解析5G背后的核心技術(shù)：波束成形

解析5G背后的核心技術(shù)：波束成形虛擬現(xiàn)實(shí)、無人機(jī)、自動(dòng)駕駛，在這些炫酷的熱門技術(shù)背后，都能看到5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的身影。今年春季，3GPP組織將5G部分空口標(biāo)準(zhǔn)化工作由研究階段轉(zhuǎn)入工作階段。這意味著，經(jīng)過多年的熱切期盼，傳說中的5G這次真的要來了!5G基站可以支持大規(guī)模天線陣列，可配置的天線數(shù)量甚至可以達(dá)到1024根。要充分發(fā)揮這些大規(guī)模天線陣列的潛力，5G的波束成形技術(shù)(Beamforming)絕對(duì)必不可少!今天我們就帶大家一起，靠近這雙助力5G通信騰飛的翅膀。波束成形技術(shù)原理在空間傳播過程中，無線信號(hào)的質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)衰減。這種被稱之為“路損”(path-loss)的衰減現(xiàn)象會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。特別是對(duì)于毫米波段的5G通信系統(tǒng)，高達(dá)幾十dB的信號(hào)衰減可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。在這種情況下，波束成形技術(shù)就可以大顯身手，有效對(duì)抗路損。研究人員在很久之前就已發(fā)現(xiàn)：多天線通信可以提高無線信號(hào)的傳輸質(zhì)量。無線信號(hào)在空間傳播如同船在水中行駛，路損就相當(dāng)于水對(duì)船產(chǎn)生的阻力；天線以一定功率發(fā)送無線信號(hào)，如同船槳克服水阻推動(dòng)船前行。5G系統(tǒng)采用beamforming技術(shù)傳統(tǒng)基站的天線數(shù)目少，無線信號(hào)傳輸質(zhì)量就有限。這一點(diǎn)與獨(dú)排或雙槳的行船方式類似，由于槳少、人少、力量小而導(dǎo)致行船速度緩慢。5G基站則采用了大規(guī)模天線陣列，果斷將獨(dú)排和雙槳升級(jí)到龍舟，槳多人多，力量爆棚!波束成形技術(shù)通過調(diào)節(jié)各天線的相位使信號(hào)進(jìn)行有效疊加，產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)增益來克服路損，從而為5G無線信號(hào)的傳輸質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的保障。如同龍首的鼓點(diǎn)引導(dǎo)龍舟眾多槳片密切配合，使得龍舟競(jìng)速，船行如箭，是不是猴塞雷?!Beamforming技術(shù)產(chǎn)生指向性波束有趣的是，波束成形技術(shù)會(huì)對(duì)無線信號(hào)的能量產(chǎn)生聚焦，形成一個(gè)指向性波束(Beam)。通常波束越窄，信號(hào)增益越大。但副作用是，一旦波束的指向偏離用戶，用戶反而接收不到高質(zhì)量的無線信號(hào)，可謂是差之毫厘，謬以千里!因此，如何將波束快速對(duì)準(zhǔn)用戶便成為5G標(biāo)準(zhǔn)中波束管理(BeamManagement)技術(shù)的主要內(nèi)容5G的波束管理技術(shù)結(jié)合剛剛出爐的5G標(biāo)準(zhǔn)在研究階段的成果，以及移動(dòng)通信的下行過程(Downlink，即基站到用戶的無線傳輸)，我們來看一下波束管理的基本技術(shù)原理。波束管理技術(shù)原理采用波束成形技術(shù)之后，5G基站必須使用多個(gè)不同指向的波束才能完全覆蓋小區(qū)。如上圖所示，基站使用了8個(gè)波束覆蓋其服務(wù)的小區(qū)。