射頻波束賦形技術(shù)改善 TD-LTE 蜂窩小區(qū)邊緣性能

　　2013年10月16日，高度集成電源管理、音頻、AC/DC 與短距離無線技術(shù)提供商Dialog半導(dǎo)體有限公司(法蘭克福證券交易所代碼：DLG)

　　自很早以前開始，多天線技術(shù)便已在移動(dòng)無線系統(tǒng)中得到使用。在早期的基站發(fā)射和車載移動(dòng)臺(tái)接收時(shí)期，大蜂窩小區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中多路徑傳播會(huì)產(chǎn)生選擇性衰落，因而影響到信號(hào)質(zhì)量，特別是在市區(qū)內(nèi)這樣的問題更加嚴(yán)重。以往的辦法是使用基站發(fā)射和車載接收機(jī)天線分集來解決這個(gè)問題。隨著手機(jī)變得越來越小，車載通信裝置經(jīng)過簡化而開始采用藍(lán)牙音頻連通性技術(shù)，移動(dòng)設(shè)備中的接收分集已經(jīng)逐漸淘汰。不過，這一趨勢很快將發(fā)生變化：最新的無線局域網(wǎng)實(shí)施使用了多天線空間流，能夠增加發(fā)射帶寬和速度。隨著實(shí)施這一先進(jìn)技術(shù)的低成本硬件的問世，首次發(fā)布的 3GPP LTE(第三代合作伙伴計(jì)劃長期演進(jìn))標(biāo)準(zhǔn)，特別是其 TDD(時(shí)分雙工)版本已經(jīng)提議并實(shí)施了各種多天線技術(shù)。

　　再次說明一下，基礎(chǔ)的無線信道使用的是單路發(fā)射和單路接收天線，稱為 SISO(單路輸入單路輸出)。這種簡單的無線信道設(shè)定了信號(hào)傳輸性能的基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上可以對(duì)所有更復(fù)雜的傳輸配置進(jìn)行測量。

　　SIMO(單路輸入多路輸出)提供了比 SISO 基準(zhǔn)更大的接收天線冗余，支持在接收機(jī)中使用接收分集技術(shù)，例如最大比合并等。這可以改善在設(shè)備接收機(jī)上觀測到的 SINR，并有助于改善信道衰落條件下的性能。

　　MISO(多路輸入單路輸出)提供發(fā)射天線冗余，像在 LTE 情況中一樣，支持使用Alamouti符號(hào)編碼或空頻分組編碼(SFBC)等發(fā)射分集技術(shù)。與 SIMO 一樣，這也可以改善在設(shè)備接收機(jī)上觀測到的 SINR，并可幫助提供保護(hù)，防止信道衰落。

　　無論是 SIMO 還是 MISO 都不能提高數(shù)據(jù)吞吐量，但它們可以降低誤碼率，從而減少需要重發(fā)的數(shù)據(jù)量。

　　MIMO(多路輸入多路輸出)提供額外的發(fā)射和接收天線冗余。如果將相同的數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)射天線，這一冗余可用來改善上面所述使用相同發(fā)射和接收分集技術(shù)的設(shè)備接收機(jī)上的 SINR?；蛘呖梢誀奚糠只蛉靠赡艿?SINR 性能改善，以便獲得更高的頻譜效率。空間多路復(fù)用發(fā)射技術(shù)(使用發(fā)射天線發(fā)送獨(dú)立數(shù)據(jù)流)可以為單一用戶提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量(SU-MIMO 或單用戶 MIMO)，或增加系統(tǒng)蜂窩小區(qū)容量(MU-MIMO 或多用戶 MIMO)。

　　除了這些分集和空間多路復(fù)用技術(shù)之外，還可以使用多天線配置將發(fā)射或接收集中在特定方向上。這種技術(shù)稱為波束賦形，取決于具體應(yīng)用，可以采用固定波束賦形或可變波束賦形，并能夠改善系統(tǒng)性能。波束賦形技術(shù)可在許多不同頻率的應(yīng)用中使用，包括聲納和地震學(xué)、聲學(xué)、無線通信、射電天文學(xué)和雷達(dá)等。

　　總之，無論何時(shí)從兩個(gè)或更多個(gè)空間分離的發(fā)射點(diǎn)發(fā)送相同的信號(hào)，都會(huì)出現(xiàn)干擾方向圖。發(fā)射波束賦形就是利用這種干擾方向圖進(jìn)行工作的。無論何時(shí)利用波束賦形技術(shù)從兩個(gè)或更多個(gè)空間分離的接收點(diǎn)接收相同的信號(hào)，都可使用同樣的原則。

　　舉一個(gè)簡單的例子，當(dāng)使用單個(gè)全向天線發(fā)射射頻無線信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生的信號(hào)相對(duì)場強(qiáng)如圖 1 (a) 中的藍(lán)色實(shí)線所示。

