射频波束赋形技术改善 TD-LTE 蜂窝小区边缘性能

以往的办法是使用基站发射和车载接收机天线分集来解决这个问题。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。