隨(sui)著(zhe)手(shou)機(ji)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)小(xiao)，車(che)載(zai)通(tong)信(xin)裝(zhuang)置(zhi)經(jing)過(guo)簡(jian)化(hua)而(er)開(kai)始(shi)采(cai)用(yong)藍(lan)牙(ya)音(yin)頻(pin)連(lian)通(tong)性(xing)技(ji)術(shu)
，移(yi)動(dong)設(she)備(bei)中(zhong)的(de)接(jie)收(shou)分(fen)集(ji)已(yi)經(jing)逐(zhu)漸(jian)淘(tao)汰(tai)。不(bu)過(guo)，這(zhe)一(yi)趨(qu)勢(shi)很(hen)快(kuai)將(jiang)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)：最新的無線局域網實施使用了多天線空間流，能夠增加發射帶寬和速度。隨著實施這一先進技術的低成本硬件的問世，首次發布的 3GPP LTE（第三代合作夥伴計劃長期演進）標準，特別是其 TDD（時分雙工）版本已經提議並實施了各種多天線技術。

再次說明一下，基礎的無線信道使用的是單路發射和單路接收天線，稱為 SISO（單路輸入單路輸出）。這種簡單的無線信道設定了信號傳輸性能的基準，在此基礎上可以對所有更複雜的傳輸配置進行測量。

SIMO（單路輸入多路輸出）提供了比 SISO 基準更大的接收天線冗餘，支持在接收機中使用接收分集技術，例如最大比合並等。這可以改善在設備接收機上觀測到的 SINR
，並有助於改善信道衰落條件下的性能。

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

無論是 SIMO 還是 MISO 都不能提高數據吞吐量
，但它們可以降低誤碼率，從而減少需要重發的數據量。

MIMO（多路輸入多路輸出）提ti供gong額e外wai的de發fa射she和he接jie收shou天tian線xian冗rong餘yu。如ru果guo將jiang相xiang同tong的de數shu據ju發fa送song到dao發fa射she天tian線xian，這zhe一yi冗rong餘yu可ke用yong來lai改gai善shan上shang麵mian所suo述shu使shi用yong相xiang同tong發fa射she和he接jie收shou分fen集ji技ji術shu的de設she備bei接jie收shou機ji上shang的de SINR。或者可以犧牲部分或全部可能的 SINR 性能改善
，以便獲得更高的頻譜效率。空間多路複用發射技術（使用發射天線發送獨立數據流）可以為單一用戶提供更高的數據吞吐量（SU-MIMO 或單用戶 MIMO），或增加係統蜂窩小區容量（MU-MIMO 或多用戶 MIMO）。

chulezhexiefenjihekongjianduolufuyongjishuzhiwai
，haikeyishiyongduotianxianpeizhijiangfashehuojieshoujizhongzaitedingfangxiangshang。zhezhongjishuchengweiboshufuxing
，qujueyujutiyingyong，keyicaiyonggudingboshufuxinghuokebianboshufuxing，bingnenggougaishanxitongxingneng。boshufuxingjishukezaixuduobutongpinlvdeyingyongzhongshiyong，baokuoshengnahedizhenxue、聲學、無線通信、射電天文學和雷達等。

zongzhi

，wulunheshiconglianggehuogengduogekongjianfenlidefashedianfasongxiangtongdexinhao，douhuichuxianganraofangxiangtu。fasheboshufuxingjiushiliyongzhezhongganraofangxiangtujinxinggongzuode。wulunheshiliyongboshufuxingjishuconglianggehuogengduogekongjianfenlidejieshoudianjieshouxiangtongdexinhao，doukeshiyongtongyangdeyuanze。

舉一個簡單的例子，當使用單個全向天線發射射頻無線信號時，產生的信號相對場強如圖 1 (a) 中的藍色實線所示。

為了能夠發射波束賦形信號，需要添加另一個同樣的全向天線陣元，與第一個天線陣元距離間隔半個射頻載波波長，見圖1 (b)。在此例中，兩個天線陣元都傳輸待發射信號信息符號的相同副本。我們可以立即看到，在大約 0°方位角的方向上發生了相長（同相）幹擾，合並後的場強增加，在這個方向上產生有效相幹信號功率增益。相反
，在大約 +/-90° 的方向上會發生相消（異相）幹擾
，合並後的場強會降低或衰減。
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在同一個軸上與前兩個天線陣元間隔半個射頻載波波長的位置上添加第三個天線陣元，可改善合並後相對場強的空間選擇性，見圖1 (c)。在我們的例子中，天線單元經過同極化、相關，並沿著單一天線陣元軸向均勻分隔，構成了一個均勻線性陣列（ULA）天線係統。在相對 ULA 寬邊為 0° 的方向上的單一主瓣信息清晰可見。在這個方向上會發生最大相長（或同相）幹擾，在合並後的場強波束方向圖中產生最大的功率增益。現在我們可以看到兩個不同的功率衰減零點（null）的信息，主瓣一側位於 +/-42 ° 方位角上。這兩個最小功率位置表示在合並後的場強波束方向圖中發生了最大相消（或異相）幹擾的方位方向。
圖中文字中英對照


