5G通信技術(shù)解讀：波束成形如何為5G添翼？

　如何實(shí)現波束成形

　　光束實(shí)現很簡(jiǎn)單，只要用不透明的材料把其它方向的光遮住即可。這是因為可見(jiàn)光近似沿直線(xiàn)傳播，衍射能力很弱。然而，在無(wú)線(xiàn)通訊系統中，信號以衍射能力很強的電磁波的形式存在，所以無(wú)法使用生成光束的方法來(lái)實(shí)現波束成型，而必須使用其他方法。

　　無(wú)線(xiàn)通訊電磁波的信號能量在發(fā)射機由天線(xiàn)輻射進(jìn)入空氣，并在接收端由天線(xiàn)接收。因此，電磁波的輻射方向由天線(xiàn)的特性決定。天線(xiàn)的方向特性可以由輻射方向圖(即天線(xiàn)發(fā)射的信號在空間不同方向的幅度)來(lái)描述。

　　普通的天線(xiàn)的輻射方向圖方向性很弱(即每個(gè)方向的輻射強度都差不多，類(lèi)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的天線(xiàn)(即瞄準一個(gè)方向輻射，類(lèi)似手電筒)。

　　然而，此類(lèi)天線(xiàn)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(xiàn)會(huì )是什么樣子)。另外，波束成形需要可以隨著(zhù)接收端和發(fā)射端之間的相對位置而改變波束的方向。傳統使用單一天線(xiàn)形成波束的方法需要轉動(dòng)天線(xiàn)才能改變波束的方向，而這在手機上顯然不可能。因此，實(shí)用的波束成形方案使用的是智能天線(xiàn)陣列。

　　普通天線(xiàn)(方向性弱)和智能天線(xiàn)陣列(方向性強)

　　智能天線(xiàn)陣列原理并不復雜。當由兩個(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，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(xiàn)陣列)，通過(guò)仔細控制波源發(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的干擾)。

　　此外天線(xiàn)輻射的方向可以通過(guò)改變波源之間的相對延時(shí)和幅度來(lái)實(shí)現，可以輕松跟蹤發(fā)射端和接收端之間相對位置的改變。

　　波束成型系統架構

　　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(xiàn)的WiFi路由器中。然而，手機上不可能像路由器一樣安裝WiFi頻段的多根天線(xiàn)，因為天線(xiàn)尺寸太大了。

　　天線(xiàn)的尺寸是由電磁波信號的波長(cháng)決定的，WiFi和當前手機頻段的電磁波波長(cháng)可達十幾厘米，因此很難將如此大的天線(xiàn)集成在手機上。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以把波束成形和毫米波技術(shù)結合在一起。

　　毫米波波段的波長(cháng)大約是WiFi和手機頻段波長(cháng)的十分之一左右，因此可以把多個(gè)毫米波天線(xiàn)集成到手機上，實(shí)現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(lái)更大的帶寬，波束成形則能解決頻譜利用問(wèn)題，使得5G通訊如虎添翼。

　　毫米波天線(xiàn)陣列體積很小，可以安裝到手機上

　　結語(yǔ)

　　波束成形可以使信號的能量集中在接收端所在的方向，從而改善頻譜利用效率。