射频波束赋形技术改善 TD-LTE 蜂窝小区边缘性能(2)

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。

•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(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。

图4显示了两种不同的波束赋形实施技术。图4(a) 中的实例是固定传统开关波束赋形器，其中包括一个 8 端口 Butler 矩阵波形赋形网络。这个网络实施由不同的可选择固定时间或相位时延路径矩阵使用 90° 混合耦合器和相移器组合实施而成。

产生的固定发射波束数量等于用于构成 Butler 矩阵网络的天线阵元 N 的数量。（示例使用了 8 个天线，产生了 8 条可选择的波束。）这有时也称为“波束网格”的波束赋形网络，支持选择任何单独的或组合的 N 个固定发射波束，以便最大限度提高设备接收机的 SINR。

在无线网络中，最佳的 eNB 下行链路发射波束选择主要取决于对蜂窝小区中 UE 位置的了解。这种了解实际上可通过测量 eNB 接收天线阵列上的上行链路信号到达角（AoA）直接获得，也可从上行链路控制信道质量反馈信息间接推导得出。(责任编辑：韩杰)