擁有了波束成形5G通信技術(shù)將“如虎添翼”
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大家一定有過(guò)這樣的經(jīng)驗，在一間房間里當人不多時(shí)，手機信號很好；當許多人聚集到房間里的時(shí)候，手機信號就會(huì )變差，甚至沒(méi)辦法打電話(huà)。這種現象歸根到底就是頻譜復用做得不夠好，無(wú)法給所有人分配必需的頻譜資源。
有三種經(jīng)典的頻譜復用方法：即時(shí)分復用（典型應用：中國移動(dòng)2G）、頻分復用（典型應用：中國聯(lián)通3G）和碼分復用（典型應用：中國聯(lián)通3G）?？梢杂靡粋€(gè)例子來(lái)說(shuō)明時(shí)分復用、頻分復用和碼分復用的區別。在一個(gè)屋子里有許多人要彼此進(jìn)行通話(huà)，為了避免相互干擾，可以采用以下方法：1) 講話(huà)的人按照順序輪流進(jìn)行發(fā)言（時(shí)分復用）。
2) 講話(huà)的人可以同時(shí)發(fā)言，但每個(gè)人說(shuō)話(huà)的音調不同（頻分復用）。
3) 講話(huà)的人采用不同的語(yǔ)言進(jìn)行交流，只有懂同一種語(yǔ)言的人才能夠相互理解（碼分復用）。
當然，這三種方法相互結合，比如不同的人可以按照順序用不同的語(yǔ)言交流（即中國移動(dòng)3G的TD-SCDMA）。然而，這三種經(jīng)典的復用方式都無(wú)法充分利用頻譜資源，它們要么無(wú)法多用戶(hù)同時(shí)間通訊(TDMA)，要么無(wú)法使用全部頻譜資源(FDMA)，要么需要多比特碼元才能傳遞1比特數據(CDMA)。
那么，有沒(méi)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(hù)同時(shí)使用全部頻譜通訊呢？讓我們先來(lái)思考一下，如果在一個(gè)房間里大家同時(shí)用同一種音調同一種語(yǔ)言說(shuō)話(huà)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。這是因為信號會(huì )向著(zhù)四面八方傳播，所以一個(gè)人會(huì )聽(tīng)到多個(gè)人說(shuō)話(huà)的聲音從而無(wú)法有效通訊。但是，如果我們讓每個(gè)說(shuō)話(huà)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(wú)線(xiàn)通訊中，也可以設法使電磁波按特定方向傳播，從而在不同空間方向的用戶(hù)可以同時(shí)使用全部頻譜資源不間斷地進(jìn)行通訊，也即空分復用(space-division mulTIple access，SDMA)。SDMA還有另一重好處，即可以減少信號能量的浪費：當無(wú)線(xiàn)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收到成為有用信號。大部分信號并沒(méi)有被相應的接收機收到，而是輻射到了其它的接收機成為了干擾信號。
當使用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的干擾；一方面也減小了信號能量的浪費。
在5G通訊中，SDMA是大規模MIMO（massive MulTIple-Input MulTIple-Output，指在發(fā)射端和接收端分別使用大規模發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)陣列，使信號通過(guò)發(fā)射端與接收端的大規模天線(xiàn)陣列傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量）技術(shù)應用的一個(gè)重要例子，而將無(wú)線(xiàn)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(lè )地刷手機上網(wǎng)而不用擔心信號干擾的問(wèn)題。
“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。當一束光的方向都相同時(shí)，就成了光束，類(lèi)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)有相當久的歷史。在二戰中，工程師已經(jīng)將波束利用在雷達中，雷達通過(guò)掃描波束方向來(lái)探測整個(gè)空間中所有目標的位置。
另一個(gè)例子是衛星通訊，也即我們生活中常見(jiàn)用于衛星電視的“鍋蓋天線(xiàn)”。衛星和地面接收天線(xiàn)的距離非常遠，信號衰減非常大，于是衛星信號到達地面時(shí)能量已經(jīng)非常小。因此，我們需要想方設法收取衛星發(fā)出的每一點(diǎn)信號能量。當衛星的信號向空間全方向輻射時(shí)，絕大多數能量并沒(méi)有被地面天線(xiàn)接收到，而是被浪費了。為了避免這種浪費，我們在接收和發(fā)射衛星信號時(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(xiàn)能對準這個(gè)方向，就可以接收到盡可能多的信號。
波束的傳統應用是雷達（左）和衛星通訊（右）
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）
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