圖3(b)描述了與兩個(gè)空間分離的設(shè)備（UE3 和UE4）同時(shí)進(jìn)行的單小區(qū)（eNB3）通信。由于可以獨(dú)立地對(duì)每個(gè)空間多路復(fù)用傳輸層應(yīng)用不同的波束賦形加權(quán)值，所以可以結(jié)合使用空分多址（SDMA）和多用戶MIMO（MU-MIMO）傳輸，提供經(jīng)過改善的小區(qū)容量。

圖4顯示了兩種不同的波束賦形實(shí)施技術(shù)。圖4(a) 中的實(shí)例是固定傳統(tǒng)開關(guān)波束賦形器，其中包括一個(gè)8 端口Butler 矩陣波形賦形網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施由不同的可選擇固定時(shí)間或相位時(shí)延路徑矩陣使用90°混合耦合器和相移器組合實(shí)施而成。

產(chǎn)生的固定發(fā)射波束數(shù)量等于用于構(gòu)成Butler 矩陣網(wǎng)絡(luò)的天線陣元N 的數(shù)量。（示例使用了8 個(gè)天線，產(chǎn)生了8 條可選擇的波束。）這有時(shí)也稱為“波束網(wǎng)格”的波束賦形網(wǎng)絡(luò)，支持選擇任何單獨(dú)的或組合的N 個(gè)固定發(fā)射波束，以便最大限度提高設(shè)備接收機(jī)的SINR。

在無線網(wǎng)絡(luò)中，最佳的eNB 下行鏈路發(fā)射波束選擇主要取決于對(duì)蜂窩小區(qū)中UE 位置的了解。這種了解實(shí)際上可通過測(cè)量eNB 接收天線陣列上的上行鏈路信號(hào)到達(dá)角（AoA）直接獲得，也可從上行鏈路控制信道質(zhì)量反饋信息間接推導(dǎo)得出。

圖4.(a) 固定傳統(tǒng)開關(guān)波束賦形器（左），(b) 自適應(yīng)波束賦形器（右）

圖中文字中英對(duì)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 矩陣 8 個(gè)中的1 個(gè) 固定波束選擇加組合 自適應(yīng)波束賦形器 補(bǔ)償 估算 自適應(yīng)的調(diào)整接收信號(hào)天線權(quán)重和波束方向圖并進(jìn)行信道估算

為了進(jìn)行對(duì)比，圖4 (b) 顯示了一個(gè)自適應(yīng)波束賦形器實(shí)例。顧名思義，自適應(yīng)波束賦形器能夠不斷地進(jìn)行自適應(yīng)和重新計(jì)算所應(yīng)用的最佳發(fā)射波束賦形復(fù)數(shù)加權(quán)值，從而最好地匹配信道條件。 

因?yàn)樽赃m應(yīng)波束賦形器加權(quán)值不是固定的，所以它不僅能夠優(yōu)化目標(biāo)UE 上的接收SINR，還能更好地使選擇性和功率零點(diǎn)定位進(jìn)行自適應(yīng)，最大限度減少對(duì)其他用戶的干擾。

在無線網(wǎng)絡(luò)中，eNB 通常會(huì)通過直接測(cè)量在eNB 接收機(jī)陣列上觀測(cè)到的已接收上行鏈路參考信號(hào)來估算最佳加權(quán)值，隨后可根據(jù)這一信息計(jì)算上行鏈路到達(dá)角（AoA），并分解信道特征矩陣。

如果是在頻分雙工（FDD）系統(tǒng)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(fā)射復(fù)數(shù)加權(quán)值將主要取決于測(cè)得或推導(dǎo)的目標(biāo)UE AoA 信息，以及蜂窩小區(qū)中任何其他UE 的相關(guān)信息。上行鏈路上的UE 所報(bào)告的信道反饋信息也可為加權(quán)值估算提供幫助。

如果是在時(shí)分雙工（TDD）系統(tǒng)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(tǒng)中的波束賦形可能比FDD 系統(tǒng)更出色。所選出的波束賦形發(fā)射復(fù)數(shù)加權(quán)值可以與從eNB 接收信號(hào)推導(dǎo)出的結(jié)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(quán)值可幫助優(yōu)化目標(biāo)UE 接收機(jī)上觀測(cè)到的SINR。eNB 不依賴于上行鏈路上的用戶設(shè)備所提供的信道反饋信息，盡管在實(shí)際上，eNB 波束賦形加權(quán)值估算過程中仍可能會(huì)使用這些信息。

LTE 中的波束賦形

LTE 定義了多種可支持波束賦形的下行鏈路發(fā)射模式。特別受到關(guān)注的是發(fā)射模式7、8 和9。3GPP 第8 版推出了支持單層波束賦形的TM7。第9 版增加了支持雙層波束賦形的TM8，而第10 版增加了TM9，它可以支持多達(dá)8 層發(fā)射。

