5G怎樣實現波束賦形？
波束賦形，作為5G的核心技術之一，總是伴隨著AAU，大規模MIMO等概念出現，這一切看似如此地天經地義。
然而，這簡單的四個字背后卻隱藏著諸多玄機，默默驅動著5G車輪的飛速運轉。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。看完本文，你將會了解到：
什么是波束賦形?
波束賦形的基本原理是什么?
5G怎樣實現波束賦形?
1、什么是波束賦形?
“波束賦形”這個概念可以拆分成“波束”和“賦形”這兩個詞來理解。
“波束”里的波字可以認為是電磁波，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，我們常見的光也是一種電磁波，燈泡作為一個點光源，發出的光沒有方向性，只能不斷向四周耗散;而手電筒則可以把光集中到一個方向發射，能量更為聚焦，從而照地更遠。
無線基站也是同理，如下圖所示，如果天線的信號全向發射的話，這幾個手機只能收到有限的信號，大部分能量都浪費掉了。
而如果能通過波束賦形把信號聚焦成幾個波束，專門指向各個手機發射的話，承載信號的電磁能量就能傳播地更遠，而且手機收到的信號也就會更強。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?
波束賦形的物理學原理，其實就是波的干涉現象。百度百科上定義如下：
頻率相同的兩列波疊加，使某些區域的振動加強，某些區域的振動減弱，而且振動加強的區域和振動減弱的區域相互隔開。想象一下，在湖邊漫步時，你和女朋友在相距很近的兩點激起水波，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，有的地方則減弱，并且增強和減弱的地方間隔分布，在最中間的狹窄區域最為明顯。
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。這種情況叫做相長干涉。反之，如果波峰和波谷相遇，兩者則相互抵消，震動歸于靜寂。這種情況叫做相消干涉。
如果把這個現象抽象一下，可以得到下圖：
在兩個饋源正中間的地方由于相長干涉，能量最強，可以認為形成了一個定向的波束，也叫做主瓣;兩邊則由于相消干涉能量抵消，形成了零陷，再往兩邊又是相長干涉，但弱于最中間，因此稱作旁瓣。如果我們能繼續增強正中央主瓣的能量，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，普通天線一直在做這樣的事情。
天線內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。
但這只是一個垂直截面而已，其實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，上述天線內振源的排布方式為縱向，橫向的數量很少，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，像一個薄薄的大餅。
這種傳統的天線水平方向的輻射角度多為60度，進行大面積的地面信號覆蓋是一把好手，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很粗的主瓣，周邊是一圈的旁瓣，這就有點波束賦形的意思了。
為了讓波束更窄能量更集中，天線單元還需要更多更密，水平和垂直兩個維度也都要兼顧，原本的天線就變成了大規模天線陣列。
這下，生成的波束就犀利多了，用大規模天線陣列來支持波束賦形，穩了!
但是這樣還有問題，那就是這個最大波束位于正中央，且其傳播方向和天線陣列垂直，而手機是一直隨著用戶移動的，所在的位置完全不確定，主波束雖然犀利，但照射不到手機上也是白搭。那么，能不能讓波束偏移一定的角度，對準手機來發射呢?
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間是對齊的，則它們到達手機時，就可以相長干涉，信號通過疊加得以增強。
如果手機和天線陣列有一定的夾角，則各列波到達手機時，相位難以對齊，可能是波峰和波谷相遇，也可能是在其他相位進行疊加，難以達到相長干涉，信號疊加的效果。
這可咋辦?總不能通過旋轉天線來讓波束跟隨手機吧?
其實，周期性是波最大的特點，不同的相位總是周期性的出現，錯過了這個波峰，還有下一個波峰要來，因此相位是可以調整的。通過調整不同天線單元發射信號的振幅和相位(權值)，即使它們的傳播路徑各不相同，只要在到達手機的時候相位相同，就可以達到信號疊加增強的結果，相當于天線陣列把信號對準了手機。
下圖是一個示例，可以看出天線陣列通過調整發射信號的相位，讓波束偏移了θ度，從而可以精確對準手機發射信號。
3、5G怎樣實現波束賦形?
由此可見，波束賦形的關鍵在于天線單元相位的管控，也就是天線權值的處理。根據波束賦形處理位置和方式的不同，可分為數字波束賦形，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權值，通過移相器來完成天線相位的調整，處理的位置相對靠后。
模擬波束賦形的特點是基帶處理的通道數量遠小于天線單元的數量，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，還會受到器件精度的影響，使性能受到一定的制約。
數字波束賦形則在基帶模塊的時候就進行了天線權值的處理，基帶處理的通道數和天線單元的數量相等，因此需要為每路數據配置一套射頻鏈路。
數字波束賦形的優點是賦形精度高，實現靈活，天線權值變換響應及時;缺點是基帶處理能力要求高，系統復雜，設備體積大，成本較高。
Sub6G頻段，作為當前5G容量的主力軍，載波帶寬可達100MHz，一般采用采用數字波束賦形，通過64通道發射來實現小區內時頻資源的多用戶復用，下行最大可同時發射24路獨立信號，上行獨立接收12路數據，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5G載波的帶寬可達400MHz，如果單個AAU支持兩個載波的話，帶寬就達到了驚人的800MHz!
如果還要像Sub6G頻段的設備一樣支持數字波束賦形的話，對基帶處理能力要求太高，并且射頻部分功放的數量也要數倍增加，實現成本過高，功耗更是大得嚇人。因此，業界將數字波束賦形和模擬波束賦形結合起來，使在模擬端可調幅調相的波束賦形，結合基帶的數字波束賦形，稱之為混合波束賦形。
混合波束賦形數字和模擬融合了兩者的優點，基帶處理的通道數目明顯小于模擬天線單元的數量，復雜度大幅下降，成本降低，系統性能接近全數字波束賦形，非常適用于高頻系統。
這樣一來，毫米波頻段的設備基帶處理的通道數較少，一般為4T4R，但天線單元眾多，可達512個，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7Gbps的小區峰值速率，在毫米波頻譜下單載波也最多達到了約4.8Gbps的小區峰值速率。5G，也因此擁有了靈魂。
好了，本期的內容就到這里，希望對大家有所幫助。
