目录

5G NR 系列:波束赋形

什么是波束赋形?波束赋形的基本原理是什么?5G 怎样实现波束赋形?

注:本文系全文转载,原文信息如下:

作者:无线深海

链接:https://zhuanlan.zhihu.com/p/144971077

来源:知乎

著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

什么是波束赋形?

波束赋形这个概念可以拆分成波束赋形这两个词来理解。

  • 波束里的字可以认为是电磁波,字的本意是“捆绑”,因此波束的含义是捆绑在一起集中传播的电磁波
  • 赋形可以简单地理解为“赋予一定的形状”

合起来,波束赋形的意思就是赋予一定形状集中传播的电磁波

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_12.webp
分散与集中的光线

其实,我们常见的光也是一种电磁波,灯泡作为一个点光源,发出的光没有方向性,只能不断向四周耗散;而手电筒则可以把光集中到一个方向发射,能量更为聚焦,从而照地更远。

无线基站也是同理,如下图所示,如果天线的信号全向发射的话,这几个手机只能收到有限的信号,大部分能量都浪费掉了。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_17.webp
分散与集中的电磁波

而如果能通过波束赋形把信号聚焦成几个波束,专门指向各个手机发射的话,承载信号的电磁能量就能传播地更远,而且手机收到的信号也就会更强。

因此,波束赋形在无线通信中大有可为。

波束赋形的基本原理是什么?

波束赋形的物理学原理,其实就是波的干涉现象。

频率相同的两列波叠加,使某些区域的振动加强,某些区域的振动减弱,而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。

想象一下,在湖边漫步时,你和女朋友在相距很近的两点激起水波,两朵涟漪不断散开,然后交叠起来,形成了下面的图样。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_10.webp
波的干涉现象

可以看出,有的地方水波增强,有的地方则减弱,并且增强和减弱的地方间隔分布,在最中间的狭窄区域最为明显。

如果波峰和波峰,或者波谷和波谷相遇,则能量相加,波峰更高,波谷更深。这种情况叫做相长干涉。

反之,如果波峰和波谷相遇,两者则相互抵消,震动归于静寂。这种情况叫做相消干涉。

如果把这个现象抽象一下,可以得到下图:

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_07.webp
波的干涉

在两个馈源正中间的地方由于相长干涉,能量最强,可以认为形成了一个定向的波束,也叫做主瓣;两边则由于相消干涉能量抵消,形成了零陷,再往两边又是相长干涉,但弱于最中间,因此称作旁瓣。

如果我们能继续增强正中央主瓣的能量,使其宽度更窄,并抑制两边的旁瓣,就可以得到干净利落的波束了。

其实,普通天线一直在做这样的事情。

天线内部排布着一系列的电磁波源,称作振子,或者天线单元。这些天线单元也利用干涉原理来形成定向的波束。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_04.webp
单列天线

由上图可以看出,纵向排列的天线单元越多,最中间的可集中的能量也就越多,波束也就越窄。

但这只是一个垂直截面而已,其实完整的波束在空间是三维的,水平和垂直的宽度可能截然不同。

下图是一个天线的振子排列,以及辐射能量三维分布图。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_06.webp
纵向双列天线

可以看出,上述天线内振源的排布方式为纵向,横向的数量很少,因此其波束在垂直方向的能量集中,而水平方向的角度还是比较宽的,像一个薄薄的大饼。

这种传统的天线水平方向的辐射角度多为 60 度,进行大面积的地面信号覆盖是一把好手,但要垂直覆盖高楼就有些力不从心了,称作“波束赋形”还是不够格。

如果我们把这些天线单元的排布改成矩形,电磁波辐射能量将在最中央形成一个很粗的主瓣,周边是一圈的旁瓣,这就有点波束赋形的意思了。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_01.webp
矩形天线

为了让波束更窄能量更集中,天线单元还需要更多更密,水平和垂直两个维度也都要兼顾,原本的天线就变成了大规模天线阵列。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_05.webp
大规模矩形天线

这下,生成的波束就犀利多了,用大规模天线阵列来支持波束赋形,稳了!

但是这样还有问题,那就是这个最大波束位于正中央,且其传播方向和天线阵列垂直,而手机是一直随着用户移动的,所在的位置完全不确定,主波束虽然犀利,但照射不到手机上也是白搭。

那么,能不能让波束偏移一定的角度,对准手机来发射呢?

