波束成形為什麼突然這麼受關注?談它與毫米波的天作之合

大家一定有過這樣的經驗，在一間房間裡當人不多時，手機信號很好；當許多人聚集到房間裡的時候，手機信號就會變差，甚至沒辦法打電話。這種現象歸根到底就是頻譜復用做得不夠好，無法給所有人分配必需的頻譜資源。W9rednc

有三種經典的頻譜復用方法：即時分復用（典型應用：中國移動2G）、頻分復用（典型應用：中國聯通3G）和碼分復用（典型應用：中國聯通3G）。可以用一個例子來說明時分復用、頻分復用和碼分復用的區別。在一個屋子裡有許多人要彼此進行通話，為了避免相互幹擾，可以採用以下方法：W9rednc

1) 講話的人按照順序輪流進行發言（時分復用）。W9rednc

2) 講話的人可以同時發言，但每個人說話的音調不同（頻分復用）。W9rednc

3) 講話的人採用不同的語言進行交流，只有懂同一種語言的人才能夠相互理解（碼分復用）。W9rednc

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言交流（即中國移動3G的TD-SCDMA）。然而，這三種經典的復用方式都無法充分利用頻譜資源，它們要麼無法多用戶同時間通訊(TDMA)，要麼無法使用全部頻譜資源(FDMA)，要麼需要多比特碼元才能傳遞1比特數據(CDMA)。W9rednc

那麼，有沒有一種方法可以克服以上多路方式的缺點，讓多個用戶同時使用全部頻譜通訊呢？讓我們先來思考一下，如果在一個房間裡大家同時用同一種音調同一種語言說話會發生什麼？W9rednc

很顯然，在這種情況下會發生互相干擾。這是因為信號會向著四面八方傳播，所以一個人會聽到多個人說話的聲音從而無法有效通訊。但是，如果我們讓每個說話的人都用傳聲筒，讓聲音只在特定方向傳播，這樣便不會互相干擾了。W9rednc

在無線通訊中，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可以同時使用全部頻譜資源不間斷地進行通訊，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：當無線信號在空間中向全方向輻射時，只有一小部分信號能量被接收機收到成為有用信號。大部分信號並沒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幹擾信號。W9rednc

當使用SDMA時，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幹擾；一方面也減小了信號能量的浪費。W9rednc

在5G通訊中，SDMA是大規模MIMO（massive Multiple-Input Multiple-Output，指在發射端和接收端分別使用大規模發射天線和接收天線陣列，使信號通過發射端與接收端的大規模天線陣列傳送和接收，從而改善通信質量）技術應用的一個重要例子，而將無線信號（電磁波）只按特定方向傳播的技術叫做波束成形(beamforming)。W9rednc

有了波束成形，眾多小夥伴就可以同時在同一個地方歡樂地刷手機上網而不用擔心信號幹擾的問題。W9rednc

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什麼是波束？W9rednc

「波束」這個詞看上去有些陌生，但是「光束」大家一定都很熟悉。當一束光的方向都相同時，就成了光束，類似手電筒發出的光。反之，如果光向四面八方輻射（如電燈泡發出的光），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，即形成了波束。W9rednc

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生活中的光束，光束也是波束的一種W9rednc

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工程師利用波束已經有相當久的歷史。在二戰中，工程師已經將波束利用在雷達中，雷達通過掃描波束方向來探測整個空間中所有目標的位置。W9rednc

另一個例子是衛星通訊，也即我們生活中常見用於衛星電視的「鍋蓋天線」。衛星和地面接收天線的距離非常遠，信號衰減非常大，於是衛星信號到達地面時能量已經非常小。因此，我們需要想方設法收取衛星發出的每一點信號能量。當衛星的信號向空間全方向輻射時，絕大多數能量並沒有被地面天線接收到，而是被浪費了。為了避免這種浪費，我們在接收和發射衛星信號時，都會使用波束。這樣，發射的電磁波信號都集中在一個方向上，只要接收天線能對準這個方向，就可以接收到儘可能多的信號。W9rednc

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波束的傳統應用是雷達（左）和衛星通訊（右）

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如何實現波束成形W9rednc

光束實現很簡單，只要用不透明的材料把其它方向的光遮住即可。這是因為可見光近似沿直線傳播，衍射能力很弱。然而，在無線通訊系統中，信號以衍射能力很強的電磁波的形式存在，所以無法使用生成光束的方法來實現波束成型，而必須使用其他方法。W9rednc

無線通訊電磁波的信號能量在發射機由天線輻射進入空氣，並在接收端由天線接收。因此，電磁波的輻射方向由天線的特性決定。天線的方向特性可以由輻射方向圖（即天線發射的信號在空間不同方向的幅度）來描述。W9rednc

普通的天線的輻射方向圖方向性很弱（即每個方向的輻射強度都差不多，類似電燈泡），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（即瞄準一個方向輻射，類似手電筒）。W9rednc

然而，此類天線往往體積較大，很難安裝到移動終端上（想像一下iPhone上安了一個鍋蓋天線會是什麼樣子）。另外，波束成形需要可以隨著接收端和發射端之間的相對位置而改變波束的方向。傳統使用單一天線形成波束的方法需要轉動天線才能改變波束的方向，而這在手機上顯然不可能。因此，實用的波束成形方案使用的是智能天線陣列。W9rednc

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普通天線（方向性弱）和智能天線陣列（方向性強）W9rednc

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智能天線陣列原理並不複雜。當由兩個波源產生的兩列波互相干涉時，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）。W9rednc

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在波束成形中，我們有許多個波源（即天線陣列），通過仔細控制波源發射的波之間的相對延時和幅度我們可以做到電磁波輻射的能量都集中在一個方向上（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幹擾）。W9rednc

此外天線輻射的方向可以通過改變波源之間的相對延時和幅度來實現，可以輕鬆跟蹤發射端和接收端之間相對位置的改變。W9rednc

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波束成型系統架構W9rednc

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波束成形與毫米波是天作之合W9rednc

目前波束成形已經被使用在帶有多天線的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，因為天線尺寸太大了。W9rednc

天線的尺寸是由電磁波信號的波長決定的，WiFi和當前手機頻段的電磁波波長可達十幾釐米，因此很難將如此大的天線集成在手機上。為了解決這個問題，我們可以把波束成形和毫米波技術結合在一起。W9rednc

毫米波波段的波長大約是WiFi和手機頻段波長的十分之一左右，因此可以把多個毫米波天線集成到手機上，實現毫米波頻段的波束成形。波束成形和毫米波技術可謂是天作之合，使用毫米波可以給信號傳輸帶來更大的帶寬，波束成形則能解決頻譜利用問題，使得5G通訊如虎添翼。W9rednc

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毫米波天線陣列體積很小，可以安裝到手機上W9rednc

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結語W9rednc

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。波束成形配合毫米波技術可以讓通訊系統擁有高帶寬並且支持大量用戶同時通訊，從而使5G系統如虎添翼。W9rednc

本文作者李一雷，UCLA博士生，高通（射頻組）實習工程師，矽說主筆。本文授權自公眾號矽說(silicon_talks)，僅代表作者本人觀點。W9rednc

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