5G关键技术之波束成型

Posted 2021-10-31 格格巫 MMQ!!

我们在有了频谱资源后如何充分利用。这涉及通讯理论的多路复用通讯(multiple access)问题，即如何让多个用户通讯但又互不干扰？在大学的通讯理论课本中，会介绍几种经典的复用方式。第一种是时分复用(time-division multiple access, TDMA，典型应用：中国移动2G)，即让给每个用户分配一个专用的时间段，每个用户只在自己的时间段内通讯。显然，时分复用降低了每个用户的平均数据传输速率，因为在大多数时候用户并不能进行通讯而必须等轮到自己时才能进行数据传输。第二种经典的复用方法是频分复用(frequency-division multiple access, FDMA，典型应用：中国联通3G)，即把频谱分成多个信道，给每个用户分配一个信道，这样多个用户可以同时通讯而不会互相干扰。然而，这样每个用户只能获得一部分频谱资源，虽然多个用户可以同时通讯但是每个用户无法做到全速传输。第三种复用方法是码分复用(code-division multiple access, CDMA，典型应用：中国联通3G)，即每个用户被分配一个唯一的m比特码片序列，发送的每个数据比特均被扩展成m位码片（扩频）。每个用户的比特码片序列互相正交，因此每个用户能互不干扰地通讯。码分复用抗干扰能力很强，然而用户需要传输m比特码片才能真正传输1比特数据，因此效率并不高。可以用一个例子来说明时分复用、频分复用和码分复用的区别。在一个屋子里有许多人要彼此进行通话，为了避免相互干扰，可以采用以下方法：

1. 讲话的人按照顺序轮流进行发言（时分复用）。

2. 讲话的人可以同时发言，但每个人说话的音调不同（频分复用）。

3. 讲话的人采用不同的语言进行交流，只有懂得同一种语言的人才能够相互理解（码分复用）。

当然，这三种方法相互结合，比如不同的人可以按照顺序用不同的语言交流（即中国移动3G的TD-SCDMA）。然而，这三种经典的复用方式都无法充分利用频谱资源，它们要么无法多用户同时间通讯(TDMA)，要么无法使用全部频谱资源(FDMA)，要么需要多比特码元才能传递1比特数据(CDMA)。那么，有没有一种方法可以克服以上多路方式的缺点，让多个用户同时使用全部频谱通讯呢？让我们先来思考一下，如果在一个房间里大家同时用同一种音调同一种语言说话会发生什么？很显然，在这种情况下会发生互相干扰。这是因为信号会向着四面八方传播，所以一个人会听到多个人说话的声音从而无法有效地通讯。但是，如果我们让每个说话的人都用传声筒，让声音只在特定方向传播，这样就可以多个人同时用同音调同语言说话但是不会互相干扰。在无线通讯中，也可以设法使电磁波按特定方向传播，从而在不同空间方向的用户可以同时使用全部频谱资源不间断地进行通讯，也即空分复用(space-division multiple access，SDMA)。SDMA还有另一重好处，即可以减少信号能量的浪费。当无线信号在空间中向全方向辐射时，只有一小部分信号能量被接收机收到成为有用信号。大部分信号并没有被相应的接收机收到，而是辐射到了其它的接收机成为了干扰信号。当使用SDMA时，信号能量集中在特定的方向，一方面减少了对其它接收机的干扰，一方面也减小了信号能量的浪费。在5G通讯中，SDMA是大规模MIMO(massive Multiple-Input Multiple-Output，指在发射端和接收端分别使用大规模发射天线和接收天线阵列，使信号通过发射端与接收端的大规模天线阵列传送和接收，从而改善通信质量)技术应用的一个重要例子，而将无线信号（电磁波）只按特定方向传播的技术叫做波束成型(beamforming)。有了波束成型，众多小伙伴就可以同时在同一个地方欢乐地刷手机上网而不用担心没信号的问题啦！

什么是波束？

“波束”这个词看上去有些陌生，但是“光束”大家一定都很熟悉。当一束光的方向都相同时，就成了光束，类似手电筒发出的光。反之，如果光向四面八方辐射（如电灯泡发出的光），则不能形成光束。和光束一样，当所有波的传播方向都一致时，即形成了波束。

