未校準天線陣列對其覆蓋性能的影響分析*

嚴文發(fā),賈 全,劉詩虎,余 想

(1.中國移動通信集團湖北有限公司設計中心,湖北武漢430010;2.華中科技大學電子與信息工程系,湖北武漢430074)

未校準天線陣列對其覆蓋性能的影響分析*

嚴文發(fā)1,賈 全1,劉詩虎1,余 想2

(1.中國移動通信集團湖北有限公司設計中心,湖北武漢430010;2.華中科技大學電子與信息工程系,湖北武漢430074)

陣列天線以其良好的空間復用與分集特性,成為TD-SCDMA、LTE、LTE-A以及后續(xù)移動通信系統(tǒng)標準的關鍵技術。然而,由于天線陣列位置偏差以及相位抖動,極易帶來有效信號波束主瓣指向的偏差,在縮小有效覆蓋的同時,帶來不必要的干擾。分析天線陣元間距變化與所加載信號矢量相位偏差對覆蓋性能的影響,對于未來多用戶系統(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)劃與布設具有重要的指導意義。

波束 相位偏差 校準 大規(guī)模MIMO

0 引 言

雖然MIMO(Multi-Input-Multi-Output)技術的提出被認為具有通信理論發(fā)展史上的里程碑意義——信息論的推導與相關實驗結果都表明[1]:通過在“點對點”通信兩端都引入多天線,可在不額外增加功率和帶寬的前提下,實現(xiàn)頻譜效率隨天線數(shù)的線性增長。但是,上述關于MIMO鏈路的結論是在沒有考慮小區(qū)自干擾或互干擾的前提下得到的。

MIMO多天線技術被認為是緩解頻譜瓶頸的重要技術。在具體的傳輸策略上,為了降低系統(tǒng)內(nèi)同頻干擾,同時增加小區(qū)覆蓋,在基站側引入了波束賦形技術,以實現(xiàn)波束間的空間隔離。該技術隨著MIMO的研究深入與技術成熟,已在3G TD-SCDMA (Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)[2]、4G LTE系統(tǒng)中得到應用[3],并在未來通信技術,如LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)中起著提升頻譜效率與降低功耗的核心作用。

在天線陣波束賦形技術中,各天線陣元上入射或發(fā)射信號的波程差,直接表現(xiàn)為各陣元的信號相位差。因此,具有相同信號強度(天線陣尺寸與傳輸距離相比是微不足道的)、不同相位的陣元信號,通過矢量的疊加,總體信號強度表現(xiàn)出不同的空間覆蓋。迄今為止,相關文獻對于波束覆蓋的研究均是基于理想的信號傳輸條件下的。然而,在實際系統(tǒng)中,天線陣元間距、各陣元相位變化是否會影響所期望的波束方向覆蓋,例如在天線未校準條件下,波束主瓣有用信號空間覆蓋是否會被放大或被縮小,是否會生成新的旁瓣空間,以及旁瓣空間的大小等這些問題還未有文檔進行詳細分析,因此這是本文所分析的重點。特別是在多用戶、多小區(qū)環(huán)境水平覆蓋與垂直重疊覆蓋組網(wǎng)環(huán)境下,以及在未來大尺度MIMO場景中應用時[4-5],隨著所復用的用戶數(shù)急劇增加,干擾已成為提高頻譜效率的最大障礙。因而對波束空間的干擾分析具有重要理論與實踐意義。

1 MISO信道傳輸模型

在實際系統(tǒng)中,天線陣列口徑遠小于發(fā)射機與接收機之間的傳輸距離。為分析發(fā)射多天線陣列空間覆蓋問題,不失一般性,我們假設接收端配備一根天線,將MIMO信道簡化為MISO(Multiple-Input Single-Output)信道[6],如圖1所示,即包括多副發(fā)射天線和一副接收天線的視距信道。(i-1) Δtλccosφ為視距方向上,第i根發(fā)射天線相對與第一根發(fā)射天線的相對位移?？紤]到收發(fā)端足夠遠的條件下,假設天線間隔Δtλc,其中Δt為歸一化天線間隔,λc為波長。