　　為了能夠發(fā)射波束賦形信號(hào)，需要添加另一個(gè)同樣的全向天線陣元，與第一個(gè)天線陣元距離間隔半個(gè)射頻載波波長，見圖1 (b)。在此例中，兩個(gè)天線陣元都傳輸待發(fā)射信號(hào)信息符號(hào)的相同副本。我們可以立即看到，在大約 0°方位角的方向上發(fā)生了相長(同相)干擾，合并后的場強(qiáng)增加，在這個(gè)方向上產(chǎn)生有效相干信號(hào)功率增益。相反，在大約 +/-90° 的方向上會(huì)發(fā)生相消(異相)干擾，合并后的場強(qiáng)會(huì)降低或衰減。

　　在同一個(gè)軸上與前兩個(gè)天線陣元間隔半個(gè)射頻載波波長的位置上添加第三個(gè)天線陣元，可改善合并后相對(duì)場強(qiáng)的空間選擇性，見圖1 (c)。在我們的例子中，天線單元經(jīng)過同極化、相關(guān)，并沿著單一天線陣元軸向均勻分隔，構(gòu)成了一個(gè)均勻線性陣列(ULA)天線系統(tǒng)。在相對(duì) ULA 寬邊為 0° 的方向上的單一主瓣信息清晰可見。在這個(gè)方向上會(huì)發(fā)生最大相長(或同相)干擾，在合并后的場強(qiáng)波束方向圖中產(chǎn)生最大的功率增益。現(xiàn)在我們可以看到兩個(gè)不同的功率衰減零點(diǎn)(null)的信息，主瓣一側(cè)位于 +/-42 ° 方位角上。這兩個(gè)最小功率位置表示在合并后的場強(qiáng)波束方向圖中發(fā)生了最大相消(或異相)干擾的方位方向。

　　最后向 ULA 添加第 4 個(gè)天線陣元可進(jìn)一步改善主瓣選擇性，見圖1(d)。功率零點(diǎn)的數(shù)量也從兩個(gè)增加到三個(gè)。兩個(gè)零點(diǎn)現(xiàn)在位于 +/-30° 方位角，第三個(gè)位于 ULA 天線軸線上?，F(xiàn)在，兩個(gè)不同功率旁瓣的信息清晰可見，位于 +/-50° 方位角處。兩個(gè)旁瓣的功率電平都低于主瓣。

　　最終的波束方向圖不僅由 ULA 物理幾何形狀和陣元間距決定，還受到每個(gè)天線陣元上發(fā)射的每個(gè)信息符號(hào)副本所接受的相對(duì)幅度和相位加權(quán)的影響。

　　這可以通過在四個(gè)天線陣元中的每一個(gè)上引入 +90° 相對(duì)相移來證明。結(jié)果是主波束位置從 0° 方位角轉(zhuǎn)移到 -30° 方位角，如圖1(e) 所示。請(qǐng)注意，零位和旁瓣位置還受新加權(quán)值的影響。

　　通過精心設(shè)計(jì)波束賦形天線陣列的幾何形狀，再加上精確控制對(duì)每個(gè)天線陣元所應(yīng)用的相對(duì)幅度和相位加權(quán)，不僅可以控制主瓣功率傳輸?shù)倪x擇性形狀和方位方向，還可以控制功率零點(diǎn)方位位置和旁瓣電平。

　　讓我們現(xiàn)在單獨(dú)考慮添加額外的天線陣元對(duì)在目標(biāo)設(shè)備接收機(jī)上觀測到的結(jié)果波束方向圖的有效功率增益的影響。

　　圖1(b) 顯示了添加另一個(gè)天線陣元的過程。該天線陣元與第一個(gè)天線陣元發(fā)射完全相同的符號(hào)副本。在此例中，相長(同相)信號(hào)之和將會(huì)導(dǎo)致位于 0° 方位角主波束位置處的目標(biāo)設(shè)備接收機(jī)觀測到相干功率增益增加 6 dB。因此，如果沒有應(yīng)用歸一化，圖1繪圖(b)雙天線實(shí)例中的主瓣最大值理論上將是繪圖 (a) 單天線實(shí)例中的主瓣最大值的兩倍。

　　這個(gè)6 dB相干增益改善可被視為由于使用兩個(gè)空間分離的天線陣元，與單天線發(fā)射相比在目標(biāo)設(shè)備接收機(jī)上觀測到的波束賦形增益改善。

　　實(shí)際上，在兩個(gè)天線陣元中的每個(gè)上發(fā)射的符號(hào)功率電平都可能降低 3 dB，達(dá)到初始單天線符號(hào)功率電平的一半，保持與單天線配置相同的總發(fā)射機(jī)功率。雖然如此，這仍會(huì)導(dǎo)致在目標(biāo)設(shè)備接收機(jī)上觀測到波束賦形與單天線發(fā)射相比有 3 dB 的增益。

　　使用多天線波束賦形發(fā)射，由于結(jié)合了波束賦形選擇性、干擾管理和相干信號(hào)增益等多種優(yōu)勢，對(duì)于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)非常有吸引力。