干貨！5G如何實(shí)現(xiàn)波束賦形?

波束賦形，作為5G的核心技術(shù)之一，總是伴隨著AAU，大規(guī)模MIMO等概念出現(xiàn)，這一切看似如此地天經(jīng)地義。

5G支持高達(dá)100GHz的載波頻率，這在無線傳播領(lǐng)域帶來了許多挑戰(zhàn)。隨著載波頻率的增加，由于相對(duì)于波長(zhǎng)的固定天線尺寸變小，路徑損耗增加。然而，在較高的載波頻率下較小的天線尺寸意味著更多的天線將安裝在相同的區(qū)域中?？梢酝ㄟ^使用更多的天線來克服隨載波頻率而增加的路徑損耗，而不必增加天線陣列的總體物理尺寸。此外，隨著載頻增加到大約10GHz以上，衍射將不再是主要的傳播機(jī)制。超過10GHz，反射和散射將是非視線傳播鏈路最重要的傳播機(jī)制。此外，隨著載波頻率的增加，傳播到建筑物中的穿透損耗趨于增加，這可能導(dǎo)致建筑物內(nèi)覆蓋對(duì)于部署在室外的gNB來說不切實(shí)際。

大規(guī)模天線陣列對(duì)于在NR系統(tǒng)中提供高覆蓋率和容量性能至關(guān)重要。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)提供了幾個(gè)好處：通過使用高增益自適應(yīng)波束賦形來增強(qiáng)覆蓋范圍，通過使用高階空間復(fù)用來增強(qiáng)容量。大規(guī)模天線陣列的覆蓋增強(qiáng)能力對(duì)于緩解較高載頻下的傳播挑戰(zhàn)至關(guān)重要。容量增強(qiáng)能力對(duì)于以高密度部署(例如，在較低載波頻率下)運(yùn)行的干擾受限系統(tǒng)將是重要的。此外，MIMO技術(shù)可以將能量轉(zhuǎn)向所需的方向，而較窄的波束寬度可以在系統(tǒng)中產(chǎn)生較少的干擾。通過使用有源天線系統(tǒng)(AAS：active antenna system)，還可以實(shí)現(xiàn)更好的能效和更好的業(yè)務(wù)條件適應(yīng)性。

對(duì)于5G接入，單用戶、多用戶和波束賦形解決方案是必不可少的。由于不同的載波頻率和部署場(chǎng)景，可以設(shè)想使用不同的傳輸和接收技術(shù)。圖1和圖2所示的全數(shù)字基帶、混合陣列、模擬/RF陣列解決方案將以各種方式在gNB和UE的不同實(shí)現(xiàn)中使用。此外，以前向兼容的方式指定在特定載波頻率和帶寬上使用哪種技術(shù)是困難的，并且在標(biāo)準(zhǔn)化方面并不可取。然而，理解不同的候選架構(gòu)對(duì)于定義與天線陣列架構(gòu)無關(guān)的系統(tǒng)非常重要。如圖1和圖2所示，三種主要陣列架構(gòu)之間的差異在于波束賦形部署發(fā)生的位置(如射頻/模擬域與基帶/數(shù)字域)。

然而，這簡(jiǎn)單的四個(gè)字背后卻隱藏著諸多玄機(jī)，默默驅(qū)動(dòng)著5G車輪的飛速運(yùn)轉(zhuǎn)。下面，蜉蝣君將嘗試抽絲剝繭，絲絲入扣地揭開波束賦形的神秘面紗?？赐瓯疚模銓?huì)了解到：

什么是波束賦形?

波束賦形的基本原理是什么?

5G怎樣實(shí)現(xiàn)波束賦形?

1、什么是波束賦形?

“波束賦形”這個(gè)概念可以拆分成“波束”和“賦形”這兩個(gè)詞來理解?！安ㄊ崩锏牟ㄗ挚梢哉J(rèn)為是電磁波，束字的本意是“捆綁”，因此波束的含義是捆綁在一起集中傳播的電磁波;而賦形可以簡(jiǎn)單地理解為“賦予一定的形狀”。合起來，波束賦形的意思就是賦予一定形狀集中傳播的電磁波。

其實(shí)，我們常見的光也是一種 電磁波，燈泡作為一個(gè)點(diǎn)光源，發(fā)出的光沒有方向性，只能不斷向四周耗散;而手電筒則可以把光集中到一個(gè)方向發(fā)射，能量更為聚焦，從而照地更遠(yuǎn)。

無線基站也是同理，如下圖所示，如果天線的信號(hào)全向發(fā)射的話，這幾個(gè)手機(jī)只能收到有限的信號(hào)，大部分能量都浪費(fèi)掉了。

而如果能通過波束賦形把信號(hào)聚焦成幾個(gè)波束，專門指向各個(gè)手機(jī)發(fā)射的話，承載信號(hào)的電磁能量就能傳播地更遠(yuǎn)，而且手機(jī)收到的信號(hào)也就會(huì)更強(qiáng)。因此，波束賦形在無線通信中大有可為。

2、波束賦形的基本原理是什么?

