射頻波束賦形技術(shù)改善TD-LTE蜂窩小區(qū)邊緣性能 - 全文

　　從很早以前，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)拓撲結(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)這樣的問題更加嚴重。以往的辦法是使用基站發(fā)射和車載接收機天線分集來解決這個問題。隨著手機變得越來越小，車載通信裝置經(jīng)過簡化而開始采用藍牙音頻連通性技術(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）標準，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，在此基礎(chǔ)上可以對所有更復雜的傳輸配置進行測量。SIMO（單路輸入多路輸出）提供了比SISO基準更大的接收天線冗余，支持在接收機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)備接收機上觀測到的SINR，并可幫助提供保護，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、聲學、無線通信、射電天文學和雷達等。

　　總之，無論何時從兩個或多個空間分離的發(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行工作的。無論何時利用波束賦形技術(shù)從兩個或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)生的信號相對場強如圖1（a）中的藍色實線所示。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，合并后的場強會降低或衰減。

　　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的空間選擇性，見圖1（c）。在此例子中，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

　　最后向ULA添加第4個天線陣元可進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設(shè)備接收機上觀測到的結(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）信號之和將會導致位于0°方位角主波束位置處的目標設(shè)備接收機觀測到相干功率增益增加6dB。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6dB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)射相比在目標設(shè)備接收機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3dB，達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)射機功率。雖然如此，這仍會導致在目標設(shè)備接收機上觀測到波束賦形與單天線發(fā)射相比有3dB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。

　　圖2：波束賦形術(shù)語

　　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行反射到達目標設(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。

　　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)備進行通信。此圖顯示，eNB1正在與目標設(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）同時進行的單小區(qū)（eNB3）通信。由于可以獨立地對每個空間多路復用傳輸層應(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。