未校准天线阵列对其覆盖性能的影响分析*

严文发,贾 全,刘诗虎,余 想

(1.中国移动通信集团湖北有限公司设计中心,湖北武汉430010;2.华中科技大学电子与信息工程系,湖北武汉430074)

未校准天线阵列对其覆盖性能的影响分析*

严文发1,贾 全1,刘诗虎1,余 想2

(1.中国移动通信集团湖北有限公司设计中心,湖北武汉430010;2.华中科技大学电子与信息工程系,湖北武汉430074)

阵列天线以其良好的空间复用与分集特性,成为TD-SCDMA、LTE、LTE-A以及后续移动通信系统标准的关键技术。然而,由于天线阵列位置偏差以及相位抖动,极易带来有效信号波束主瓣指向的偏差,在缩小有效覆盖的同时,带来不必要的干扰。分析天线阵元间距变化与所加载信号矢量相位偏差对覆盖性能的影响,对于未来多用户系统网络规划与布设具有重要的指导意义。

波束 相位偏差 校准 大规模MIMO

0 引 言

虽然MIMO(Multi-Input-Multi-Output)技术的提出被认为具有通信理论发展史上的里程碑意义——信息论的推导与相关实验结果都表明[1]:通过在“点对点”通信两端都引入多天线,可在不额外增加功率和带宽的前提下,实现频谱效率随天线数的线性增长。但是,上述关于MIMO链路的结论是在没有考虑小区自干扰或互干扰的前提下得到的。

MIMO多天线技术被认为是缓解频谱瓶颈的重要技术。在具体的传输策略上,为了降低系统内同频干扰,同时增加小区覆盖,在基站侧引入了波束赋形技术,以实现波束间的空间隔离。该技术随着MIMO的研究深入与技术成熟,已在3G TD-SCDMA (Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)[2]、4G LTE系统中得到应用[3],并在未来通信技术,如LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)中起着提升频谱效率与降低功耗的核心作用。

在天线阵波束赋形技术中,各天线阵元上入射或发射信号的波程差,直接表现为各阵元的信号相位差。因此,具有相同信号强度(天线阵尺寸与传输距离相比是微不足道的)、不同相位的阵元信号,通过矢量的叠加,总体信号强度表现出不同的空间覆盖。迄今为止,相关文献对于波束覆盖的研究均是基于理想的信号传输条件下的。然而,在实际系统中,天线阵元间距、各阵元相位变化是否会影响所期望的波束方向覆盖,例如在天线未校准条件下,波束主瓣有用信号空间覆盖是否会被放大或被缩小,是否会生成新的旁瓣空间,以及旁瓣空间的大小等这些问题还未有文档进行详细分析,因此这是本文所分析的重点。特别是在多用户、多小区环境水平覆盖与垂直重叠覆盖组网环境下,以及在未来大尺度MIMO场景中应用时[4-5],随着所复用的用户数急剧增加,干扰已成为提高频谱效率的最大障碍。因而对波束空间的干扰分析具有重要理论与实践意义。

1 MISO信道传输模型

在实际系统中,天线阵列口径远小于发射机与接收机之间的传输距离。为分析发射多天线阵列空间覆盖问题,不失一般性,我们假设接收端配备一根天线,将MIMO信道简化为MISO(Multiple-Input Single-Output)信道[6],如图1所示,即包括多副发射天线和一副接收天线的视距信道。(i-1) Δtλccosφ为视距方向上,第i根发射天线相对与第一根发射天线的相对位移。考虑到收发端足够远的条件下,假设天线间隔Δtλc,其中Δt为归一化天线间隔,λc为波长。

图1 MISO信道模型Fig.1 MISO channel model

假定第i根发射天线阵元与接收天线之间基带信道增益hi,可表示为:

式中,a为距离引起的路径损耗,λc是光速,di为第i根发射天线到接收天线之间的间距:

可以看出,相邻发射天线与接收天线之间的波程差为Δtλccosφ,正是这种波程差引起的相位差,导致信号空间覆盖的方向特征[7]。因此,由式(1)知接收天线信道矢量:

从式(3)可看出,由相对时延引起的相邻天线阵元的相位差为2πΔtcosφ,从后续分析中可以看出,该相位差可引起不同的波束赋形空间覆盖特征。

2 标准空分覆盖分析

若天线无附加任何预编码码字,即假设天线各阵元初始相位相同,主波束方向将是固定、不可变的。为控制波束的覆盖方向,需要附加额外的预编码码字,对波束预期的方向进行设定。尤其是在MIMO复用过程中,可以通过多个相互正交的预编码码字,达到同时与多条链路同时通信的目的,实现系统容量的线性增长。天线阵列间具有高的相关性,利用波程差空间耦合可形成定向的波束,达到发射功率的聚焦,实现功率增益的目的。通过选取波束,覆盖所期望的通信用户,该波束即表示最大阵列增益的预编码向量,通过波束精确覆盖,能进一步减小对其他用户的干扰。