波束賦形的物理學(xué)原理，其實(shí)就是 波的干涉現(xiàn)象。百度百科上定義如下：頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動(dòng)加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動(dòng)減弱，而且振動(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域和振動(dòng)減弱的區(qū)域相互隔開。想象一下，在湖邊漫步時(shí)，你和女朋友在相距很近的兩點(diǎn)激起水波，兩朵漣漪不斷散開，然后交疊起來，形成了下面的圖樣。

可以看出，有的地方水波增強(qiáng)，有的地方則減弱，并且增強(qiáng)和減弱的地方間隔分布，在最中間的狹窄區(qū)域最為明顯。如果波峰和波峰，或者波谷和波谷相遇，則能量相加，波峰更高，波谷更深。這種情況叫做 相長(zhǎng)干涉。反之，如果波峰和波谷相遇，兩者則相互抵消，震動(dòng)歸于靜寂。這種情況叫做 相消干涉。如果把這個(gè)現(xiàn)象抽象一下，可以得到下圖：

在兩個(gè)饋源正中間的地方由于相長(zhǎng)干涉，能量最強(qiáng)，可以認(rèn)為形成了一個(gè)定向的波束，也叫做主瓣;兩邊則由于相消干涉能量抵消，形成了零陷，再往兩邊又是相長(zhǎng)干涉，但弱于最中間，因此稱作旁瓣。如果我們能繼續(xù)增強(qiáng)正中央主瓣的能量，使其寬度更窄，并抑制兩邊的旁瓣，就可以得到干凈利落的波束了。

其實(shí)，普通天線一直在做這樣的事情。天線內(nèi)部排布著一系列的電磁波源，稱作振子，或者天線單元。這些天線單元也利用干涉原理來形成定向的波束。

由上圖可以看出，縱向排列的天線單元越多，最中間的可集中的能量也就越多，波束也就越窄。但這只是一個(gè)垂直截面而已，其實(shí)完整的波束在空間是三維的，水平和垂直的寬度可能截然不同。下圖是一個(gè)天線的振子排列，以及輻射能量三維分布圖。

可以看出，上述天線內(nèi)振源的排布方式為縱向，橫向的數(shù)量很少，因此其波束在垂直方向的能量集中，而水平方向的角度還是比較寬的，像一個(gè)薄薄的大餅。這種傳統(tǒng)的天線水平方向的輻射角度多為60度，進(jìn)行大面積的地面信號(hào)覆蓋是一把好手，但要垂直覆蓋高樓就有些力不從心了，稱作“波束賦形”還是不夠格。如果我們把這些天線單元的排布改成矩形，電磁波輻射能量將在最中央形成一個(gè)很粗的主瓣，周邊是一圈的旁瓣，這就有點(diǎn)波束賦形的意思了。

為了讓波束更窄能量更集中，天線單元還需要更多更密，水平和垂直兩個(gè)維度也都要兼顧，原本的天線就變成了大規(guī)模天線陣列。

這下，生成的波束就犀利多了，用大規(guī)模天線陣列來支持波束賦形，穩(wěn)了!

但是這樣還有問題，那就是這個(gè)最大波束位于正中央，且其傳播方向和天線陣列垂直，而手機(jī)是一直隨著用戶移動(dòng)的，所在的位置完全不確定，主波束雖然犀利，但照射不到手機(jī)上也是白搭。那么，能不能讓波束偏移一定的角度，對(duì)準(zhǔn)手機(jī)來發(fā)射呢?

首先我們看看中央的主波束的形成過程：多列波的相位相同，也就是波峰和波谷在同一時(shí)間是對(duì)齊的，則它們到達(dá)手機(jī)時(shí)，就可以相長(zhǎng)干涉，信號(hào)通過疊加得以增強(qiáng)。

如果手機(jī)和天線陣列有一定的夾角，則各列波到達(dá)手機(jī)時(shí)，相位難以對(duì)齊，可能是波峰和波谷相遇，也可能是在其他相位進(jìn)行疊加，難以達(dá)到相長(zhǎng)干涉，信號(hào)疊加的效果。

這可咋辦?總不能通過旋轉(zhuǎn)天線來讓波束跟隨手機(jī)吧?

