5G通信技術(shù)解讀：波束成形如何為5G添翼？

　如何實(shí)現(xiàn)波束成形

　　光束實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，只要用不透明的材料把其它方向的光遮住即可。這是因?yàn)榭梢姽饨蒲刂本€傳播，衍射能力很弱。然而，在無線通訊系統(tǒng)中，信號(hào)以衍射能力很強(qiáng)的電磁波的形式存在，所以無法使用生成光束的方法來實(shí)現(xiàn)波束成型，而必須使用其他方法。

　　無線通訊電磁波的信號(hào)能量在發(fā)射機(jī)由天線輻射進(jìn)入空氣，并在接收端由天線接收。因此，電磁波的輻射方向由天線的特性決定。天線的方向特性可以由輻射方向圖(即天線發(fā)射的信號(hào)在空間不同方向的幅度)來描述。

　　普通的天線的輻射方向圖方向性很弱(即每個(gè)方向的輻射強(qiáng)度都差不多，類似電燈泡)，而最基本的形成波束的方法則是使用輻射方向性很強(qiáng)的天線(即瞄準(zhǔn)一個(gè)方向輻射，類似手電筒)。

　　然而，此類天線往往體積較大，很難安裝到移動(dòng)終端上(想象一下iPhone上安了一個(gè)鍋蓋天線會(huì)是什么樣子)。另外，波束成形需要可以隨著接收端和發(fā)射端之間的相對(duì)位置而改變波束的方向。傳統(tǒng)使用單一天線形成波束的方法需要轉(zhuǎn)動(dòng)天線才能改變波束的方向，而這在手機(jī)上顯然不可能。因此，實(shí)用的波束成形方案使用的是智能天線陣列。

　　普通天線(方向性弱)和智能天線陣列(方向性強(qiáng))

　　智能天線陣列原理并不復(fù)雜。當(dāng)由兩個(gè)波源產(chǎn)生的兩列波互相干涉時(shí)，有的方向兩列波互相增強(qiáng)，而有的方向兩列波正好抵消(如下圖)。

　　在波束成形中，我們有許多個(gè)波源(即天線陣列)，通過仔細(xì)控制波源發(fā)射的波之間的相對(duì)延時(shí)和幅度我們可以做到電磁波輻射的能量都集中在一個(gè)方向上(即接收機(jī)所在的位置)，而在其他地方電磁波輻射能量很小(即減少了對(duì)其他接收機(jī)的干擾)。

　　此外天線輻射的方向可以通過改變波源之間的相對(duì)延時(shí)和幅度來實(shí)現(xiàn)，可以輕松跟蹤發(fā)射端和接收端之間相對(duì)位置的改變。

　　波束成型系統(tǒng)架構(gòu)

　　波束成形與毫米波是天作之合

　　目前波束成形已經(jīng)被使用在帶有多天線的WiFi路由器中。然而，手機(jī)上不可能像路由器一樣安裝WiFi頻段的多根天線，因?yàn)樘炀€尺寸太大了。

　　天線的尺寸是由電磁波信號(hào)的波長(zhǎng)決定的，WiFi和當(dāng)前手機(jī)頻段的電磁波波長(zhǎng)可達(dá)十幾厘米，因此很難將如此大的天線集成在手機(jī)上。為了解決這個(gè)問題，我們可以把波束成形和毫米波技術(shù)結(jié)合在一起。

　　毫米波波段的波長(zhǎng)大約是WiFi和手機(jī)頻段波長(zhǎng)的十分之一左右，因此可以把多個(gè)毫米波天線集成到手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)毫米波頻段的波束成形。波束成形和毫米波技術(shù)可謂是天作之合，使用毫米波可以給信號(hào)傳輸帶來更大的帶寬，波束成形則能解決頻譜利用問題，使得5G通訊如虎添翼。

　　毫米波天線陣列體積很小，可以安裝到手機(jī)上

　　結(jié)語

　　波束成形可以使信號(hào)的能量集中在接收端所在的方向，從而改善頻譜利用效率。