5G的關鍵技術波束賦形

2021-01-08 Will的大食堂

波束賦形(Beamforming)又叫波束成型、空域濾波,是一種陣列定向發送和接收信號的信號處理技術,它既可以用於信號發射端,又可以用於信號接收端。波束賦形技術通過調整相位陣列的基本單元的參數,使得某些角度的信號獲得相長幹涉,而另一些角度的信號獲得相消幹涉,從而產生波束。其原理就是利用波的幹涉,我們曾經物理中也學過波的幹涉,當波峰和波峰,或者波谷和波谷相遇,則能量相加,波峰更高,波谷更深; 當波峰和波谷相遇,兩者則相互抵消。

波的幹涉

基站發出的電磁波同樣也是波,通過幹涉之後也會是類似的現象。

因此對於基站來說,如果天線的信號全向發射的話,基站周圍的手機只能收到有限的信號,大部分能量都會浪費掉。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。5G頻段更高,尤其是毫米波頻段,覆蓋範圍更小,為了增強5G覆蓋,波束賦形應運而生。

為了獲得更加集中的信號,兩個天線對往往是不夠的,天線個數越多,電磁波傳播方向越集中,實現電磁波單方向傳播,在5G中我們通常會使用多天線矩陣。

關於多天線矩陣就要談到外一個概念Massive MIMO(大規模天線技術),是第五代移動通信(5G)中提高系統容量和頻譜利用率的關鍵技術。它最早由美國貝爾實驗室研究人員提出,研究發現,當小區的基站天線數目趨於無窮大時,加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負面影響全都可以忽略不計,數據傳輸速率能得到極大提高。尤其是毫米波頻段,載波頻率的提高顯著加大了無線信號的傳播損耗,減少了天線的覆蓋面積,也大大減小了天線單元的物理尺寸,使得在相同的物理空間裡能夠安裝更多的天線單元,從而可以使用天線陣列、波束賦形等技術加大無線信號的覆蓋範圍,補償路徑損耗。

波束賦形可分為兩種: 數字式波束賦形和模擬式波束賦形。

數字式波束賦形由於處理的是數位訊號,因為傳播的電磁波是是模擬信號。所以對於下行鏈路其工作在DAC之前和上行鏈路工作在ADC之後,調整數位訊號的幅度和相位權值,從而可以明確區分不同的波形,因此可以支持多通道多用戶的不同傳輸模式,可以並行獲得很多路不同的輸出信號,同時測量來自不同方向的信號(TM)。但是因此每條RF鏈路都需要一套獨立的DAC、ADC、混頻器、濾波器和功放器等。

模擬式波束賦形是在發射端DAC之後完成波束賦形的信號處理,接收端ADC之前完成波束賦形,處理的是模擬信號。

如果5G NR的天線數量進一步增加,使用數字式波束賦形,那麼每個天線單元上都必須有一個DAC或者ADC。如果有100個天線單元,那麼就要有100個DAC或者ADC;這就讓天線變得非常臃腫複雜,功耗也大大增加。如果使用模擬式波束賦形,由於多路信號其實是對一個輸入信號的相位或者振幅調整,只需要在波束賦形處理矩陣之前有1個DAC或者ADC即可,因此硬體設計非常的簡單。

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