5G关键技术之波束成形

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

在之前的文章(5G关键技术之毫米波)中我们介绍了如何利用毫米波技术获得更多的频谱资源,接下来的问题是如何充分利用这些频谱资源——如何让多个用户通讯但又互不干扰,专业术语叫做频谱复用。

大家一定有过这样的经验,在一间房间里当人不多时,手机信号很好;当许多人聚集到房间里的时候,手机信号就会变差,甚至没办法打电话。这种现象归根到底就是频谱复用做得不够好,无法给所有人分配必需的频谱资源。

在大学的通讯理论课本中,会介绍几种经典的复用方式。第一种是时分复用(time-division multiple access, TDMA,典型应用:中国移动2G),即让给每个用户分配一个专用的时间段,每个用户只在自己的时间段内通讯。显然,时分复用降低了每个用户的平均数据传输速率,因为在大多数时候用户并不能进行通讯而必须等轮到自己时才能进行数据传输。第二种经典的复用方法是频分复用(frequency-division multiple access, FDMA,典型应用:中国联通3G),即把频谱分成多个信道,给每个用户分配一个信道,这样多个用户可以同时通讯而不会互相干扰。然而,这样每个用户只能获得一部分频谱资源,虽然多个用户可以同时通讯但是每个用户无法做到全速传输。第三种复用方法是码分复用(code-division multiple access, CDMA,典型应用:中国联通3G),即每个用户被分配一个唯一的m比特码片序列,发送的每个数据比特均被扩展成m位码片(扩频)。每个用户的比特码片序列互相正交,因此每个用户能互不干扰地通讯。码分复用抗干扰能力很强,然而用户需要传输m比特码片才能真正传输1比特数据,因此效率并不高。可以用一个例子来说明时分复用、频分复用和码分复用的区别。在一个屋子里有许多人要彼此进行通话,为了避免相互干扰,可以采用以下方法:

1) 讲话的人按照顺序轮流进行发言(时分复用)。2) 讲话的人可以同时发言,但每个人说话的音调不同(频分复用)。3) 讲话的人采用不同的语言进行交流,只有懂同一种语言的人才能够相互理解(码分复用)。

当然,这三种方法相互结合,比如不同的人可以按照顺序用不同的语言交流(即中国移动3G的TD-SCDMA)。然而,这三种经典的复用方式都无法充分利用频谱资源,它们要么无法多用户同时间通讯(TDMA),要么无法使用全部频谱资源(FDMA),要么需要多比特码元才能传递1比特数据(CDMA)。

什么是波束?

“波束”这个词看上去有些陌生,但是“光束”大家一定都很熟悉。当一束光的方向都相同时,就成了光束,类似手电筒发出的光。反之,如果光向四面八方辐射(如电灯泡发出的光),则不能形成光束。和光束一样,当所有波的传播方向都一致时,即形成了波束。

生活中的光束,光束也是波束的一种


工程师利用波束已经有相当久的历史。在二战中,工程师已经将波束利用在雷达中,雷达通过扫描波束方向来探测整个空间中所有目标的位置。另一个例子是卫星通讯,也即我们生活中常见用于卫星电视的“锅盖天线”。卫星和地面接收天线的距离非常远,信号衰减非常大,于是卫星信号到达地面时能量已经非常小。因此,我们需要想方设法收取卫星发出的每一点信号能量。当卫星的信号向空间全方向辐射时,绝大多数能量并没有被地面天线接收到,而是被浪费了。为了避免这种浪费,我们在接收和发射卫星信号时,都会使用波束。这样,发射的电磁波信号都集中在一个方向上,只要接收天线能对准这个方向,就可以接收到尽可能多的信号。

波束的传统应用是雷达(左)和卫星通讯(右)

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)

天线阵列原理很简单。我们以接收天线阵列为例。对于沿我们想要方向传播的电磁波,波前到达天线阵列中每个天线的时间均有所不同。对于每一个天线,我们都加入一个特定的延迟用来补偿波前到达天线时间的区别,因此在经过该延迟后,我们就把每个天线收到的信号在时间上对齐了,从而不同天线接收到的有用信号在经过加和后会幅度变得很大。另一方面,当沿其它方向传播的干扰信号到达天线阵列时,每个天线对应的延迟与信号到达天线的时间差并不符合,因此在加和后幅度并不会变大。这样,天线阵列就可以通过多个普通天线配合特定的延迟来等效实现具有方向性的天线。

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。

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