圖1 MISO信道模型Fig.1 MISO channel model

假定第i根發(fā)射天線陣元與接收天線之間基帶信道增益hi,可表示為:

式中,a為距離引起的路徑損耗,λc是光速,di為第i根發(fā)射天線到接收天線之間的間距:

可以看出,相鄰發(fā)射天線與接收天線之間的波程差為Δtλccosφ,正是這種波程差引起的相位差,導致信號空間覆蓋的方向特征[7]。因此,由式(1)知接收天線信道矢量:

從式(3)可看出,由相對時延引起的相鄰天線陣元的相位差為2πΔtcosφ,從后續(xù)分析中可以看出,該相位差可引起不同的波束賦形空間覆蓋特征。

2 標準空分覆蓋分析

若天線無附加任何預編碼碼字,即假設天線各陣元初始相位相同,主波束方向將是固定、不可變的。為控制波束的覆蓋方向,需要附加額外的預編碼碼字,對波束預期的方向進行設定。尤其是在MIMO復用過程中,可以通過多個相互正交的預編碼碼字,達到同時與多條鏈路同時通信的目的,實現(xiàn)系統(tǒng)容量的線性增長。天線陣列間具有高的相關性,利用波程差空間耦合可形成定向的波束,達到發(fā)射功率的聚焦,實現(xiàn)功率增益的目的。通過選取波束,覆蓋所期望的通信用戶,該波束即表示最大陣列增益的預編碼向量,通過波束精確覆蓋,能進一步減小對其他用戶的干擾。

在標準三扇區(qū)配置下,每個扇區(qū)的覆蓋范圍為120°,可以得到基于GoB(Gird of Beam)的8個或16個等間距的波束。預設的波束方向,可用相對均勻的角度表示:

根據(jù)LTE標準,所構造的預編碼碼本中,第i個碼字可記為Wi:

Wi=a(θi)=

綜合式(3),波束空間覆蓋可表示為diag(Wi)h。

那么標準的16個波束與8個波束空間覆蓋如圖2(a)與圖2(b)所示,可以看到,波束能完美覆蓋空間區(qū)域,而且,波束個數(shù)越多,空間覆蓋完整性越好。在實際三扇區(qū)基站架設過程中,每個扇區(qū)可取角度范圍在-60°～60°的波束,可以看出在該角度區(qū)間,波束覆蓋已經(jīng)趨于均勻。

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3 天線未校準覆蓋分析

實際場景下,受天線布設尺寸偏差與相位偏差影響[8-10],空間覆蓋是否還是如圖2所示標準覆蓋,是需要重點關注的重點問題之一。為分析天線在未校準時對波束空間覆蓋性能的影響,考慮在預編碼碼字為全1時,即相位角θi=0,僅有一個預編碼碼字條件為典型,以式(4)為藍本從天線相位角偏差、與天線間距偏差兩個角度,分析其對波束覆蓋的性能的影響。

3.1 天線相位偏差對覆蓋的影響

圖3為4發(fā)射天線空間特征圖,其中圖3(a)為天線相位一致,即校準情況下的空間特征圖;圖3(b)為天線2、3相位偏移θΔi存在30°、-30°相移波束時的空間特征圖。從圖3中可直觀看出,部分天線相位發(fā)生變化,對空間特征圖有影響,波束主瓣變小,而旁瓣形狀畸變。并且,通過分析發(fā)現(xiàn),各天線相位差異隨機化越大,這種畸變越明顯。

圖3 4發(fā)射天線空間特征Fig.3 Spatial characteristics figure with 4 transmitting antennas

