5G通信技術(shù)解讀：波束成形如何為5G添翼

5G通信技術(shù)解讀：波束成形如何為5G添翼？在之前的文章（《如何實(shí)現(xiàn)比4G快十倍？毫米波技術(shù)是5G的關(guān)鍵》）中我們介紹了如何利用毫米波技術(shù)獲得更多的頻譜資源，接下來的問題是如何充分利用這些頻譜資源——如何讓多個(gè)用戶通訊但又互不干擾，專業(yè)術(shù)語叫做頻譜復(fù)用。圖片來源：Phoenix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-divisionmultipleaccess，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（massiveMultiple-InputMultiple-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。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），通過仔細(xì)控制波源發(fā)射的波之間的相對延時(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（即減少了對其他接收機(jī)的干擾）。此外天線輻射的方向可以通過改變波源之間的相對延時(shí)和幅度來實(shí)現(xiàn)，可以輕松跟蹤發(fā)射端和接收端之間相對位置的改變。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的波長決定的，WiFi和當(dāng)前手機(jī)頻段的電磁波波長可達(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。毫米波波段的波長大約是WiFi和手機(jī)頻段波長的十分之一左右，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傳輸帶來更大的帶寬，波束成形則能解決頻譜利用問題，使得5G通訊如虎添翼。毫米波天線陣列體積