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射頻波束賦形技術(shù)改善TD-LTE蜂窩小區(qū)邊緣性能

2013-10-28 來源:微波射頻網(wǎng) 字號:
圖3(b)描述了與兩個空間分離的設(shè)備(UE3 和UE4)同時進行的單小區(qū)(eNB3)通信。由于可以獨立地對每個空間多路復(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施技術(shù)。圖4(a) 中的實例是固定傳統(tǒng)開關(guān)波束賦形器,其中包括一個8 端口Butler 矩陣波形賦形網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)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(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 個天線,產(chǎn)生了8 條可選擇的波束。)這有時也稱為“波束網(wǎng)格”的波束賦形網(wǎng)絡(luò),支持選擇任何單獨的或組合的N 個固定發(fā)射波束,以便最大限度提高設(shè)備接收機的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蜂窩小區(qū)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(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 個中的1 個
固定波束選擇加組合
自適應(yīng)波束賦形器
補償
估算
自適應(yīng)的調(diào)整接收信號天線權(quán)重和波束方向圖并進行信道估算

為了進行對比,圖4 (b) 顯示了一個自適應(yīng)波束賦形器實例。顧名思義,自適應(yīng)波束賦形器能夠不斷地進行自適應(yīng)和重新計算所應(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。 

因為自適應(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定位進行自適應(yīng),最大限度減少對其他用戶的干擾。

在無線網(wǎng)絡(luò)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(quán)值,隨后可根據(jù)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(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 接收機上觀測到的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,盡管在實際上,eNB 波束賦形加權(quán)值估算過程中仍可能會使用這些信息。

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

圖中文字中英對照

~ 0.5 x wavelength spacing
+45 degree polarization = A1, A2, A3, A4
-45 degree polarization = A5, A6, A7, A8
~ 半波長間距
+45 °極化= A1、A2、A3、A4
-45 °極化= A5、A6、A7、A8

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。

給定組內(nèi)的每個天線陣元都是空間分離的,間距大約為半個射頻載波波長。這樣可以使天線組中的天線陣元高度相關(guān),對于相干波束賦形非常有利。由于兩個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滿足MIMO 空間多路復(fù)用和相干波束賦形這兩個合理但又矛盾的關(guān)聯(lián)要求。

典型的TD-LTE eNB 波束賦形測試系統(tǒng)配置

圖6.典型的TD-LTE 波束賦形測試系統(tǒng)配置

圖中文字中英對照

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 信號發(fā)生器
校準(zhǔn)參考信號注入點
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

波束賦形的主要測試挑戰(zhàn)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(biāo)進行驗證:

•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 信號和雙層EVM

圖6 中的測試系統(tǒng)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 個相位相干射頻測量信道,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 基站測試裝置中。

系統(tǒng)校準(zhǔn)是進行準(zhǔn)確測量的關(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,提示用戶將信號分析儀通道1 測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。隨后,校正向?qū)С绦蛱崾居脩魧⑹O碌耐ǖ? 至8 測量電纜(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π盘柗治鰞x的波束賦形測量進行補償,消除測量電纜、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)過校正的測量結(jié)果。不過,對射頻電纜和連接器給測試系統(tǒng)帶來的幅度和相位變化進行校準(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(chǔ)的射頻功率或定時性能差錯,而后再執(zhí)行更高級的解調(diào)測量。

圖7. 8天線發(fā)射信號的時間同步捕獲

圖中文字中英對照

8 channel RF spectrum
8 channel RF time
8 信道射頻頻譜
8 信道射頻時間

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