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?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(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?，F(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(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3dB，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(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。

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。

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）

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。

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。

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

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：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?~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?，對信號分析儀的波束賦形測量進(jìn)行補償，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

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波束賦形的信號。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。

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

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。