波束赋形天线几何形状设计 - 基于射频波束赋形改善TD-LTE蜂窝小区边缘性能

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6dB。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6dB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3dB，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3dB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。

图2：波束赋形术语

我们总结了一些重要的方面和术语，用于描述图2中的波束赋形发射：

* 主瓣：主要的最大发射功率瓣，通常指向目标设备或发射路径（该发射路径将通过在无线传播信道中进行反射到达目标设备）。

* 旁瓣：次要的功率发射瓣，有可能对服务小区或邻近小区中的其他用户设备产生多余的干扰。

* 功率零点：发射波束方向图中功率最小的位置，系统可以选择使用和控制该位置，以减少对服务小区或邻近小区中设备的干扰。

* 主波瓣宽度（Φ）：主瓣发射选择性，在主瓣两个 3 dB 点上方位角宽度的测量结果。

* 主瓣至旁瓣的电平：预期主瓣发射功率相对于多余旁瓣发射功率的选择性功率差。

在现代无线蜂窝通信系统中，一个最大的挑战是蜂窝小区边缘性能。这是波束赋形技术在提供 LTE 业务方面能够发挥关键作用的主要原因。图3显示了两个实际的情景示例，它们均利用了波束赋形的先进特性以改善现代蜂窝无线通信系统中的性能。

图3（a）为两个相邻的蜂窝小区，每个蜂窝小区都与位于两个蜂窝小区之间边界上的单独用户设备进行通信。此图显示，eNB1正在与目标设备UE1通 信，eNB1发射使用波束赋形来最大限度提高 UE1方位方向中的信号功率。同时，我们还可看到，eNB1正尝试通过控制UE2方向中的功率零点位置，最大限度地减少对UE2的干扰。同样，eNB2正 使用波束赋形最大限度提高其在UE2方向上的发射接收率，同时减少对UE1的干扰。在此情景中，使用波束赋形显然能够为蜂窝小区边缘用户提供非常大的性能 改善。必要时，可以使用波束赋形增益来提高蜂窝小区覆盖率。

图3（a）：用于蜂窝小区边缘性能改善的波束赋形。

图3（b）：用于使用 MU-MIMO 进行蜂窝小区容量改善的波束赋形

图3（b）描述了与两个空间分离的设备（UE3和UE4）同时进行的单小区（eNB3）通信。由于可以独立地对每个空间多路复用传输层应用不同的波束赋 形加权值，所以可以结合使用空分多址（SDMA） 和 多用户MIMO（MU-MIMO）传输，提供经过改善的小区容量。