基于射频波束赋形改善TD-LTE蜂窝小区边缘性能

从很早以前，多天线技术便已在移动无线系统中得到使用。在早期的基站发射和车载移动台接收时期，大蜂窝小区网络拓扑结构中多路径传播会产生选择性衰 落，因而影响到信号质量，特别是在市区内这样的问题更加严重。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）。在此例子中，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

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。