其實(shí)， 周期性是波最大的特點(diǎn)，不同的相位總是周期性的出現(xiàn)，錯(cuò)過了這個(gè)波峰，還有下一個(gè)波峰要來，因此相位是可以調(diào)整的。通過調(diào)整不同天線單元發(fā)射信號(hào)的振幅和相位(權(quán)值)，即使它們的傳播路徑各不相同，只要在到達(dá)手機(jī)的時(shí)候相位相同，就可以達(dá)到信號(hào)疊加增強(qiáng)的結(jié)果，相當(dāng)于天線陣列把信號(hào)對(duì)準(zhǔn)了手機(jī)。

下圖是一個(gè)示例，可以看出天線陣列通過調(diào)整發(fā)射信號(hào)的相位，讓波束偏移了θ度，從而可以精確對(duì)準(zhǔn)手機(jī)發(fā)射信號(hào)。

3、5G怎樣實(shí)現(xiàn)波束賦形?

由此可見，波束賦形的關(guān)鍵在于天線單元相位的管控，也就是天線權(quán)值的處理。根據(jù)波束賦形處理位置和方式的不同，可分為數(shù)字波束賦形，模擬波束賦形，以及混合波束賦形這三種。所謂模擬波束賦形，就是通過處理射頻信號(hào)權(quán)值，通過移相器來完成天線相位的調(diào)整，處理的位置相對(duì)靠后。

模擬波束賦形的特點(diǎn)是基帶處理的通道數(shù)量遠(yuǎn)小于天線單元的數(shù)量，因此容量上受到限制，并且天線的賦形完全是靠硬件搭建的，還會(huì)受到器件精度的影響，使性能受到一定的制約。

數(shù)字波束賦形則在基帶模塊的時(shí)候就進(jìn)行了天線權(quán)值的處理，基帶處理的通道數(shù)和天線單元的數(shù)量相等，因此需要為每路數(shù)據(jù)配置一套射頻鏈路。

數(shù)字波束賦形的優(yōu)點(diǎn)是賦形精度高，實(shí)現(xiàn)靈活，天線權(quán)值變換響應(yīng)及時(shí);缺點(diǎn)是基帶處理能力要求高，系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備體積大，成本較高。Sub6G頻段，作為當(dāng)前5G容量的主力軍，載波帶寬可達(dá)100MHz，一般采用采用數(shù)字波束賦形，通過64通道發(fā)射來實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)時(shí)頻資源的多用戶復(fù)用，下行最大可同時(shí)發(fā)射24路獨(dú)立信號(hào)，上行獨(dú)立接收12路數(shù)據(jù)，扛起了5G超高速率的大旗。

在毫米波mmWave頻段，由于頻譜資源非常充沛，一個(gè)5G載波的帶寬可達(dá)400MHz，如果單個(gè)AAU支持兩個(gè)載波的話，帶寬就達(dá)到了驚人的800MHz!如果還要像Sub6G頻段的設(shè)備一樣支持?jǐn)?shù)字波束賦形的話，對(duì)基帶處理能力要求太高，并且射頻部分功放的數(shù)量也要數(shù)倍增加，實(shí)現(xiàn)成本過高，功耗更是大得嚇人。

因此，業(yè)界將數(shù)字波束賦形和模擬波束賦形結(jié)合起來，使在模擬端可調(diào)幅調(diào)相的波束賦形，結(jié)合基帶的數(shù)字波束賦形，稱之為 混合波束賦形?；旌喜ㄊx形數(shù)字和模擬融合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，基帶處理的通道數(shù)目明顯小于模擬天線單元的數(shù)量，復(fù)雜度大幅下降，成本降低，系統(tǒng)性能接近全數(shù)字波束賦形， 非常適用于高頻系統(tǒng)。

這樣一來，毫米波頻段的設(shè)備基帶處理的通道數(shù)較少，一般為4T4R，但天線單元眾多，可達(dá)512個(gè)，其容量的主要來源是超大帶寬和波束賦形。在波束賦形和Massive MIMO的加成之下，5G在Sub6G頻譜下單載波最多可達(dá)7Gbps的小區(qū)峰值速率，在毫米波頻譜下單載波也最多達(dá)到了約4.8Gbps的小區(qū)峰值速率。

5G，也因此擁有了靈魂。