最後向 ULA 添加第 4 個天線陣元可進一步改善主瓣選擇性，見圖1(d)。功率零點的數量也從兩個增加到三個。兩個零點現在位於 +/-30° 方位角

，第三個位於 ULA 天線軸線上。現在，兩個不同功率旁瓣的信息清晰可見，位於 +/-50° 方位角處。兩個旁瓣的功率電平都低於主瓣。

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

，還受到每個天線陣元上發射的每個信息符號副本所接受的相對幅度和相位加權的影響。

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

通(tong)過(guo)精(jing)心(xin)設(she)計(ji)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)的(de)幾(ji)何(he)形(xing)狀(zhuang)，再(zai)加(jia)上(shang)精(jing)確(que)控(kong)製(zhi)對(dui)每(mei)個(ge)天(tian)線(xian)陣(zhen)元(yuan)所(suo)應(ying)用(yong)的(de)相(xiang)對(dui)幅(fu)度(du)和(he)相(xiang)位(wei)加(jia)權(quan)，不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)控(kong)製(zhi)主(zhu)瓣(ban)功(gong)率(lv)傳(chuan)輸(shu)的(de)選(xuan)擇(ze)性(xing)形(xing)狀(zhuang)和(he)方(fang)位(wei)方(fang)向(xiang)
，還(hai)可(ke)以(yi)控(kong)製(zhi)功(gong)率(lv)零(ling)點(dian)方(fang)位(wei)位(wei)置(zhi)和(he)旁(pang)瓣(ban)電(dian)平(ping)。

讓我們現在單獨考慮添加額外的天線陣元對在目標設備接收機上觀測到的結果波束方向圖的有效功率增益的影響。

圖1(b) 顯示了添加另一個天線陣元的過程。該天線陣元與第一個天線陣元發射完全相同的符號副本。在此例中，相長（同相）信號之和將會導致位於 0° 方位角主波束位置處的目標設備接收機觀測到相幹功率增益增加 6 dB。因此

，如果沒有應用歸一化，圖1繪圖(b)雙天線實例中的主瓣最大值理論上將是繪圖 (a) 單天線實例中的主瓣最大值的兩倍。

這個6 dB相幹增益改善可被視為由於使用兩個空間分離的天線陣元，與單天線發射相比在目標設備接收機上觀測到的波束賦形增益改善。
 
實際上，在兩個天線陣元中的每個上發射的符號功率電平都可能降低 3 dB，達(da)到(dao)初(chu)始(shi)單(dan)天(tian)線(xian)符(fu)號(hao)功(gong)率(lv)電(dian)平(ping)的(de)一(yi)半(ban)
，保(bao)持(chi)與(yu)單(dan)天(tian)線(xian)配(pei)置(zhi)相(xiang)同(tong)的(de)總(zong)發(fa)射(she)機(ji)功(gong)率(lv)。雖(sui)然(ran)如(ru)此(ci)，這(zhe)仍(reng)會(hui)導(dao)致(zhi)在(zai)目(mu)標(biao)設(she)備(bei)接(jie)收(shou)機(ji)上(shang)觀(guan)測(ce)到(dao)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)與(yu)單(dan)天(tian)線(xian)發(fa)射(she)相(xiang)比(bi)有(you) 3 dB 的增益。

使用多天線波束賦形發射，由於結合了波束賦形選擇性、幹擾管理和相幹信號增益等多種優勢
，對於現代無線通信係統非常有吸引力。
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圖中文字中英對照


我們總結了一些重要的方麵和術語，用於描述圖 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餘的幹擾。

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

•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於多餘旁瓣發射功率的選擇性功率差。
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在現代無線蜂窩通信係統中
，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 業務方麵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係統中的性能。 

圖 3 (a) 為兩個相鄰的蜂窩小區，每個蜂窩小區都與位於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 正嚐試通過控製 UE2 方向中的功率零點位置，最大限度地減少對 UE2 的幹擾。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 deganrao。zaiciqingjingzhong

