5G怎样实现波束赋形？

波束赋形，作为5G的核心技术之一，总是伴随着AAU，大规模MIMO等概念出现，这一切看似如此地天经地义。

然而，这简单的四个字背后却隐藏着诸多玄机，默默驱动着5G车轮的飞速运转。

下面，蜉蝣君将尝试抽丝剥茧，丝丝入扣地揭开波束赋形的神秘面纱。

看完本文，你将会了解到：

• 什么是波束赋形？

• 波束赋形的基本原理是什么？

• 5G怎样实现波束赋形？

1、什么是波束赋形？

“波束赋形”这个概念可以拆分成“波束”和“赋形”这两个词来理解。

“波束”里的波字可以认为是电磁波，束字的本意是“捆绑”，因此波束的含义是捆绑在一起集中传播的电磁波；而赋形可以简单地理解为“赋予一定的形状”。

合起来，波束赋形的意思就是赋予一定形状集中传播的电磁波。

其实，我们常见的光也是一种电磁波，灯泡作为一个点光源，发出的光没有方向性，只能不断向四周耗散；而手电筒则可以把光集中到一个方向发射，能量更为聚焦，从而照地更远。

无线基站也是同理，如下图所示，如果天线的信号全向发射的话，这几个手机只能收到有限的信号，大部分能量都浪费掉了。

而如果能通过波束赋形把信号聚焦成几个波束，专门指向各个手机发射的话，承载信号的电磁能量就能传播地更远，而且手机收到的信号也就会更强。

因此，波束赋形在无线通信中大有可为。

2、波束赋形的基本原理是什么？

波束赋形的物理学原理，其实就是波的干涉现象。百度百科上定义如下：

频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。

想象一下，在湖边漫步时，你和女朋友在相距很近的两点激起水波，两朵涟漪不断散开，然后交叠起来，形成了下面的图样。

可以看出，有的地方水波增强，有的地方则减弱，并且增强和减弱的地方间隔分布，在最中间的狭窄区域最为明显。

如果波峰和波峰，或者波谷和波谷相遇，则能量相加，波峰更高，波谷更深。这种情况叫做相长干涉。

反之，如果波峰和波谷相遇，两者则相互抵消，震动归于静寂。这种情况叫做相消干涉。

如果把这个现象抽象一下，可以得到下图：

在两个馈源正中间的地方由于相长干涉，能量最强，可以认为形成了一个定向的波束，也叫做主瓣；两边则由于相消干涉能量抵消，形成了零陷，再往两边又是相长干涉，但弱于最中间，因此称作旁瓣。

如果我们能继续增强正中央主瓣的能量，使其宽度更窄，并抑制两边的旁瓣，就可以得到干净利落的波束了。

其实，普通天线一直在做这样的事情。

天线内部排布着一系列的电磁波源，称作振子，或者天线单元。这些天线单元也利用干涉原理来形成定向的波束。

由上图可以看出，纵向排列的天线单元越多，最中间的可集中的能量也就越多，波束也就越窄。

但这只是一个垂直截面而已，其实完整的波束在空间是三维的，水平和垂直的宽度可能截然不同。

下图是一个天线的振子排列，以及辐射能量三维分布图。

可以看出，上述天线内振源的排布方式为纵向，横向的数量很少，因此其波束在垂直方向的能量集中，而水平方向的角度还是比较宽的，像一个薄薄的大饼。

这种传统的天线水平方向的辐射角度多为60度，进行大面积的地面信号覆盖是一把好手，但要垂直覆盖高楼就有些力不从心了，称作“波束赋形”还是不够格。

如果我们把这些天线单元的排布改成矩形，电磁波辐射能量将在最中央形成一个很粗的主瓣，周边是一圈的旁瓣，这就有点波束赋形的意思了。

为了让波束更窄能量更集中，天线单元还需要更多更密，水平和垂直两个维度也都要兼顾，原本的天线就变成了大规模天线阵列。

这下，生成的波束就犀利多了，用大规模天线阵列来支持波束赋形，稳了！

但是这样还有问题，那就是这个最大波束位于正中央，且其传播方向和天线阵列垂直，而手机是一直随着用户移动的，所在的位置完全不确定，主波束虽然犀利，但照射不到手机上也是白搭。

