5G通信技術(shù)解讀：波束成形如何為5G添翼？

　　大家一定有過(guò)這樣的經(jīng)驗(yàn)，在一間房間里當(dāng)人不多時(shí)，手機(jī)信號(hào)很好;當(dāng)許多人聚集到房間里的時(shí)候，手機(jī)信號(hào)就會(huì)變差，甚至沒(méi)辦法打電話。這種現(xiàn)象歸根到底就是頻譜復(fù)用做得不夠好，無(wú)法給所有人分配必需的頻譜資源。

　　有三種經(jīng)典的頻譜復(fù)用方法：即時(shí)分復(fù)用(典型應(yīng)用：中國(guó)移動(dòng)2G)、頻分復(fù)用(典型應(yīng)用：中國(guó)聯(lián)通3G)和碼分復(fù)用(典型應(yīng)用：中國(guó)聯(lián)通3G)?？梢杂靡粋€(gè)例子來(lái)說(shuō)明時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用和碼分復(fù)用的區(qū)別。在一個(gè)屋子里有許多人要彼此進(jìn)行通話，為了避免相互干擾，可以采用以下方法：

　　1) 講話的人按照順序輪流進(jìn)行發(fā)言(時(shí)分復(fù)用)。

　　2) 講話的人可以同時(shí)發(fā)言，但每個(gè)人說(shuō)話的音調(diào)不同(頻分復(fù)用)。

　　3) 講話的人采用不同的語(yǔ)言進(jìn)行交流，只有懂同一種語(yǔ)言的人才能夠相互理解(碼分復(fù)用)。

　　當(dāng)然，這三種方法相互結(jié)合，比如不同的人可以按照順序用不同的語(yǔ)言交流(即中國(guó)移動(dòng)3G的TD-SCDMA)。然而，這三種經(jīng)典的復(fù)用方式都無(wú)法充分利用頻譜資源，它們要么無(wú)法多用戶同時(shí)間通訊(TDMA)，要么無(wú)法使用全部頻譜資源(FDMA)，要么需要多比特碼元才能傳遞1比特?cái)?shù)據(jù)(CDMA)。

　　那么，有沒(méi)有一種方法可以克服以上多路方式的缺點(diǎn)，讓多個(gè)用戶同時(shí)使用全部頻譜通訊呢?讓我們先來(lái)思考一下，如果在一個(gè)房間里大家同時(shí)用同一種音調(diào)同一種語(yǔ)言說(shuō)話會(huì)發(fā)生什么?

　　很顯然，在這種情況下會(huì)發(fā)生互相干擾。這是因?yàn)樾盘?hào)會(huì)向著四面八方傳播，所以一個(gè)人會(huì)聽(tīng)到多個(gè)人說(shuō)話的聲音從而無(wú)法有效通訊。但是，如果我們讓每個(gè)說(shuō)話的人都用傳聲筒，讓聲音只在特定方向傳播，這樣便不會(huì)互相干擾了。

　　在無(wú)線通訊中，也可以設(shè)法使電磁波按特定方向傳播，從而在不同空間方向的用戶可以同時(shí)使用全部頻譜資源不間斷地進(jìn)行通訊，也即空分復(fù)用(space-division multiple access，SDMA)。SDMA還有另一重好處，即可以減少信號(hào)能量的浪費(fèi)：當(dāng)無(wú)線信號(hào)在空間中向全方向輻射時(shí)，只有一小部分信號(hào)能量被接收機(jī)收到成為有用信號(hào)。大部分信號(hào)并沒(méi)有被相應(yīng)的接收機(jī)收到，而是輻射到了其它的接收機(jī)成為了干擾信號(hào)。

　　當(dāng)使用SDMA時(shí)，信號(hào)能量集中在特定的方向，一方面減少了對(duì)其它接收機(jī)的干擾;一方面也減小了信號(hào)能量的浪費(fèi)。

　　在5G通訊中，SDMA是大規(guī)模MIMO(massive Multiple-Input Multiple-Output，指在發(fā)射端和接收端分別使用大規(guī)模發(fā)射天線和接收天線陣列，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的大規(guī)模天線陣列傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要例子，而將無(wú)線信號(hào)(電磁波)只按特定方向傳播的技術(shù)叫做波束成形(beamforming)。

　　有了波束成形，眾多小伙伴就可以同時(shí)在同一個(gè)地方歡樂(lè)地刷手機(jī)上網(wǎng)而不用擔(dān)心信號(hào)干擾的問(wèn)題。

　　什么是波束?

　　“波束”這個(gè)詞看上去有些陌生，但是“光束”大家一定都很熟悉。當(dāng)一束光的方向都相同時(shí)，就成了光束，類似手電筒發(fā)出的光。反之，如果光向四面八方輻射(如電燈泡發(fā)出的光)，則不能形成光束。和光束一樣，當(dāng)所有波的傳播方向都一致時(shí)，即形成了波束。

　　生活中的光束，光束也是波束的一種

　　工程師利用波束已經(jīng)有相當(dāng)久的歷史。在二戰(zhàn)中，工程師已經(jīng)將波束利用在雷達(dá)中，雷達(dá)通過(guò)掃描波束方向來(lái)探測(cè)整個(gè)空間中所有目標(biāo)的位置。

　　另一個(gè)例子是衛(wèi)星通訊，也即我們生活中常見(jiàn)用于衛(wèi)星電視的“鍋蓋天線”。衛(wèi)星和地面接收天線的距離非常遠(yuǎn)，信號(hào)衰減非常大，于是衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面時(shí)能量已經(jīng)非常小。因此，我們需要想方設(shè)法收取衛(wèi)星發(fā)出的每一點(diǎn)信號(hào)能量。當(dāng)衛(wèi)星的信號(hào)向空間全方向輻射時(shí)，絕大多數(shù)能量并沒(méi)有被地面天線接收到，而是被浪費(fèi)了。為了避免這種浪費(fèi)，我們?cè)诮邮蘸桶l(fā)射衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，都會(huì)使用波束。這樣，發(fā)射的電磁波信號(hào)都集中在一個(gè)方向上，只要接收天線能對(duì)準(zhǔn)這個(gè)方向，就可以接收到盡可能多的信號(hào)。

　　波束的傳統(tǒng)應(yīng)用是雷達(dá)(左)和衛(wèi)星通訊(右)