擁有了波束成形5G通信技術(shù)將“如虎添翼”
大家一定有過這樣的經(jīng)驗(yàn),在一間房間里當(dāng)人不多時(shí),手機(jī)信號很好;當(dāng)許多人聚集到房間里的時(shí)候,手機(jī)信號就會(huì)變差,甚至沒辦法打電話。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:中國移動(dòng)2G)、頻分復(fù)用(典型應(yīng)用:中國聯(lián)通3G)和碼分復(fù)用(典型應(yīng)用:中國聯(lián)通3G)??梢杂靡粋€(gè)例子來說明時(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)人說話的音調(diào)不同(頻分復(fù)用)。
3) 講話的人采用不同的語言進(jìn)行交流,只有懂同一種語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言交流(即中國移動(dòng)3G的TD-SCDMA)。然而,這三種經(jīng)典的復(fù)用方式都無法充分利用頻譜資源,它們要么無法多用戶同時(shí)間通訊(TDMA),要么無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)同一種語言說話會(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)樾盘枙?huì)向著四面八方傳播,所以一個(gè)人會(huì)聽到多個(gè)人說話的聲音從而無法有效通訊。但是,如果我們讓每個(gè)說話的人都用傳聲筒,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,即可以減少信號能量的浪費(fèi):當(dāng)無線信號在空間中向全方向輻射時(shí),只有一小部分信號能量被接收機(jī)收到成為有用信號。大部分信號并沒有被相應(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。
當(dāng)使用SDMA時(shí),信號能量集中在特定的方向,一方面減少了對其它接收機(jī)的干擾;一方面也減小了信號能量的浪費(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,使信號通過發(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,而將無線信號(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)地方歡樂地刷手機(jī)上網(wǎng)而不用擔(dān)心信號干擾的問題。
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)通過掃描波束方向來探測整個(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),信號衰減非常大,于是衛(wèi)星信號到達(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)信號能量。當(dāng)衛(wèi)星的信號向空間全方向輻射時(shí),絕大多數(shù)能量并沒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),我們在接收和發(fā)射衛(wèi)星信號時(shí),都會(huì)使用波束。這樣,發(fā)射的電磁波信號都集中在一個(gè)方向上,只要接收天線能對準(zhǔn)這個(gè)方向,就可以接收到盡可能多的信號。
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。