供 LTE 业务方面能够发挥关键作用的主要原因。图 3 显示了两个实际的情景示例，它们均利用了波束赋形的先进特性以改善现代蜂窝无线通信系统中的性能。
图 3 (a) 为两个相邻的蜂窝小区，每个蜂窝小区都与位于两个蜂窝小区之间边界上的单独用户设备进行通信。此图显示，eNB1 正在与目标设备 UE1 通信，eNB1 发射使用波束赋形来最大限度提高 UE1 方位方向中的信号功率。同时，我们还可看到，eNB1 正尝试通过控制 UE2 方向中的功率零点位置，最大限度地减少对 UE2 的干扰。同样，eNB2 正使用波束赋形最大限度提高其在 UE2 方向上的发射接收率，同时减少对 UE1 的干扰。在此情景中，使用波束赋形显然能够为蜂窝小区边缘用户提供非常大的性能改善。必要时，可以使用波束赋形增益来提高蜂窝小区覆盖率。图 3 (a).用于蜂窝小区边缘性能改善的波束赋形图 3 (b).用于使用 MU-MIMO 进行蜂窝小区容量改善的波束赋形
图3(b)描述了与两个空间分离的设备（UE3 和 UE4）同时进行的单小区（eNB3）通信。由于可以独立地对每个空间多路复用传输层应用不同的波束赋形加权值，所以可以结合使用空分多址（SDMA） 和 多用户MIMO（MU-MIMO）传输，提供经过改善的小区容量。
图4显示了两种不同的波束赋形实施技术。图4(a) 中的实例是固定传统开关波束赋形器，其中包括一个 8 端口 Butler 矩阵波形赋形网络。这个网络实施由不同的可选择固定时间或相位时延路径矩阵使用 90° 混合耦合器和相移器组合实施而成。
产生的固定发射波束数量等于用于构成 Butler 矩阵网络的天线阵元 N 的数量。（示例使用了 8 个天线，产生了 8 条可选择的波束。）这有时也称为“波束网格”的波束赋形网络，支持选择任何单独的或组合的 N 个固定发射波束，以便最大限度提高设备接收机的 SINR。
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在无线网络中，最佳的 eNB 下行链路发射波束选择主要取决于对蜂窝小区中 UE 位置的了解。这种了解实际上可通过测量 eNB 接收天线阵列上的上行链路信号到达角（AoA）直接获得，也可从上行链路控制信道质量反馈信息间接推导得出。
图 4. (a) 固定传统开关波束赋形器（左），(b) 自适应波束赋形器（右）
图中文字中英对照
为了进行对比，图 4 (b) 显示了一个自适应波束赋形器实例。顾名思义，自适应波束赋形器能够不断地进行自适应和重新计算所应用的最佳发射波束赋形复数加权值，从而最好地匹配信道条件。
因为自适应波束赋形器加权值不是固定的，所以它不仅能够优化目标 UE 上的接收 SINR，还能更好地使选择性和功率零点定位进行自适应，最大限度减少对其他用户的干扰。
在无线网络中，eNB 通常会通过直接测量在 eNB 接收机阵列上观测到的已接收上行链路参考信号来估算最佳加权值，随后可根据这一信息计算上行链路到达角（AoA），并分解信道特征矩阵。
如果是在频分双工（FDD）系统中，下行链路和上行链路使用不同的射频载波频率，那么所施加的波束赋形发射复数加权值将主要取决于测得或推导的目标 UE AoA 信息，以及蜂窝小区中任何其他 UE 的相关信息。上行链路上的 UE 所报告的信道反馈信息也可为加权值估算提供帮助。
如果是在时分双工（TDD）系统中，由于下行链路和上行链路共享相同的射频载波频率，所以可以假定信道互易性。因此，TDD 系统中的波束赋形可能比 FDD 系统更出色。所选出的波束赋形发射复数加权值可以与从 eNB 接收信号推导出的结果一样，最好地匹配分解后的信道特征矩阵向量。这些匹配信道的波束赋形加权值可帮助优化目标 UE 接收机上观测到的 SINR。eNB 不依赖于上行链路上的用户设备所提供的信道反馈信息，尽管在实际上，eNB 波束赋形加权值估算过程中仍可能会使用这些信息。
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LTE 中的波束赋形
LTE 定义了多种可支持波束赋形的下行链路发射模式。特别受到关注的是发射模式 7、8 和 9。3GPP 第 8 版推出了支持单层波束赋形的 TM7。第 9 版增加了支持双层波束赋形的 TM8，而第 10 版增加了 TM9，它可以支持多达 8 层发射。
图 5 显示了在 TD-LTE 蜂窝网络中使用的典型 eNB 射频天线配置。该网络可支持 TM7、TM8 和 TM9 MIMO 波束赋形模式。
图 5. 用于 TD-LTE TM7、TM8 和 TM9 的典型 8 天线配置图中文字中英对照
此例为一个 8 阵元物理天线，采用两组天线单元配置。两组天线单元彼此以 90? 正交交叉极化。天线组 0 包括天线单元 1 至 4，以 +45? 进行极化。天线组 1 包括天线单元 5 至 8，以 -45进行极化。
给定组内的每个天线阵元都是空间分离的，间距大约为半个射频载波波长。这样可以使天线组中的天线阵元高度相关，对于相干波束赋形非常有利。由于两个天线组彼此之间是交叉极化的，它们之间的相关度很低，所以有利于空间多路复用。因此，典型的 TD-LTE eNB 射频天线物理配置可同时满足 MIMO 空间多路复用和相干波束赋形这两个合理但又矛盾的关联要求。
