射頻波束賦形技術改善 TD-LTE 蜂窩小區邊緣性能

　　我們總結了一些重要的方面和術語，用于描述圖 2 中的波束賦形發射：

　　•主瓣：主要的最大發射功率瓣，通常指向目標設備或發射路徑(該發射路徑將通過在無線傳播信道中進行反射到達目標設備)。

　　•旁瓣：次要的功率發射瓣，有可能對服務小區或鄰近小區中的其他用戶設備產生多余的干擾。

　　•功率零點：發射波束方向圖中功率最小的位置，系統可以選擇使用和控制該位置，以減少對服務小區或鄰近小區中設備的干擾。

　　•主波瓣寬度(Φ)：主瓣發射選擇性，在主瓣兩個 3 dB 點上方位角寬度的測量結果。

　　•主瓣至旁瓣的電平：預期主瓣發射功率相對于多余旁瓣發射功率的選擇性功率差。

　　在現代無線蜂窩通信系統中，一個最大的挑戰是蜂窩小區邊緣性能。這是波束賦形技術在提供 LTE 業務方面能夠發揮關鍵作用的主要原因。圖 3 顯示了兩個實際的情景示例，它們均利用了波束賦形的先進特性以改善現代蜂窩無線通信系統中的性能。

　　圖 3 (a) 為兩個相鄰的蜂窩小區，每個蜂窩小區都與位于兩個蜂窩小區之間邊界上的單獨用戶設備進行通信。此圖顯示，eNB1 正在與目標設備 UE1 通信，eNB1 發射使用波束賦形來最大限度提高 UE1 方位方向中的信號功率。同時，我們還可看到，eNB1 正嘗試通過控制 UE2 方向中的功率零點位置，最大限度地減少對 UE2 的干擾。同樣，eNB2 正使用波束賦形最大限度提高其在 UE2 方向上的發射接收率，同時減少對 UE1 的干擾。在此情景中，使用波束賦形顯然能夠為蜂窩小區邊緣用戶提供非常大的性能改善。必要時，可以使用波束賦形增益來提高蜂窩小區覆蓋率。

　　圖3(b)描述了與兩個空間分離的設備(UE3 和 UE4)同時進行的單小區(eNB3)通信。由于可以獨立地對每個空間多路復用傳輸層應用不同的波束賦形加權值，所以可以結合使用空分多址(SDMA) 和 多用戶MIMO(MU-MIMO)傳輸，提供經過改善的小區容量。

　　圖4顯示了兩種不同的波束賦形實施技術。圖4(a) 中的實例是固定傳統開關波束賦形器，其中包括一個 8 端口 Butler 矩陣波形賦形網絡。這個網絡實施由不同的可選擇固定時間或相位時延路徑矩陣使用 90° 混合耦合器和相移器組合實施而成。

　　產生的固定發射波束數量等于用于構成 Butler 矩陣網絡的天線陣元 N 的數量。(示例使用了 8 個天線，產生了 8 條可選擇的波束。)這有時也稱為“波束網格”的波束賦形網絡，支持選擇任何單獨的或組合的 N 個固定發射波束，以便最大限度提高設備接收機的 SINR。

　　在無線網絡中，最佳的 eNB 下行鏈路發射波束選擇主要取決于對蜂窩小區中 UE 位置的了解。這種了解實際上可通過測量 eNB 接收天線陣列上的上行鏈路信號到達角(AoA)直接獲得，也可從上行鏈路控制信道質量反饋信息間接推導得出。

　　為了進行對比，圖 4 (b) 顯示了一個自適應波束賦形器實例。顧名思義，自適應波束賦形器能夠不斷地進行自適應和重新計算所應用的最佳發射波束賦形復數加權值，從而最好地匹配信道條件。

　　因為自適應波束賦形器加權值不是固定的，所以它不僅能夠優化目標 UE 上的接收 SINR，還能更好地使選擇性和功率零點定位進行自適應，最大限度減少對其他用戶的干擾。

　　在無線網絡中，eNB 通常會通過直接測量在 eNB 接收機陣列上觀測到的已接收上行鏈路參考信號來估算最佳加權值，隨后可根據這一信息計算上行鏈路到達角(AoA)，并分解信道特征矩陣。

　　如果是在頻分雙工(FDD)系統中，下行鏈路和上行鏈路使用不同的射頻載波頻率，那么所施加的波束賦形發射復數加權值將主要取決于測得或推導的目標 UE AoA 信息，以及蜂窩小區中任何其他 UE 的相關信息。上行鏈路上的 UE 所報告的信道反饋信息也可為加權值估算提供幫助。

　　如果是在時分雙工(TDD)系統中，由于下行鏈路和上行鏈路共享相同的射頻載波頻率，所以可以假定信道互易性。因此，TDD 系統中的波束賦形可能比 FDD 系統更出色。所選出的波束賦形發射復數加權值可以與從 eNB 接收信號推導出的結果一樣，最好地匹配分解后的信道特征矩陣向量。這些匹配信道的波束賦形加權值可幫助優化目標 UE 接收機上觀測到的 SINR。eNB 不依賴于上行鏈路上的用戶設備所提供的信道反饋信息，盡管在實際上，eNB 波束賦形加權值估算過程中仍可能會使用這些信息。