那么，能不能让波束偏移一定的角度，对准手机来发射呢？

首先我们看看中央的主波束的形成过程：多列波的相位相同，也就是波峰和波谷在同一时间是对齐的，则它们到达手机时，就可以相长干涉，信号通过叠加得以增强。

如果手机和天线阵列有一定的夹角，则各列波到达手机时，相位难以对齐，可能是波峰和波谷相遇，也可能是在其他相位进行叠加，难以达到相长干涉，信号叠加的效果。

这可咋办？总不能通过旋转天线来让波束跟随手机吧？

其实，周期性是波最大的特点，不同的相位总是周期性的出现，错过了这个波峰，还有下一个波峰要来，因此相位是可以调整的。

通过调整不同天线单元发射信号的振幅和相位（权值），即使它们的传播路径各不相同，只要在到达手机的时候相位相同，就可以达到信号叠加增强的结果，相当于天线阵列把信号对准了手机。

下图是一个示例，可以看出天线阵列通过调整发射信号的相位，让波束偏移了θ度，从而可以精确对准手机发射信号。

3、5G怎样实现波束赋形？

由此可见，波束赋形的关键在于天线单元相位的管控，也就是天线权值的处理。

根据波束赋形处理位置和方式的不同，可分为数字波束赋形，模拟波束赋形，以及混合波束赋形这三种。

所谓模拟波束赋形，就是通过处理射频信号权值，通过移相器来完成天线相位的调整，处理的位置相对靠后。

模拟波束赋形的特点是基带处理的通道数量远小于天线单元的数量，因此容量上受到限制，并且天线的赋形完全是靠硬件搭建的，还会受到器件精度的影响，使性能受到一定的制约。

数字波束赋形则在基带模块的时候就进行了天线权值的处理，基带处理的通道数和天线单元的数量相等，因此需要为每路数据配置一套射频链路。

数字波束赋形的优点是赋形精度高，实现灵活，天线权值变换响应及时；缺点是基带处理能力要求高，系统复杂，设备体积大，成本较高。

Sub6G频段，作为当前5G容量的主力军，载波带宽可达100MHz，一般采用采用数字波束赋形，通过64通道发射来实现小区内时频资源的多用户复用，下行最大可同时发射24路独立信号，上行独立接收12路数据，扛起了5G超高速率的大旗。

在毫米波mmWave频段，由于频谱资源非常充沛，一个5G载波的带宽可达400MHz，如果单个AAU支持两个载波的话，带宽就达到了惊人的800MHz！

如果还要像Sub6G频段的设备一样支持数字波束赋形的话，对基带处理能力要求太高，并且射频部分功放的数量也要数倍增加，实现成本过高，功耗更是大得吓人。

因此，业界将数字波束赋形和模拟波束赋形结合起来，使在模拟端可调幅调相的波束赋形，结合基带的数字波束赋形，称之为混合波束赋形。

混合波束赋形数字和模拟融合了两者的优点，基带处理的通道数目明显小于模拟天线单元的数量，复杂度大幅下降，成本降低，系统性能接近全数字波束赋形，非常适用于高频系统。

这样一来，毫米波频段的设备基带处理的通道数较少，一般为4T4R，但天线单元众多，可达512个，其容量的主要来源是超大带宽和波束赋形。

在波束赋形和Massive MIMO的加成之下，5G在Sub6G频谱下单载波最多可达7Gbps的小区峰值速率，在毫米波频谱下单载波也最多达到了约4.8Gbps的小区峰值速率。

5G，也因此拥有了灵魂。

本文来自微信公众号：无线深海