工程师利用波束已经有相当久的历史。在二战中，工程师已经将波束利用在雷达中。雷达通过波束的反射时间来计算波束方向物体的距离，并通过扫描波束方向来探测整个空间中所有目标的位置。如果雷达不使用波束而使用全方向辐射的电磁波，则雷达将无法确定空间物体的具体位置。另一个例子是卫星通讯，也即我们生活中常见的“锅盖天线”。卫星通讯使用波束的目的是为了补偿信道的衰减。卫星和地面接收天线的距离非常远，信道衰减非常大，于是卫星信号到达地面时能量已经非常小，甚至比热噪声还要低。因此，我们需要想方设法收取卫星发出的每一点信号能量。当卫星的信号向空间全方向辐射时，绝大多数能量并没有被地面天线接收到，而是被浪费了。为了避免这种浪费，我们在接收和发射卫星信号时，都会使用波束。这样，发射的电磁波信号都集中在一个方向上，只要接收天线能对准这个方向，就可以接收到每一点信号。

如何实现波束成型

光束很简单实现，只要用不透明的材料把其它方向的光遮住即可。这是因为可见光近似沿直线传播，衍射能力很弱。然而，在无线通讯系统中，信号以衍射能力很强的电磁波的形式存在。由于无线通讯使用的电磁波衍射能力很强，所以无法使用生成光束的方法来实现波束成型，而必须使用其他方法。

无线通讯电磁波的信号能量在发射机由天线辐射进入空气，并在接收端由天线接收。因此，电磁波的辐射方向由天线的特性决定。天线的方向特性可以由辐射方向图（即天线发射的信号在空间不同方向的幅度）来描述。普通的天线的辐射方向图方向性很弱（即每个方向的辐射强度都差不多，类似电灯泡），而最基本的形成波束的方法则是使用辐射方向性很强的天线（即瞄准一个方向辐射，类似手电筒）。然而，此类天线往往体积较大，很难安装到移动终端上（想象一下iPhone上安了一个锅盖天线会是什么样子）。另外，波束成型需要可以随着接收端和发射端之间的相对位置而改变波束的方向。传统使用单一天线形成波束的方法需要机械转动天线才能改变波束的方向，而这在手机上显然不可能。因此，实用的波束成型方案使用的是智能天线阵列。

智能天线阵列原理并不复杂，主要涉及的知识范围是高中物理教的波的干涉。当由两个波源产生的两列波互相干涉时，有的方向两列波互相增强，而有的方向两列波正好抵消（如下图）。

在波束成型中，我们有许多个波源（即天线阵列），通过仔细控制波源发射／接收的波之间的相对相位和幅度我们可以做到电磁波辐射／接收增益都集中在一个方向上（即接收机／发射机所在的位置），而在其他地方电磁波辐射／接收增益都很小（即减少了对其他接收机的干扰／减小了被其他发射机干扰的机会）。我们以接收天线阵列为例。对于沿我们想要方向传播的电磁波，波前到达天线阵列中每个天线的时间（相位）均有所不同。对于每一个天线，我们都加入一个特定的相位延迟用来补偿波前到达天线相位的区别，因此在经过该相位延迟后，我们就把每个天线收到的信号在相位上对齐了，从而不同天线接收到的有用信号在经过加和后会幅度变得很大。另一方面，当沿其它方向传播的干扰信号到达天线阵列时，每个天线对应的延迟与信号到达天线的时间差并不符合，因此在加和后幅度并不会变大。这样，天线阵列就可以通过多个普通天线配合特定的延迟来等效实现具有方向性的天线。根据天线的互易性原理，相同的架构也可以用在发射天线阵列里去等效一个高方向性的天线。此外天线辐射的方向可以通过改变波源之间的相对延时和幅度来实现，可以轻松跟踪发射端和接收端之间相对位置的改变。

波束成型与毫米波是天作之合

目前波束成型已经被使用在带有多天线的WiFi路由器中。然而，手机上不可能像路由器一样安装WiFi频段的多根天线，因为天线尺寸太大了。天线的尺寸是由电磁波信号的波长决定的，WiFi和当前手机频段的电磁波波长可达十几厘米，因此很难将如此大的天线集成在手机上。为了解决这个问题，我们可以把波束成型和毫米波技术结合在一起。毫米波波段的波长大约是WiFi和手机频段波长的十分之一左右，因此可以把多个毫米波天线集成到手机上，实现毫米波频段的波束成型。波束成型和毫米波技术可谓是天作之合，使用毫米波可以给信号传输带来更大的带宽，波束成型则能解决频谱利用问题，使得5G通讯如虎添翼。

毫米波天线阵列体积很小，可以安装到手机上

结语

波束成型可以使信号的能量集中在接收端所在的方向，从而改善频谱利用效率。波束成型配合毫米波技术可以让通讯系统拥有高带宽并且支持大量用户同时通讯，从而使5G系统如虎添翼。