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)

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?jiàn)光近似沿直線傳播，衍射能力很弱。然而，在無(wú)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(wú)法使用生成光束的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)波束成型，而必須使用其他方法。

無(wú)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(lái)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(guò)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(guò)改變波源之間的相對(duì)延時(shí)和幅度來(lái)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(wèn)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(lái)更大的帶寬，波束成形則能解決頻譜利用問(wèn)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(yǔ)

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。波束成形配合毫米波技術(shù)可以讓通訊系統(tǒng)擁有高帶寬并且支持大量用戶同時(shí)通訊，從而使5G系統(tǒng)如虎添翼。