首先我们看看中央的主波束的形成过程:多列波的相位相同,也就是波峰和波谷在同一时间是对齐的,则它们到达手机时,就可以相长干涉,信号通过叠加得以增强。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_02.webp
到达同相,相长干涉

如果手机和天线阵列有一定的夹角,则各列波到达手机时,相位难以对齐,可能是波峰和波谷相遇,也可能是在其他相位进行叠加,难以达到相长干涉,信号叠加的效果。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_15.webp
到达异相,无法相长

这可咋办?总不能通过旋转天线来让波束跟随手机吧?

其实,周期性是波最大的特点,不同的相位总是周期性的出现,错过了这个波峰,还有下一个波峰要来,因此相位是可以调整的。

通过调整不同天线单元发射信号的振幅和相位(权值),即使它们的传播路径各不相同,只要在到达手机的时候相位相同,就可以达到信号叠加增强的结果,相当于天线阵列把信号对准了手机。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_14.webp
相位控制

下图是一个示例,可以看出天线阵列通过调整发射信号的相位,让波束偏移了 θ 度,从而可以精确对准手机发射信号。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_13.webp
相位控制

5G 怎样实现波束赋形?

由此可见,波束赋形的关键在于天线单元相位的管控,也就是天线权值的处理。

根据波束赋形处理位置和方式的不同,可分为

  • 数字波束赋形
  • 模拟波束赋形
  • 混合波束赋形

模拟波束赋形

所谓模拟波束赋形,就是通过处理射频信号权值,通过移相器来完成天线相位的调整,处理的位置相对靠后。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_16.webp
模拟波束赋形

模拟波束赋形的特点是基带处理的通道数量远小于天线单元的数量,因此容量上受到限制,并且天线的赋形完全是靠硬件搭建的,还会受到器件精度的影响,使性能受到一定的制约。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_08.webp
模拟波束赋形框图

数字波束赋形

数字波束赋形则在基带模块的时候就进行了天线权值的处理,基带处理的通道数和天线单元的数量相等,因此需要为每路数据配置一套射频链路。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_11.webp
数字波束赋形

数字波束赋形的优点是

  • 赋形精度高
  • 实现灵活
  • 天线权值变换响应及时

缺点是

  • 基带处理能力要求高
  • 系统复杂
  • 设备体积大
  • 成本较高

Sub6G 频段,作为当前 5G 容量的主力军,载波带宽可达 100MHz,一般采用采用数字波束赋形,通过 64 通道发射来实现小区内时频资源的多用户复用,下行最大可同时发射 24 路独立信号,上行独立接收 12 路数据,扛起了 5G 超高速率的大旗。

https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_09.webp
数字波束赋形框图

在毫米波 mmWave 频段,由于频谱资源非常充沛,一个 5G 载波的带宽可达 400MHz,如果单个 AAU 支持两个载波的话,带宽就达到了惊人的 800MHz!

如果还要像 Sub6G 频段的设备一样支持数字波束赋形的话,对基带处理能力要求太高,并且射频部分功放的数量也要数倍增加,实现成本过高,功耗更是大得吓人。

混合波束赋形

因此,业界将数字波束赋形和模拟波束赋形结合起来,使在模拟端可调幅调相的波束赋形,结合基带的数字波束赋形,称之为混合波束赋形。

混合波束赋形数字和模拟融合了两者的优点:

  • 基带处理的通道数目明显小于模拟天线单元的数量
  • 复杂度大幅下降
  • 成本降低
  • 系统性能接近全数字波束赋形
  • 非常适用于高频系统
https://cdn.jsdelivr.net/gh/techkoala/techkoala.github.io@master/images/WirelessCommunication/5G/Beamforming/Beamforming_03.webp
混合波束赋形框图

这样一来,毫米波频段的设备基带处理的通道数较少,一般为 4T4R,但天线单元众多,可达 512 个,其容量的主要来源是超大带宽和波束赋形。

在波束赋形和 Massive MIMO 的加成之下,5G 在 Sub6G 频谱下单载波最多可达 7Gbps 的小区峰值速率,在毫米波频谱下单载波也最多达到了约 4.8Gbps 的小区峰值速率。