波束賦形是一種基于天線陣列的信號預處理技術,波束賦形通過調整天線陣列中每個陣元的加權系數產生具有指向性的波束,從而能夠獲得明顯的陣列增益。因此,波束賦形技術在擴大覆蓋范圍、改善邊緣吞吐量以及干擾抑止等方面都有很大的優勢。由于波束賦形帶來的空間選擇性,使得波束賦形與SCDMA之間具有緊密的聯系。實際系統中應用的波束賦形技術可能具有不同的目標,如側重鏈路質量改善(覆蓋范圍擴展、用戶吞吐量提高)或者針對多用戶問題(如小區吞吐量與干擾消除/避免)。
波束賦形的目標是根據系統性能指標,形成對基帶(中頻)信號的最佳組合或者分配。具體地說,其主要任務是補償無線傳播過程中由空間損耗、多徑效應等因素引入的信號衰落與失真,同時降低同信道用戶間的干擾。因此,首先需要建立系統模型,描述系統中各處的信號,而后才可能根據系統性能要求,將信號的組合或分配表述為一個數學問題,尋求其最優解。
關于波束賦形的基本原理,可以首先考慮自由空間中電磁波的遠場輻射情況。(1)當只存在單個天線振子時,以同極化方向從各個角度對電場振幅進行觀測時,信號是各向同性衰減的,即不存在方向選擇性。(2)如果增加一個同極化方向的振子,且兩個振子處于同一位置時,即使兩個天線發射信號可能存在一定的相差,但從任何角度觀測,兩列波的相差并不隨觀測角度的變化而發生變化,因此信號仍然不存在方向選擇性。(3)如果增加一個同極化方向的振子,且兩個振子保持一定間隔,則兩列波之間會發生干涉現象,即某些方向振幅增強,某些方向振幅減弱(振幅增強部分的能量來自于振幅減弱部分)。假設觀測點距離天線振子很遠,可以認為兩列波到達觀測點的角度是相同的。此時兩列波的相位差將隨觀測角度的變化而變化,在某些角度兩列波同相疊加導致振幅增強,而在某些方向反相疊加導致振幅減小。
因此,如果能夠根據信道條件,適當地控制每個陣元的加權系數,就有可能在增強期望方向信號強度的同時,盡可能降低對非期望方向的干擾。對于TDD系統,可以方便地利用信道的互易性,通過上行信號估計信道傳播向量或DoA(Direction-of-Arrival)并用其計算波束賦形向量。對于FDD系統,也可以通過上行信號估計DoA等長期統計信息并進行下行賦形。
波束賦形技術已經在TD-SCDMA系統中得到了成功的應用,在TD-LTE R8中也采用了波束賦形技術。在TD-LTE R8的PDSCH傳輸模式7中定義了基于單端口專用導頻的波束賦形傳輸方案。TD-LTE R9中則將波束賦形技術擴展到雙流傳輸方案中,通過新定義的傳輸模式8引入了雙流波束賦形技術,并定義了新的雙端口專用導頻與相應的控制、反饋機制。 