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典型的 TD-LTE eNB 波束赋形测试系统配置
图 6. 典型的 TD-LTE 波束赋形测试系统配置图中文字中英对照
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波束赋形的主要测试挑战是需要验证和显示物理射频天线阵列的波束赋形信号性能，以便对以下指标进行验证：
•eNB 射频天线校准精度
•基带编码波束赋形加权算法正确性
•射频天线处的 MIMO 信号和双层 EVM
图 6 中的测试系统使用 Agilent N7109A 多通道信号分析仪和支持 TD-LTE 测量的 89600 VSA 软件。多通道信号分析仪可以支持 8 个相位相干射频测量信道，并可与适合的射频分离器和衰减器一起轻松集成到典型的 TD-LTE 基站测试装置中。
系统校准是进行准确测量的关键。校正向导程序可以引导用户完成系统校准过程，提示用户将信号分析仪通道 1 测量电缆连接到双路校准分离器（图 6 中用虚线标出的注入点处）的第一个输出端口。所有交叉信道表征测量都将以通道 1 为参考。随后，校正向导程序提示用户将剩下的通道 2 至 8 测量电缆（位于虚线上）逐次连接到双路校准分离器的第二个输出端口，每次连接一条电缆。通过这种方式，校正向导程序能够表征所需要的交叉信道校正，对信号分析仪的波束赋形测量进行补偿，消除测量电缆、连接器、分离器和衰减器中固有的所有失配效应，从而使用户可以在射频天线输出端看到天线赋形性能的直接、经过校正的测量结果。不过，对射频电缆和连接器给测试系统带来的幅度和相位变化进行校准固然重要，但也不能过分夸大。
如图 7 所示，首先使用 VSA 软件和多通道信号分析仪显示从全部 8 个天线单元进行的时间同步射频信号捕获。用户可以快速识别基础的射频功率或定时性能差错，而后再执行更高级的解调测量。
图 7. 8 天线发射信号的时间同步捕获图中文字中英对照
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VSA 软件 TD-LTE 测量应用程序提供了广泛的解调结果，用于验证下行链路 MIMO 波束赋形信号。这些包括 IQ 星座图、EVM 结果指标、探测到的资源分配、特定用户的 RS 加权值、特定小区的 RS 加权值和减损值，以及特定用户和公共广播天线波束方向图。图 8 至图 11 显示了这些结果的部分实例。
如图 8 中迹线 A 和 L 所示，解调后的 IQ 星座图按照空间多路复用层进行显示，并可快速显示信号调制质量的正确性。
图 8. 星座图帧汇总和探测到的资源分配图中文字中英对照
图 8 迹线 D 中显示的帧汇总提供了访问各个信道和信号类型相关 EVM 和功率指标的途径。它还提供了用于所有信道类型结果的颜色键，该颜色键可在整个 VSA 迹线中重复使用。
图 8 迹线 B 中的探测分配结果显示了每个特定用户发射的资源块分配，以及公共控制信道使用的资源分配。
图 9 中的表格显示了对 8 个天线单元中的每 1 个进行测量所得到的特定 UE RS 加权值。加权值可以同时从幅度和相位方面进行测试，最多可细化到每个用户发射相关的单个资源块分配。测量应用软件还可提供每个空间多路复用层的单独特定用户 RS 加权值迹线。小区 RS 映射提供了图中的蓝色曲线。
图 9. 特定 UE RS 加权值和小区 RS 映射
图 10. 信道频率、幅度和相位响应
图 11. MIMO 信息显示屏幕和特定蜂窝小区 RS 广播波束方向图<上一页12345678910下一页>
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图中文字中英对照
总结
与现代无线蜂窝通信系统有关的性能问题都是最具挑战性的问题。在此领域中，用户设备收发信号的质量会受到噪声最严重的影响以及最大程度的小区间干扰。使用多天线波束赋形发射技术可以发挥关键的改善作用，尤其是对 TD-LTE 网络而言，因为在该网络中上下行链路频率是相同的，可以假设信道互易。波束赋形选择性、干扰管理和相干信号增益等多种优势合为一体，可在整个小区内以可接受的性能水平提供重要业务，有助于确保更一致的最终用户体验。
从 eNB 开发的角度来看，多天线波束赋形发射的使用带来了一些特殊的测试挑战，包括需要验证用于生成波束赋形加权值的 eNB 基带接收/发射算法是否正确实施，以及精确验证射频天线上观测的 eNB 校准性能。在对波束赋形发射系统进行测试时，必须对使用的物理测量配置装置进行细心校正。另外，由于波束赋形结合了空间多路复用技术，所以还需要对在射频天线处观测到的每个 MIMO 层的 EVM 性能进行验证。
如果您希望观看上述测量的演示视频，
请访问：http://www.youtube.com/watch?v=mj58aSOZ1Kc
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