波束赋形知识介绍

1 波束赋形基础知识

“波束赋形”一词有时会被滥用，从而引起混淆。从技术上来说，波束赋形和波束导向一样简单，即两个或更多的天线以受控的延迟或相位偏移来发射信号，从而创造出定向的建设性干涉波瓣（见图1）。

 

 

图1　简单波束导向创建的波瓣

TD-LTE系统中所用的波束赋形是一个相对更加复杂的命题，部分原因是终端设备具有移动的特性。一种称为Eigen波束赋形的技术会使用关于RF信道的信息从统计上对发射天线组件的幅度和相位参数进行加权判断。虽然 Eigen波束赋形并非计算最密集的波束赋形类型（还有一种称为最大比率发送的方法也会执行相同类型的权重判断，但只针对每个子载波），但当它被用于组件数较高的8 × n MIMO系统时，无论是在实施中，还是在系统开发的验证阶段中，都将是一个极具挑战性的命题。

2　TD-LTE与8×n MIMO

多数计划中的TD-LTE部署都是围绕8个天线组件的发射天线而设计的（见图2）。在这些系统中，4个有一定距离间隔的天线组件被物理指向某个角度。另外，4个组件的布置方式是，每个都分别与前4个天线组件同轴，而且后4个天线组件中每一个都指向其各自的配对组件。

 

 

图2　一个8×2波束赋形系统创造出的垂直极化波束

由4个方向类似的组件组成的每一组都形成了一个可以瞄准某个特定方向的波束。这4个无线电链路之间的关联程度很高，而两个垂直极化波束则显示出较低程度的相互关联，形成类似2×n MIMO的系统，因此也就可以发射多层或多个数据流。因此，这样的系统在实现MIMO系统数据速率最大化优势的同时，还可充分发挥波束赋形优化特定方向信号强度。这种系统通常被称为双层波束赋形系统，其中的每一层都可以代表一个独立的数据流。

双层MIMO波束赋形系统既可用作单用户MIMO系统（SU-MIMO），即两个数据流都被分配给单个用户终端，也可以用作多用户（MU-MIMO）系统，即个数据流均被分配给不同的用户终端。这样为网络运营商提供巨大的灵活性，使之能够选择性地部署覆盖能力最大的系统，或者是单个用户数据吞吐量最大的系统。

3　波束赋形工作原理

在任何一种波束赋形系统中，系统都必须能够估计目标用户终端的方向。在FDD系统中，这是用户终端 以预编码矩阵指标（PMI）的形式进行反馈的功能，而TD-LTE的信道互易性取消了这一要求。在TD-LTE系统中，用户终端会向基站发送一个信道报告信号，基站通过检查相同极化天线之间的相对相位差，能估计出用户终端的到达方向（DoA）。需要注意的是，尽管这种估计是在上行链路中执行的，基站仍可利用信道互易性，根据对上行链路的估计在下行链路中执行发送任务。

接下来，根据估计出的DoA，基站会动态调整天线阵列中每个组件的“天线权重”（相对幅度和相位），将波束引向所期望的用户，并且/或者将零信号引导至不需要干涉所在的方向。图 1显示的便是这一基本概念。

上面的场景事实上只是简单的波束导向。Eigen波束赋形会加入一些智能处理，但其期望的基本效果是相同的：系统会利用互易性对下行信道的参数做出估计并据此调整天线权重（见图3）。

 

 

图3　自适应式波束赋形系统

4　测试波束赋形

在实验室中创建真实MIMO测试平台时可能遇到各种挑战，而其中很多都已在过去被人们发现并得到了解决。由于波束和MIMO链路组件的空间特性，在实验室中进行的测试必须实施正确的极化和真实的天线方向图才能创造出有效的测试环境。

TD-LTE则增加了超出简单MIMO测试的更多要求：上行和下行链路必须在衰退和传输功能特性方面表现出互易性。在测试实验室中，这并不像看起来那么简单。现代信道仿真器必须由单向RF信道组成。要想精确仿真互易信道，就需要在产生同步的、精确重复衰退方面下大量的功夫。在多数测试中表现良好的信道仿真器并不一定适用于TD-LTE测试，除非它能够在上行和下行链路中生成几乎完全相同的信道条件。

另外一个关键的关注领域就是相位精度和校准。近几个月中，人们在这个看似神秘的话题方面做了很多的工作，在基于实验室的最新型RF信道仿真技术取得了新的进展。在实践中，相位校准会受下列因素的影响：

（1）调整信道功率水平。

（2）调整信噪比 。

（3）改变信道模型。

（4）调整频率。

（5）断电重启。

尽管SISO和非波束赋形MIMO系统对于这些过程造成的轻微相位偏移并不敏感 ，但MIMO波束赋形对与相位有关的精度不良现象尤为敏感。

图4显示的是一个DoA错误为ε度的典型8天线统一线性阵列的辐射模式。8度的错误会导致波束赋形增益出现10 dB的损失，而当错误达到14度时，整个链路都将损失殆尽。

 

 

图4　相位错误及其对波束赋形增益的影响（8天线线性阵列）