，shiyongboshufuxingxianrannenggouweifengwoxiaoqubianyuanyonghutigongfeichangdadexingnenggaishan。biyaoshi，keyishiyongboshufuxingzengyilaitigaofengwoxiaoqufugailv。 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。由於可以獨立地對每個空間多路複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於用於構成 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。
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在無線網絡中，最佳的 eNB 下行鏈路發射波束選擇主要取決於對蜂窩小區中 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，也可從上行鏈路控製信道質量反饋信息間接推導得出。
圖 4. (a) 固定傳統開關波束賦形器（左）
，(b) 自適應波束賦形器（右）
圖中文字中英對照


為了進行對比
，圖 4 (b) 顯xian示shi了le一yi個ge自zi適shi應ying波bo束shu賦fu形xing器qi實shi例li。顧gu名ming思si義yi，自zi適shi應ying波bo束shu賦fu形xing器qi能neng夠gou不bu斷duan地di進jin行xing自zi適shi應ying和he重zhong新xin計ji算suan所suo應ying用yong的de最zui佳jia發fa射she波bo束shu賦fu形xing複fu數shu加jia權quan值zhi
，從cong而er最zui好hao地di匹pi配pei信xin道dao條tiao件jian。
 
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幹擾。

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，隨後可根據這一信息計算上行鏈路到達角（AoA），並分解信道特征矩陣。

如果是在頻分雙工（FDD）係統中，下行鏈路和上行鏈路使用不同的射頻載波頻率，那麼所施加的波束賦形發射複數加權值將主要取決於測得或推導的目標 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）係統中，由於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 係統中的波束賦形可能比 FDD 係統更出色。所選出的波束賦形發射複數加權值可以與從 eNB 接收信號推導出的結果一樣

，最好地匹配分解後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 不依賴於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。
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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射模式。特別受到關注的是發射模式 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 8 層發射。
圖 5 顯示了在 TD-LTE 蜂窩網絡中使用的典型 eNB 射頻天線配置。該網絡可支持 TM7、TM8 和 TM9 MIMO 波束賦形模式。 圖中文字中英對照


此例為一個 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 進行極化。天線組 1 包括天線單元 5 至 8，以 -45進行極化。

給(gei)定(ding)組(zu)內(nei)的(de)每(mei)個(ge)天(tian)線(xian)陣(zhen)元(yuan)都(dou)是(shi)空(kong)間(jian)分(fen)離(li)的(de)
，間(jian)距(ju)大(da)約(yue)為(wei)半(ban)個(ge)射(she)頻(pin)載(zai)波(bo)波(bo)長(chang)。這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)使(shi)天(tian)線(xian)組(zu)中(zhong)的(de)天(tian)線(xian)陣(zhen)元(yuan)高(gao)度(du)相(xiang)關(guan)，對(dui)於(yu)相(xiang)幹(gan)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)非(fei)常(chang)有(you)利(li)。由(you)於(yu)兩(liang)個(ge)天(tian)線(xian)組(zu)彼(bi)此(ci)之(zhi)間(jian)是(shi)交(jiao)叉(cha)極(ji)化(hua)的(de)，它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)的(de)相(xiang)關(guan)度(du)很(hen)低(di)，所(suo)以(yi)有(you)利(li)於(yu)空(kong)間(jian)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)。因(yin)此(ci)，典(dian)型(xing)的(de) TD-LTE eNB 射頻天線物理配置可同時滿足 MIMO 空間多路複用和相幹波束賦形這兩個合理但又矛盾的關聯要求。
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典型的 TD-LTE eNB 波束賦形測試係統配置

圖中文字中英對照


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波束賦形的主要測試挑戰是需要驗證和顯示物理射頻天線陣列的波束賦形信號性能，以便對以下指標進行驗證：

•eNB 射頻天線校準精度

•基帶編碼波束賦形加權算法正確性

•射頻天線處的 MIMO 信號和雙層 EVM

圖 6 中的測試係統使用 Agilent N7109A 多通道信號分析儀和支持 TD-LTE 測量的 89600 VSA 軟件。多通道信號分析儀可以支持 8 個相位相幹射頻測量信道，並可與適合的射頻分離器和衰減器一起輕鬆集成到典型的 TD-LTE 基站測試裝置中。

係統校準是進行準確測量的關鍵。校正向導程序可以引導用戶完成係統校準過程，提示用戶將信號分析儀通道 1 測量電纜連接到雙路校準分離器（圖 6 中用虛線標出的注入點處）的第一個輸出端口。所有交叉信道表征測量都將以通道 1 為參考。隨後
，校正向導程序提示用戶將剩下的通道 2 至 8 測量電纜（位於虛線上）zhucilianjiedaoshuangluxiaozhunfenliqidediergeshuchuduankou
，meicilianjieyitiaodianlan。tongguozhezhongfangshi，xiaozhengxiangdaochengxunenggoubiaozhengsuoxuyaodejiaochaxindaoxiaozheng
，duixinhaofenxiyideboshufuxingceliangjinxingbuchang