在下行過程中，基站依次使用不同指向的波束發(fā)射無線信號(hào)，該過程被稱作波束掃描(Beamsweeping);與此同時(shí)，用戶測(cè)量不同波束發(fā)射出的無線信號(hào)(Beammeasurement)，并向基站報(bào)告相關(guān)信息(Beamreporting);基站根據(jù)用戶報(bào)告確定對(duì)準(zhǔn)該用戶的最佳發(fā)射波束(Beamdetermination)。更為復(fù)雜的是，用戶也有天線陣列。這意味著，我們?cè)诓ㄊ鴮?duì)準(zhǔn)的過程中既要考慮發(fā)射波束，也要考慮接收波束。為此，5G標(biāo)準(zhǔn)允許用戶對(duì)發(fā)射波束變換不同的接收波束，并從中選擇最佳接收波束，由此產(chǎn)生一對(duì)最佳發(fā)射—接收波束。上圖中用戶1和2所對(duì)應(yīng)的最佳波束對(duì)分別為（t4，r3）和（t6，r2）。此時(shí)，大家可能會(huì)覺得波束管理過程十分簡(jiǎn)單，但事實(shí)并非如此。實(shí)際上，為保證最終得到足夠的信號(hào)增益，大規(guī)模天線陣列所產(chǎn)生的波束通常需要變得很窄。付出的代價(jià)是，基站需要使用大量的窄波束才能保證小區(qū)內(nèi)任意方向上的用戶都能得到有效覆蓋。在此情況下，遍歷掃描全部窄波束來尋找最佳發(fā)射波束的策略顯得費(fèi)時(shí)費(fèi)力，與5G所期望的用戶體驗(yàn)不符。為快速對(duì)準(zhǔn)波束，5G標(biāo)準(zhǔn)采取了分級(jí)掃描的策略，即由寬到窄掃描。波束管理的分級(jí)掃描過程第一階段為粗掃描，基站使用少量的寬波束覆蓋整個(gè)小區(qū)，并依次掃描各寬波束對(duì)準(zhǔn)的方向。如上圖所示，基站在此階段使用了寬波束tA和tB，且只為用戶對(duì)準(zhǔn)寬波束，對(duì)準(zhǔn)方向精度不高，所建立的無線通信連接質(zhì)量亦比較有限。第二階段為細(xì)掃描，基站利用多個(gè)窄波束逐一掃描已在第一階段中被寬波束覆蓋的方向。對(duì)單個(gè)用戶而言，盡管此時(shí)的掃描波束變窄，但所需掃描的范圍卻已縮小，掃描次數(shù)便相應(yīng)減少。如上圖所示，在第一階段寬波束對(duì)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，基站只需繼續(xù)細(xì)化掃描與各用戶有關(guān)的4個(gè)窄波束，比如為用戶1掃描波束t1-t4,為用戶2掃描波束t5-t8。此時(shí)，基站改善了對(duì)準(zhǔn)每個(gè)用戶的波束方向的精度，所建立的無線通信連接質(zhì)量得到提高。因此，在圖示的兩級(jí)波束管理過程中，基站只需為每位用戶掃描6次，而無需對(duì)全部8個(gè)窄波束都進(jìn)行掃描。波束估計(jì)算法輔助的波束管理過程此外，波束管理過程可以通過波束估計(jì)算法得到進(jìn)一步優(yōu)化。以上圖為例，基站使用4個(gè)適中寬度的波束掃描整個(gè)小區(qū)。如果用戶1正好處于波束t2與t3之間，根據(jù)傳統(tǒng)方法，基站為了提高波束對(duì)準(zhǔn)精度需要進(jìn)一步細(xì)化掃描用戶1的方向。為此，英特爾中國(guó)研究院開發(fā)了有效的波束估計(jì)算法：基站可以結(jié)合用戶報(bào)告信息進(jìn)一步估計(jì)用戶的最佳波束方向，提高現(xiàn)有波束掃描結(jié)果的精度并修正波束方向，從而減少或避免進(jìn)一步細(xì)化掃描。借助波束估計(jì)算法，基站可能只需要掃描4次適中寬度的波束就可以實(shí)現(xiàn)之前兩級(jí)掃描6次不同寬度波束所達(dá)到的效果，從而實(shí)現(xiàn)快速波束管理。最后，考慮到用戶可能處于移動(dòng)狀態(tài)，為了更好地跟蹤用戶(Beamtracking)，分