3.2 天線間距改變場景

通過對圖3(a)分析可知,在角度為0,π方向區(qū)域,主瓣最大,其中π方向為0角度方向的鏡像。當波達方向與0度夾角為φ時,極坐標中對應角度

因此,從式(7)中三角函數(shù)特性可看出,波束空間特征圖的幅度值呈現(xiàn)一種周期分布,分子決定旁瓣周期,分母決定主瓣周期,分母周期是分子周期Nt倍,周期特征與波達方向Φ、天線數(shù)目Nt、天線間距Δt因素均有關系。如圖4所示為天線間距分別為0.5/ 0.8/1λ時波束特征圖。

圖4 天線間距分別為0.5/0.8/1 lamda時波束特征Fig.4 Spatial characteristics figure of 0.5/0.8/1 lamda antenna spacing

4 結 語

根據(jù)以上對單一波束賦形的分析可以得出,無論是天線相位偏移或者天線間距的變化,都會對系統(tǒng)性能帶來影響。主要表現(xiàn)在:①有效信號主瓣寬度變窄,使得特定用戶信號覆蓋區(qū)域縮小,從而導致信號接收強度不夠;②干擾旁瓣增加,與校準時相比,空間覆蓋旁瓣增加明顯,且呈現(xiàn)不規(guī)則、不可預知的特性,極易由于旁瓣泄漏引起的對其他方向的干擾。在這種有用信號強度的減弱的同時,干擾增強,因此必將使得系統(tǒng)的SINR(信干噪比)的急劇降低,在極端情況下,將導致系統(tǒng)無法正常工作。

而多用戶波束賦形是對單一波束賦形的自然擴充,鑒于以該波束賦形為基礎的多址方式在未來移動通信,尤其是大規(guī)模MIMO中有較普遍的應用,天線波束覆蓋校準將具有極其重要的意義。多用戶場景下天線未校準,將導致波束覆蓋特征圖趨于紊亂,不僅鏈路自身通信能力降低,而且也會給其他鏈路帶來嚴重干擾,即“損人亦不利己”,無法實行有效的多址通信。因此,本文的研究成果,對于將來系統(tǒng)設計、實際問題定位等都具有相當重要的意義。

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YAN Wen-fa(1972-),male,M.Sci., seniorengineer,majoringincommunication planning and design.

賈 全(1980—),男,碩士,高工,主要研究方向為通信工程規(guī)劃設計;

JIA Quan(1980-),male,M.Sci.,senior engineer,majoring in communication planning and design.

劉詩虎(1985—),男,學士,通信規(guī)劃工程師,主要研究方向為通信工程規(guī)劃設計;

LIU Shi-hu(1985-),male,B.Sci.,communications-planning engineer,majoring in communication planning and design.

余 想(1990—),男,碩士,主要研究方向為移動通信技術。

YU Xiang(1990-),male,M.Sci.,majoring in mobile communication technology.

Influence of Uncalibrated Antenna Array on Coverage Performance

YAN Wen-fa1,JIA Quan1,LIU Shi-hu1,YU Xiang2
(1.Design Center,Hubei Co.Ltd,CMCC,Wuhan Hubei 430074,China; 2.Department of Electronics&Information Engineering,HUST,Wuhan Hubei 430074,China)

Array antenna is the key technology of TD-SCDMA,LTE,LTE-A and future mobile communication systems for its excellent spatial multiplexing and diversity characteristics.However,the imperfect spacing and phase jitter of antenna array would easily result in direction deviation of main lobe of the signal beam,and cause unnecessary interference while narrowing the effective coverage.This article disusses the influence of imperfect antenna array element spacing and loaded signal vector phase deviation on the coverage performance.This is of great importance to the system planning and deployment of multi-user networks in the future.

beam;phase offset;calibration;massive MIMO

TN929

A

1002-0802(2014)10-1144-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.008

嚴文發(fā)(1972—),男,碩士,高工,主要研究方向為通信工程規(guī)劃設計;

2014-05-15;

2014-08-20 Received date：2014-05-15;Revised date：2014-08-20

國家科技重大專項(No.2013ZX03003002-004);國家高技術研究發(fā)展計劃863計劃(No.2014AA01A701)

Foundation Item:National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China;National High-tech R&D Program of China(863 Program)