自很早以前開(kāi)始，多天線技術(shù)便已在移動(dòng)無(wú)線系統(tǒng)中得到使用。在早期的基站發(fā)射和車(chē)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(wèn)題更加嚴(yán)重。以往的辦法是使用基站發(fā)射和車(chē)載接收機(jī)天線分集來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。隨著手機(jī)變得越來(lái)越小，車(chē)載通信裝置經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化而開(kāi)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(guò)，這一趨勢(shì)很快將發(fā)生變化：最新的無(wú)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(wèn)世，首次發(fā)布的3GPP LTE（第三代合作伙伴計(jì)劃長(zhǎng)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(shuō)明一下，基礎(chǔ)的無(wú)線信道使用的是單路發(fā)射和單路接收天線，稱(chēng)為SISO（單路輸入單路輸出）。這種簡(jiǎn)單的無(wú)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(cè)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(cè)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(cè)到的SINR，并可幫助提供保護(hù)，防止信道衰落。

無(wú)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(lái)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靠赡艿腟INR 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(chēng)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(wú)線通信、射電天文學(xué)和雷達(dá)等。

總之，無(wú)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(wú)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(jiǎn)單的例子，當(dāng)使用單個(gè)全向天線發(fā)射射頻無(wú)線信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生的信號(hào)相對(duì)場(chǎng)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(zhǎng)，見(jiàn)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(zhǎng)（同相）干擾，合并后的場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)的位置上添加第三個(gè)天線陣元，可改善合并后相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的空間選擇性，見(jiàn)圖1 (c)。在我們的例子中，天線單元經(jīng)過(guò)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(jiàn)。在這個(gè)方向上會(huì)發(fā)生最大相長(zhǎng)（或同相）干擾，在合并后的場(chǎng)強(qiáng)波束方向圖中產(chǎn)生最大的功率增益?，F(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(chǎng)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。

圖1. ULA 波束賦形實(shí)例圖

中文字中英對(duì)照

Main lobe = omnidirectional 1 antenna element Main lobe = 0 deg azimuth # nulls =1 2 antenna elements 0.5 wavelength separation 0 deg phase shift per ant element

主瓣= 全向 1 個(gè)天線陣元 主瓣= 0°方位角 零點(diǎn)數(shù)量= 1 2 個(gè)天線陣元 間隔0.5個(gè)波長(zhǎng) 每個(gè)天線陣元相移0 °

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(jiàn)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(jiàn)，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(guò)在四個(gè)天線陣元中的每一個(gè)上引入+90°相對(duì)相移來(lái)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(guò)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(cè)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(guò)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(zhǎng)（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(cè)到相干功率增益增加6 dB。因此，如果沒(méi)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(cè)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(cè)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(shì)，對(duì)于現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)非常有吸引力。

圖2.波束賦形術(shù)語(yǔ)

圖中文字中英對(duì)照

Main Lobe Power Null Side Lobe 0 deg 4 Antenna Elements Correlated co-polarized 0.5 wavelength separation with 90 deg phase shift per antenna element

主瓣 功率零點(diǎn) 旁瓣 0 ° 4 個(gè)天線陣元 相關(guān)共極化0.5 波長(zhǎng)間距，每天線陣元相移90 °

我們總結(jié)了一些重要的方面和術(shù)語(yǔ)，用于描述圖2 中的波束賦形發(fā)射：

•主瓣：主要的最大發(fā)射功率瓣，通常指向目標(biāo)設(shè)備或發(fā)射路徑（該發(fā)射路徑將通過(guò)在無(wú)線傳播信道中進(jìn)行反射到達(dá)目標(biāo)設(shè)備）。
•旁瓣：次要的功率發(fā)射瓣，有可能對(duì)服務(wù)小區(qū)或鄰近小區(qū)中的其他用戶設(shè)備產(chǎn)生多余的干擾。
•功率零點(diǎn)：發(fā)射波束方向圖中功率最小的位置，系統(tǒng)可以選擇使用和控制該位置，以減少對(duì)服務(wù)小區(qū)或鄰近小區(qū)中設(shè)備的干擾。
•主波瓣寬度（Φ）：主瓣發(fā)射選擇性，在主瓣兩個(gè)3 dB 點(diǎn)上方位角寬度的測(cè)量結(jié)果。
•主瓣至旁瓣的電平：預(yù)期主瓣發(fā)射功率相對(duì)于多余旁瓣發(fā)射功率的選擇性功率差。

在現(xiàn)代無(wú)線蜂窩通信系統(tǒng)中，一個(gè)最大的挑戰(zhàn)是蜂窩小區(qū)邊緣性能。這是波束賦形技術(shù)在提供LTE 業(yè)務(wù)方面能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用的主要原因。圖3 顯示了兩個(gè)實(shí)際的情景示例，它們均利用了波束賦形的先進(jìn)特性以改善現(xiàn)代蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)中的性能。

圖3 (a) 為兩個(gè)相鄰的蜂窩小區(qū)，每個(gè)蜂窩小區(qū)都與位于兩個(gè)蜂窩小區(qū)之間邊界上的單獨(dú)用戶設(shè)備進(jìn)行通信。此圖顯示，eNB1 正在與目標(biāo)設(shè)備UE1 通信，eNB1 發(fā)射使用波束賦形來(lái)最大限度提高UE1 方位方向中的信號(hào)功率。同時(shí)，我們還可看到，eNB1 正嘗試通過(guò)控制UE2 方向中的功率零點(diǎn)位置，最大限度地減少對(duì)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(fā)射接收率，同時(shí)減少對(duì)UE1 的干擾。在此情景中，使用波束賦形顯然能夠?yàn)榉涓C小區(qū)邊緣用戶提供非常大的性能改善。必要時(shí)，可以使用波束賦形增益來(lái)提高蜂窩小區(qū)覆蓋率。

圖3 (a).用于蜂窩小區(qū)邊緣性能改善的波束賦形

圖3 (b).用于使用MU-MIMO 進(jìn)行蜂窩小區(qū)容量改善的波束賦形