波束賦形實(shí)施技術(shù) - 基于射頻波束賦形改善TD-LTE蜂窩小區(qū)邊緣性能

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(kāi)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(chēng)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。

在無(wú)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(duì)蜂窩小區(qū)中UE位置的了解。這種了解實(shí)際上可通過(guò)測(cè)量eNB接收天線陣列上的上行鏈路信號(hào)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(kāi)關(guān)波束賦形器（左），（b）自適應(yīng)波束賦形器（右）

為了進(jìn)行對(duì)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(duì)其他用戶(hù)的干擾。

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，eNB通常會(huì)通過(guò)直 接測(cè)量在eNB接收機(jī)陣列上觀測(cè)到的已接收上行鏈路參考信號(hào)來(lái)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(cè)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(hào)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(cè)到的SINR。eNB不依賴(lài)于上行鏈路上的用戶(hù)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(guò)程中仍可能會(huì)使 用這些信息。

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eN射頻天線配置。該網(wǎng)絡(luò)可支持TM7、TM8和 TM9 MIM波束賦形模式。

圖5：用于TD-LTE TM7、TM8和TM9的典型8天線配置

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1~4，以+45？進(jìn)行極化。天線組1包括天線單元5~8，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(zhǎng)。這樣可以使天線組中的天線陣元高度相關(guān)，對(duì)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(mǎn)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。

典型的TD-LTE eNB波束賦形測(cè)試系統(tǒng)配置

圖6：典型的TD-LTE波束賦形測(cè)試系統(tǒng)配置

波束賦形的主要測(cè)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(hào)性能，以便對(duì)以下指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證：1、eNB 射頻天線校準(zhǔn)精度；2、基帶編碼波束賦形加權(quán)算法正確性；3、射頻天線處的MIMO信號(hào)和雙層EVM。

圖6中的測(cè)試系統(tǒng)使用Agilent N7109A多通道信號(hào)分析儀和支持TD-LTE測(cè)量的89600 VSA軟件。多通道信號(hào)分析儀可以支持8個(gè)相位相干射頻測(cè)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(cè)試裝置中。系統(tǒng) 校準(zhǔn)是進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵。校正向?qū)С绦蚩梢砸龑?dǎo)用戶(hù)完成系統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程，提示用戶(hù)將信號(hào)分析儀通道1測(cè)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(cè)量都將以通道1為參考。隨后，校正向?qū)С绦蛱崾居脩?hù)將剩下的通道2~8測(cè)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(guò)這種方式，校正向?qū)С绦蚰軌虮碚魉枰慕徊嫘诺佬Ｕ?，?duì)信號(hào)分析儀的波束賦形測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)償，消除 測(cè)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(hù)可以在射頻天線輸出端看到天線賦形性能的直接、經(jīng)過(guò)校正的測(cè)量結(jié)果。不過(guò)，對(duì)射頻電纜 和連接器給測(cè)試系統(tǒng)帶來(lái)的幅度和相位變化進(jìn)行校準(zhǔn)固然重要，但也不能過(guò)分夸大。