圖5 顯示了在TD-LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用的典型eNB 射頻天線配置。該網(wǎng)絡(luò)可支持TM7、TM8 和TM9 MIMO 波束賦形模式。

圖5.用于TD-LTE TM7、TM8 和TM9 的典型8 天線配置

圖中文字中英對(duì)照

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

~ 半波長(zhǎng)間距 +45 °極化= A1、A2、A3、A4 -45 °極化= A5、A6、A7、A8

此例為一個(gè)8 陣元物理天線，采用兩組天線單元配置。兩組天線單元彼此以90? 正交交叉極化。天線組0 包括天線單元1 至4，以+45? 進(jìn)行極化。天線組1 包括天線單元5 至8，以-45進(jìn)行極化。

給定組內(nèi)的每個(gè)天線陣元都是空間分離的，間距大約為半個(gè)射頻載波波長(zhǎng)。這樣可以使天線組中的天線陣元高度相關(guān)，對(duì)于相干波束賦形非常有利。由于兩個(gè)天線組彼此之間是交叉極化的，它們之間的相關(guān)度很低，所以有利于空間多路復(fù)用。因此，典型的TD-LTE eNB 射頻天線物理配置可同時(shí)滿足MIMO 空間多路復(fù)用和相干波束賦形這兩個(gè)合理但又矛盾的關(guān)聯(lián)要求。

典型的TD-LTE eNB 波束賦形測(cè)試系統(tǒng)配置

圖6.典型的TD-LTE 波束賦形測(cè)試系統(tǒng)配置

圖中文字中英對(duì)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 信號(hào)發(fā)生器 校準(zhǔn)參考信號(hào)注入點(diǎn) eNB BB eNB RRH 天線1 校準(zhǔn)耦合盤 UE1 上行鏈路射頻信道仿真器2x8 UE1 下行鏈路射頻信道仿真器8x2 上行鏈路反饋（SRS、CQI、PMI、RI） Agilent N7109A 8 通道分析儀 射頻分離器 射頻循環(huán)器 射頻衰減器

波束賦形的主要測(cè)試挑戰(zhàn)是需要驗(yàn)證和顯示物理射頻天線陣列的波束賦形信號(hào)性能，以便對(duì)以下指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證：

•eNB 射頻天線校準(zhǔn)精度
•基帶編碼波束賦形加權(quán)算法正確性
•射頻天線處的MIMO 信號(hào)和雙層EVM

圖6 中的測(cè)試系統(tǒng)使用Agilent N7109A 多通道信號(hào)分析儀和支持TD-LTE 測(cè)量的89600 VSA 軟件。多通道信號(hào)分析儀可以支持8 個(gè)相位相干射頻測(cè)量信道，并可與適合的射頻分離器和衰減器一起輕松集成到典型的TD-LTE 基站測(cè)試裝置中。

系統(tǒng)校準(zhǔn)是進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵。校正向?qū)С绦蚩梢砸龑?dǎo)用戶完成系統(tǒng)校準(zhǔn)過程，提示用戶將信號(hào)分析儀通道1 測(cè)量電纜連接到雙路校準(zhǔn)分離器（圖6 中用虛線標(biāo)出的注入點(diǎn)處）的第一個(gè)輸出端口。所有交叉信道表征測(cè)量都將以通道1 為參考。隨后，校正向?qū)С绦蛱崾居脩魧⑹Ｏ碌耐ǖ? 至8 測(cè)量電纜（位于虛線上）逐次連接到雙路校準(zhǔn)分離器的第二個(gè)輸出端口，每次連接一條電纜。通過這種方式，校正向?qū)С绦蚰軌虮碚魉枰慕徊嫘诺佬Ｕ瑢?duì)信號(hào)分析儀的波束賦形測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)償，消除測(cè)量電纜、連接器、分離器和衰減器中固有的所有失配效應(yīng)，從而使用戶可以在射頻天線輸出端看到天線賦形性能的直接、經(jīng)過校正的測(cè)量結(jié)果。不過，對(duì)射頻電纜和連接器給測(cè)試系統(tǒng)帶來的幅度和相位變化進(jìn)行校準(zhǔn)固然重要，但也不能過分夸大。

如圖7 所示，首先使用VSA 軟件和多通道信號(hào)分析儀顯示從全部8 個(gè)天線單元進(jìn)行的時(shí)間同步射頻信號(hào)捕獲。用戶可以快速識(shí)別基礎(chǔ)的射頻功率或定時(shí)性能差錯(cuò)，而后再執(zhí)行更高級(jí)的解調(diào)測(cè)量。

圖7. 8天線發(fā)射信號(hào)的時(shí)間同步捕獲

圖中文字中英對(duì)照

8 channel RF spectrum 8 channel RF time

8 信道射頻頻譜 8 信道射頻時(shí)間