5G通信技术解读丨波束成形如何为5G添翼？

2021-02-26 19:30

如何实现波束成形

光束实现很简单，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，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，波束成形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，实用的波束成形方案使用的是智能天线阵列。

普通天线（方向性弱）和智能天线阵列（方向性强）

智能天线阵列原理并不复杂。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

在波束成形中，我们有许多个波源（即天线阵列），通过仔细控制波源发射的波之间的相对延时和幅度我们可以做到电磁波辐射的能量都集中在一个方向上（即接收机所在的位置），而在其他地方电磁波辐射能量很小（即减少了对其他接收机的干扰）。

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。

波束成型系统架构

波束成形与毫米波是天作之合

目前波束成形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，我们可以把波束成形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形。波束成形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，波束成形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

波束成形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。波束成形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。