射频波束赋形技术改善TD-LTE蜂窝小区边缘性能

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。

图4.(a) 固定传统开关波束赋形器（左），(b) 自适应波束赋形器（右）

图中文字中英对照

8-port Butler matrix 1-of-8 Fixed Beam selection plus combinations Adaptive Beamformer Compensation Estimation Adapts per antenna weightings and beam pattern to received signal and channel estimations

8 端口Butler 矩阵 8 个中的1 个 固定波束选择加组合 自适应波束赋形器 补偿 估算 自适应的调整接收信号天线权重和波束方向图并进行信道估算

为了进行对比，图4 (b) 显示了一个自适应波束赋形器实例。顾名思义，自适应波束赋形器能够不断地进行自适应和重新计算所应用的最佳发射波束赋形复数加权值，从而最好地匹配信道条件。 

因为自适应波束赋形器加权值不是固定的，所以它不仅能够优化目标UE 上的接收SINR，还能更好地使选择性和功率零点定位进行自适应，最大限度减少对其他用户的干扰。

在无线网络中，eNB 通常会通过直接测量在eNB 接收机阵列上观测到的已接收上行链路参考信号来估算最佳加权值，随后可根据这一信息计算上行链路到达角（AoA），并分解信道特征矩阵。

如果是在频分双工（FDD）系统中，下行链路和上行链路使用不同的射频载波频率，那么所施加的波束赋形发射复数加权值将主要取决于测得或推导的目标UE AoA 信息，以及蜂窝小区中任何其他UE 的相关信息。上行链路上的UE 所报告的信道反馈信息也可为加权值估算提供帮助。

如果是在时分双工（TDD）系统中，由于下行链路和上行链路共享相同的射频载波频率，所以可以假定信道互易性。因此，TDD 系统中的波束赋形可能比FDD 系统更出色。所选出的波束赋形发射复数加权值可以与从eNB 接收信号推导出的结果一样，最好地匹配分解后的信道特征矩阵向量。这些匹配信道的波束赋形加权值可帮助优化目标UE 接收机上观测到的SINR。eNB 不依赖于上行链路上的用户设备所提供的信道反馈信息，尽管在实际上，eNB 波束赋形加权值估算过程中仍可能会使用这些信息。

LTE 中的波束赋形

LTE 定义了多种可支持波束赋形的下行链路发射模式。特别受到关注的是发射模式7、8 和9。3GPP 第8 版推出了支持单层波束赋形的TM7。第9 版增加了支持双层波束赋形的TM8，而第10 版增加了TM9，它可以支持多达8 层发射。

图5 显示了在TD-LTE 蜂窝网络中使用的典型eNB 射频天线配置。该网络可支持TM7、TM8 和TM9 MIMO 波束赋形模式。

图5.用于TD-LTE TM7、TM8 和TM9 的典型8 天线配置

图中文字中英对照

~ 0.5 x wavelength spacing +45 degree polarization = A1, A2, A3, A4 -45 degree polarization = A5, A6, A7, A8

~ 半波长间距 +45 °极化= A1、A2、A3、A4 -45 °极化= A5、A6、A7、A8

此例为一个8 阵元物理天线，采用两组天线单元配置。两组天线单元彼此以90 正交交叉极化。天线组0 包括天线单元1 至4，以+45 进行极化。天线组1 包括天线单元5 至8，以-45进行极化。

给定组内的每个天线阵元都是空间分离的，间距大约为半个射频载波波长。这样可以使天线组中的天线阵元高度相关，对于相干波束赋形非常有利。由于两个天线组彼此之间是交叉极化的，它们之间的相关度很低，所以有利于空间多路复用。因此，典型的TD-LTE eNB 射频天线物理配置可同时满足MIMO 空间多路复用和相干波束赋形这两个合理但又矛盾的关联要求。

典型的TD-LTE eNB 波束赋形测试系统配置

图6.典型的TD-LTE 波束赋形测试系统配置

图中文字中英对照

Agilent MXG or ESG-C signal generator CALIBRATION REF SIGNAL INJECT POINT eNB BB eNB RRH Ant 1 CAL coupler UE1 UL RF channel emulator 2x8 UE1 DL RF channel emulator 8x2 Uplink feedback (SRS, CQI, PMI, RI) Agilent N7109A 8-channel analyzer RF splitter RF circulator RF attenuator

Agilent MXG 或EXG 信号发生器 校准参考信号注入点 eNB BB eNB RRH 天线1 校准耦合盘 UE1 上行链路射频信道仿真器2x8 UE1 下行链路射频信道仿真器8x2 上行链路反馈（SRS、CQI、PMI、RI） Agilent N7109A 8 通道分析仪 射频分离器 射频循环器 射频衰减器

波束赋形的主要测试挑战是需要验证和显示物理射频天线阵列的波束赋形信号性能，以便对以下指标进行验证：

•eNB 射频天线校准精度
•基带编码波束赋形加权算法正确性
•射频天线处的MIMO 信号和双层EVM

图6 中的测试系统使用Agilent N7109A 多通道信号分析仪和支持TD-LTE 测量的89600 VSA 软件。多通道信号分析仪可以支持8 个相位相干射频测量信道，并可与适合的射频分离器和衰减器一起轻松集成到典型的TD-LTE 基站测试装置中。

系统校准是进行准确测量的关键。校正向导程序可以引导用户完成系统校准过程，提示用户将信号分析仪通道1 测量电缆连接到双路校准分离器（图6 中用虚线标出的注入点处）的第一个输出端口。所有交叉信道表征测量都将以通道1 为参考。随后，校正向导程序提示用户将剩下的通道2 至8 测量电缆（位于虚线上）逐次连接到双路校准分离器的第二个输出端口，每次连接一条电缆。通过这种方式，校正向导程序能够表征所需要的交叉信道校正，对信号分析仪的波束赋形测量进行补偿，消除测量电缆、连接器、分离器和衰减器中固有的所有失配效应，从而使用户可以在射频天线输出端看到天线赋形性能的直接、经过校正的测量结果。不过，对射频电缆和连接器给测试系统带来的幅度和相位变化进行校准固然重要，但也不能过分夸大。

如图7 所示，首先使用VSA 软件和多通道信号分析仪显示从全部8 个天线单元进行的时间同步射频信号捕获。用户可以快速识别基础的射频功率或定时性能差错，而后再执行更高级的解调测量。

图7. 8天线发射信号的时间同步捕获

图中文字中英对照

8 channel RF spectrum 8 channel RF time

8 信道射频频谱 8 信道射频时间