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(shí)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(shí)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(jì)劃長期演進(jìn)）標(biāo)準(zhǔn)，特別是其 TDD（時(shí)分雙工）版本已經(jīng)提議并實(shí)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?；蛘呖梢誀奚糠只蛉靠赡艿?SINR 性能改善，以便獲得更高的頻譜效率?？臻g多路復(fù)用發(fā)射技術(shù)（使用發(fā)射天線發(fā)送獨(dú)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(shí)從兩個(gè)或更多個(gè)空間分離的發(fā)射點(diǎn)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(shí)利用波束賦形技術(shù)從兩個(gè)或更多個(gè)空間分離的接收點(diǎn)接收相同的信號，都可使用同樣的原則。

舉一個(gè)簡單的例子，當(dāng)使用單個(gè)全向天線發(fā)射射頻無線信號時(shí)，產(chǎn)生的信號相對場強(qiáng)如圖 1 (a) 中的藍(lán)色實(shí)線所示。

為了能夠發(fā)射波束賦形信號，需要添加另一個(gè)同樣的全向天線陣元，與第一個(gè)天線陣元距離間隔半個(gè)射頻載波波長，見圖1 (b)。在此例中，兩個(gè)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(gè)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(gè)軸上與前兩個(gè)天線陣元間隔半個(gè)射頻載波波長的位置上添加第三個(gè)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(gè)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(gè)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?，F(xiàn)在我們可以看到兩個(gè)不同的功率衰減零點(diǎn)（null）的信息，主瓣一側(cè)位于 +/-42 ° 方位角上。這兩個(gè)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。
圖中文字中英對照


最后向 ULA 添加第 4 個(gè)天線陣元可進(jìn)一步改善主瓣選擇性，見圖1(d)。功率零點(diǎn)的數(shù)量也從兩個(gè)增加到三個(gè)。兩個(gè)零點(diǎn)現(xiàn)在位于 +/-30° 方位角，第三個(gè)位于 ULA 天線軸線上?，F(xiàn)在，兩個(gè)不同功率旁瓣的信息清晰可見，位于 +/-50° 方位角處。兩個(gè)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(gè)天線陣元上發(fā)射的每個(gè)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(gè)天線陣元中的每一個(gè)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(jì)波束賦形天線陣列的幾何形狀，再加上精確控制對每個(gè)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(diǎn)方位位置和旁瓣電平。

讓我們現(xiàn)在單獨(dú)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(gè)天線陣元的過程。該天線陣元與第一個(gè)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(shí)例中的主瓣最大值理論上將是繪圖 (a) 單天線實(shí)例中的主瓣最大值的兩倍。

這個(gè)6 dB相干增益改善可被視為由于使用兩個(gè)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(shí)際上，在兩個(gè)天線陣元中的每個(gè)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(diǎn)：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(gè) 3 dB 點(diǎn)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(gè)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(gè)實(shí)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(gè)相鄰的蜂窩小區(qū)，每個(gè)蜂窩小區(qū)都與位于兩個(gè)蜂窩小區(qū)之間邊界上的單獨(dú)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(shí)，我們還可看到，eNB1 正嘗試通過控制 UE2 方向中的功率零點(diǎn)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(shí)減少對 UE1 的干擾。在此情景中，使用波束賦形顯然能夠?yàn)榉涓C小區(qū)邊緣用戶提供非常大的性能改善。必要時(shí)，可以使用波束賦形增益來提高蜂窩小區(qū)覆蓋率。 圖3(b)描述了與兩個(gè)空間分離的設(shè)備（UE3 和 UE4）同時(shí)進(jìn)行的單小區(qū)（eNB3）通信。由于可以獨(dú)立地對每個(gè)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(shí)施技術(shù)。圖4(a) 中的實(shí)例是固定傳統(tǒng)開關(guān)波束賦形器，其中包括一個(gè) 8 端口 Butler 矩陣波形賦形網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施由不同的可選擇固定時(shí)間或相位時(shí)延路徑矩陣使用 90° 混合耦合器和相移器組合實(shí)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(gè)天線，產(chǎn)生了 8 條可選擇的波束。）這有時(shí)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(dú)的或組合的 N 個(gè)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(shí)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 4. (a) 固定傳統(tǒng)開關(guān)波束賦形器（左），(b) 自適應(yīng)波束賦形器（右）
圖中文字中英對照


為了進(jìn)行對比，圖 4 (b) 顯示了一個(gè)自適應(yīng)波束賦形器實(shí)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(jì)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?yàn)樽赃m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(diǎn)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(jì)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(bào)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(shí)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(shí)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。 圖中文字中英對照


此例為一個(gè) 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(gè)天線陣元都是空間分離的，間距大約為半個(gè)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(gè)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(shí)滿足 MIMO 空間多路復(fù)用和相干波束賦形這兩個(gè)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(yàn)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(yàn)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(gè)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(diǎn)處）的第一個(gè)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(gè)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?，對信號分析儀的波束賦形測量進(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(gè)天線單元進(jìn)行的時(shí)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(shí)性能差錯(cuò)，而后再執(zhí)行更高級的解調(diào)測量。
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(yàn)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(shí)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(gè)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(gè) 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(gè)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(gè)天線單元中的每 1 個(gè)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(shí)從幅度和相位方面進(jìn)行測試，最多可細(xì)化到每個(gè)用戶發(fā)射相關(guān)的單個(gè)資源塊分配。測量應(yīng)用軟件還可提供每個(gè)空間多路復(fù)用層的單獨(dú)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。  

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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?yàn)樵谠摼W(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(gè)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(yàn)。

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(yàn)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(shí)施，以及精確驗(yàn)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(shí)，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(gè) MIMO 層的 EVM 性能進(jìn)行驗(yàn)證。

如果您希望觀看上述測量的演示視頻，
請?jiān)L問：http://www.youtube.com/watch?v=mj58aSOZ1Kc