在标准三扇区配置下,每个扇区的覆盖范围为120°,可以得到基于GoB(Gird of Beam)的8个或16个等间距的波束。预设的波束方向,可用相对均匀的角度表示:

根据LTE标准,所构造的预编码码本中,第i个码字可记为Wi:

Wi=a(θi)=

综合式(3),波束空间覆盖可表示为diag(Wi)h。

那么标准的16个波束与8个波束空间覆盖如图2(a)与图2(b)所示,可以看到,波束能完美覆盖空间区域,而且,波束个数越多,空间覆盖完整性越好。在实际三扇区基站架设过程中,每个扇区可取角度范围在-60°～60°的波束,可以看出在该角度区间,波束覆盖已经趋于均匀。

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3 天线未校准覆盖分析

实际场景下,受天线布设尺寸偏差与相位偏差影响[8-10],空间覆盖是否还是如图2所示标准覆盖,是需要重点关注的重点问题之一。为分析天线在未校准时对波束空间覆盖性能的影响,考虑在预编码码字为全1时,即相位角θi=0,仅有一个预编码码字条件为典型,以式(4)为蓝本从天线相位角偏差、与天线间距偏差两个角度,分析其对波束覆盖的性能的影响。

3.1 天线相位偏差对覆盖的影响

图3为4发射天线空间特征图,其中图3(a)为天线相位一致,即校准情况下的空间特征图;图3(b)为天线2、3相位偏移θΔi存在30°、-30°相移波束时的空间特征图。从图3中可直观看出,部分天线相位发生变化,对空间特征图有影响,波束主瓣变小,而旁瓣形状畸变。并且,通过分析发现,各天线相位差异随机化越大,这种畸变越明显。

图3 4发射天线空间特征Fig.3 Spatial characteristics figure with 4 transmitting antennas

3.2 天线间距改变场景

通过对图3(a)分析可知,在角度为0,π方向区域,主瓣最大,其中π方向为0角度方向的镜像。当波达方向与0度夹角为φ时,极坐标中对应角度

因此,从式(7)中三角函数特性可看出,波束空间特征图的幅度值呈现一种周期分布,分子决定旁瓣周期,分母决定主瓣周期,分母周期是分子周期Nt倍,周期特征与波达方向Φ、天线数目Nt、天线间距Δt因素均有关系。如图4所示为天线间距分别为0.5/ 0.8/1λ时波束特征图。

图4 天线间距分别为0.5/0.8/1 lamda时波束特征Fig.4 Spatial characteristics figure of 0.5/0.8/1 lamda antenna spacing

4 结 语

根据以上对单一波束赋形的分析可以得出,无论是天线相位偏移或者天线间距的变化,都会对系统性能带来影响。主要表现在:①有效信号主瓣宽度变窄,使得特定用户信号覆盖区域缩小,从而导致信号接收强度不够;②干扰旁瓣增加,与校准时相比,空间覆盖旁瓣增加明显,且呈现不规则、不可预知的特性,极易由于旁瓣泄漏引起的对其他方向的干扰。在这种有用信号强度的减弱的同时,干扰增强,因此必将使得系统的SINR(信干噪比)的急剧降低,在极端情况下,将导致系统无法正常工作。

而多用户波束赋形是对单一波束赋形的自然扩充,鉴于以该波束赋形为基础的多址方式在未来移动通信,尤其是大规模MIMO中有较普遍的应用,天线波束覆盖校准将具有极其重要的意义。多用户场景下天线未校准,将导致波束覆盖特征图趋于紊乱,不仅链路自身通信能力降低,而且也会给其他链路带来严重干扰,即“损人亦不利己”,无法实行有效的多址通信。因此,本文的研究成果,对于将来系统设计、实际问题定位等都具有相当重要的意义。

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HU Dong-wei,CHEN Jie,A New SDMA Algrithm in TD -SCDMA[J].University of Electric and Science Technology,2008,37(05):668-672.

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

贾 全(1980—),男,硕士,高工,主要研究方向为通信工程规划设计;

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

刘诗虎(1985—),男,学士,通信规划工程师,主要研究方向为通信工程规划设计;

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

余 想(1990—),男,硕士,主要研究方向为移动通信技术。

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

严文发(1972—),男,硕士,高工,主要研究方向为通信工程规划设计;

2014-05-15;

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

国家科技重大专项(No.2013ZX03003002-004);国家高技术研究发展计划863计划(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)