，xiaochuceliangdianlan、連接器、分離器和衰減器中固有的所有失配效應，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
、經過校正的測量結果。不過
，對射頻電纜和連接器給測試係統帶來的幅度和相位變化進行校準固然重要，但也不能過分誇大。

如圖 7 所示，首先使用 VSA 軟件和多通道信號分析儀顯示從全部 8 個天線單元進行的時間同步射頻信號捕獲。用戶可以快速識別基礎的射頻功率或定時性能差錯，而後再執行更高級的解調測量。
圖中文字中英對照

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VSA 軟件 TD-LTE 測量應用程序提供了廣泛的解調結果
，用於驗證下行鏈路 MIMO 波束賦形信號。這些包括 IQ 星座圖、EVM 結果指標
、探測到的資源分配、特定用戶的 RS 加權值、特定小區的 RS 加權值和減損值，以及特定用戶和公共廣播天線波束方向圖。圖 8 至圖 11 顯示了這些結果的部分實例。

如圖 8 中跡線 A 和 L 所示，解調後的 IQ 星座圖按照空間多路複用層進行顯示，並可快速顯示信號調製質量的正確性。
圖中文字中英對照


圖 8 跡線 D 中顯示的幀彙總提供了訪問各個信道和信號類型相關 EVM 和功率指標的途徑。它還提供了用於所有信道類型結果的顏色鍵
，該顏色鍵可在整個 VSA 跡線中重複使用。
圖 8 跡線 B 中的探測分配結果顯示了每個特定用戶發射的資源塊分配，以及公共控製信道使用的資源分配。

圖 9 中的表格顯示了對 8 個天線單元中的每 1 個進行測量所得到的特定 UE RS 加(jia)權(quan)值(zhi)。加(jia)權(quan)值(zhi)可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)從(cong)幅(fu)度(du)和(he)相(xiang)位(wei)方(fang)麵(mian)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)
，最(zui)多(duo)可(ke)細(xi)化(hua)到(dao)每(mei)個(ge)用(yong)戶(hu)發(fa)射(she)相(xiang)關(guan)的(de)單(dan)個(ge)資(zi)源(yuan)塊(kuai)分(fen)配(pei)。測(ce)量(liang)應(ying)用(yong)軟(ruan)件(jian)還(hai)可(ke)提(ti)供(gong)每(mei)個(ge)空(kong)間(jian)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)層(ceng)的(de)單(dan)獨(du)特(te)定(ding)用(yong)戶(hu) RS 加權值跡線。小區 RS 映射提供了圖中的藍色曲線。  

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圖中文字中英對照


總結

yuxiandaiwuxianfengwotongxinxitongyouguandexingnengwentidoushizuijutiaozhanxingdewenti。zaicilingyuzhong，yonghushebeishoufaxinhaodezhilianghuishoudaozaoshengzuiyanzhongdeyingxiangyijizuidachengdudexiaoqujianganrao。shiyongduotianxianboshufuxingfashejishukeyifahuiguanjiandegaishanzuoyong，youqishidui TD-LTE 網絡而言，因為在該網絡中上下行鏈路頻率是相同的，可以假設信道互易。波束賦形選擇性
、幹gan擾rao管guan理li和he相xiang幹gan信xin號hao增zeng益yi等deng多duo種zhong優you勢shi合he為wei一yi體ti

，可ke在zai整zheng個ge小xiao區qu內nei以yi可ke接jie受shou的de性xing能neng水shui平ping提ti供gong重zhong要yao業ye務wu

，有you助zhu於yu確que保bao更geng一yi致zhi的de最zui終zhong用yong戶hu體ti驗yan。

從 eNB 開發的角度來看
，多天線波束賦形發射的使用帶來了一些特殊的測試挑戰，包括需要驗證用於生成波束賦形加權值的 eNB 基帶接收/發射算法是否正確實施
，以及精確驗證射頻天線上觀測的 eNB xiaozhunxingneng。zaiduiboshufuxingfashexitongjinxingceshishi，bixuduishiyongdewuliceliangpeizhizhuangzhijinxingxixinxiaozheng。lingwai
，youyuboshufuxingjiehelekongjianduolufuyongjishu，suoyihaixuyaoduizaishepintianxianchuguancedaodemeige MIMO 層的 EVM 性能進行驗證。

如果您希望觀看上述測量的演示視頻，
請訪問：http://www.youtube.com/watch?v=mj58aSOZ1Kc