5G怎樣實現波束賦形？

無線深海 2020-05-31 00:00

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波束賦形，作為5G的核心技術之一，總是伴隨著AAU，大規模MIMO等概念出現，這一切看似如此地天經地義。

然而，這簡單的四個字背后卻隱藏著諸多玄機，默默驅動著5G車輪的飛速運轉。

下面，蜉蝣君將嘗試抽絲剝繭，絲絲入扣地揭開波束賦形的神秘面紗。

看完本文，你將會了解到：

什么是波束賦形？
波束賦形的基本原理是什么？
5G怎樣實現波束賦形？

1、什么是波束賦形？

“ 波束賦形 ”這個概念可以拆分成“ 波束 ”和“ 賦形 ”這兩個詞來理解。

“波束”里的波字可以認為是電磁波，束字的本意是“捆綁”，因此波束的含義是捆綁在一起集中傳播的電磁波；而賦形可以簡單地理解為“賦予一定的形狀”。

合起來，波束賦形的意思就是賦予一定形狀集中傳播的電磁波。

其實，我們常見的光也是一種電磁波，燈泡作為一個點光源，發出的光沒有方向性，只能不斷向四周耗散；而手電筒則可以把光集中到一個方向發射，能量更為聚焦，從而照地更遠。

無線基站也是同理，如下圖所示，如果天線的信號全向發射的話，這幾個手機只能收到有限的信號，大部分能量都浪費掉了。

而如果能通過波束賦形把信號聚焦成幾個波束，專門指向各個手機發射的話，承載信號的電磁能量就能傳播地更遠，而且手機收到的信號也就會更強。

因此，波束賦形在無線通信中大有可為。

2、波束賦形的基本原理是什么？

波束賦形的物理學原理，其實就是波的干涉現象。百度百科上定義如下：

頻率相同的兩列波疊加，使某些區域的振動加強，某些區域的振動減弱，而且振動加強的區域和振動減弱的區域相互隔開。

想象一下，在湖邊漫步時，你和女朋友在相距很近的兩點激起水波，兩朵漣漪不斷散開，然后交疊起來，形成了下面的圖樣。

可以看出，有的地方水波增強，有的地方則減弱，并且增強和減弱的地方間隔分布，在最中間的狹窄區域最為明顯。

如果波峰和波峰，或者波谷和波谷相遇，則能量相加，波峰更高，波谷更深。這種情況叫做相長干涉。

反之，如果波峰和波谷相遇，兩者則相互抵消，震動歸于靜寂。這種情況叫做相消干涉。

如果把這個現象抽象一下，可以得到下圖：

在兩個饋源正中間的地方由于相長干涉，能量最強，可以認為形成了一個定向的波束，也叫做主瓣；兩邊則由于相消干涉能量抵消，形成了零陷，再往兩邊又是相長干涉，但弱于最中間，因此稱作旁瓣。

如果我們能繼續增強正中央主瓣的能量，使其寬度更窄，并抑制兩邊的旁瓣，就可以得到干凈利落的波束了。

其實，普通天線一直在做這樣的事情。

天線內部排布著一系列的電磁波源，稱作振子，或者天線單元。這些天線單元也利用干涉原理來形成定向的波束。

由上圖可以看出，縱向排列的天線單元越多，最中間的可集中的能量也就越多，波束也就越窄。

但這只是一個垂直截面而已，其實完整的波束在空間是三維的，水平和垂直的寬度可能截然不同。

下圖是一個天線的振子排列，以及輻射能量三維分布圖。

可以看出，上述天線內振源的排布方式為縱向，橫向的數量很少，因此其波束在垂直方向的能量集中，而水平方向的角度還是比較寬的，像一個薄薄的大餅。

這種傳統的天線水平方向的輻射角度多為60度，進行大面積的地面信號覆蓋是一把好手，但要垂直覆蓋高樓就有些力不從心了，稱作“波束賦形”還是不夠格。

如果我們把這些天線單元的排布改成矩形，電磁波輻射能量將在最中央形成一個很粗的主瓣，周邊是一圈的旁瓣，這就有點波束賦形的意思了。

為了讓波束更窄能量更集中，天線單元還需要更多更密，水平和垂直兩個維度也都要兼顧，原本的天線就變成了大規模天線陣列。

這下，生成的波束就犀利多了，用大規模天線陣列來支持波束賦形，穩了！

但是這樣還有問題，那就是這個最大波束位于正中央，且其傳播方向和天線陣列垂直，而手機是一直隨著用戶移動的，所在的位置完全不確定，主波束雖然犀利，但照射不到手機上也是白搭。

那么，能不能讓波束偏移一定的角度，對準手機來發射呢？

首先我們看看中央的主波束的形成過程：多列波的相位相同，也就是波峰和波谷在同一時間是對齊的，則它們到達手機時，就可以相長干涉，信號通過疊加得以增強。

如果手機和天線陣列有一定的夾角，則各列波到達手機時，相位難以對齊，可能是波峰和波谷相遇，也可能是在其他相位進行疊加，難以達到相長干涉，信號疊加的效果。

這可咋辦？總不能通過旋轉天線來讓波束跟隨手機吧？

其實，周期性是波最大的特點，不同的相位總是周期性的出現，錯過了這個波峰，還有下一個波峰要來，因此相位是可以調整的。

通過調整不同天線單元發射信號的振幅和相位（權值），即使它們的傳播路徑各不相同，只要在到達手機的時候相位相同，就可以達到信號疊加增強的結果，相當于天線陣列把信號對準了手機。