波束賦形，作為5G的核心技術(shù)之一，總是伴隨著 AAU，大規(guī)模 MIMO 等概念出現(xiàn)，這一切看似如此地天經(jīng)地義。

然而，這簡(jiǎn)單的四個(gè)字背后卻隱藏著諸多玄機(jī)，默默驅(qū)動(dòng)著 5G 車輪的飛速運(yùn)轉(zhuǎn)。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(huì)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(shí)現(xiàn)波束賦形？

1、什么是波束賦形？

“波束賦形”這個(gè)概念可以拆分成“波束”和“賦形”這兩個(gè)詞來理解。“波束”里的波字可以認(rèn)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(jiǎn)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(shí)，我們常見的光也是一種電磁波，燈泡作為一個(gè)點(diǎn)光源，發(fā)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(gè)方向發(fā)射，能量更為聚焦，從而照地更遠(yuǎn)。

無線基站也是同理，如下圖所示，如果天線的信號(hào)全向發(fā)射的話，這幾個(gè)手機(jī)只能收到有限的信號(hào)，大部分能量都浪費(fèi)掉了。

而如果能通過波束賦形把信號(hào)聚焦成幾個(gè)波束，專門指向各個(gè)手機(jī)發(fā)射的話，承載信號(hào)的電磁能量就能傳播地更遠(yuǎn)，而且手機(jī)收到的信號(hào)也就會(huì)更強(qiáng)。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(xué)原理，其實(shí)就是波的干涉現(xiàn)象。百度百科上定義如下：頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動(dòng)加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動(dòng)減弱，而且振動(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域和振動(dòng)減弱的區(qū)域相互隔開。想象一下，在湖邊漫步時(shí)，你和女朋友在相距很近的兩點(diǎn)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(qiáng)，有的地方則減弱，并且增強(qiáng)和減弱的地方間隔分布，在最中間的狹窄區(qū)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(zhǎng)干涉。反之，如果波峰和波谷相遇，兩者則相互抵消，震動(dòng)歸于靜寂。這種情況叫做相消干涉。如果把這個(gè)現(xiàn)象抽象一下，可以得到下圖：

在兩個(gè)饋源正中間的地方由于相長(zhǎng)干涉，能量最強(qiáng)，可以認(rèn)為形成了一個(gè)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(zhǎng)干涉，但弱于最中間，因此稱作旁瓣。如果我們能繼續(xù)增強(qiáng)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(shí)，普通天線一直在做這樣的事情。天線內(nèi)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(gè)垂直截面而已，其實(shí)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(gè)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(nèi)振源的排布方式為縱向，橫向的數(shù)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(gè)薄薄的大餅。這種傳統(tǒng)的天線水平方向的輻射角度多為 60 度，進(jìn)行大面積的地面信號(hào)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(gè)很粗的主瓣，周邊是一圈的旁瓣，這就有點(diǎn)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(gè)維度也都要兼顧，原本的天線就變成了大規(guī)模天線陣列。

這下，生成的波束就犀利多了，用大規(guī)模天線陣列來支持波束賦形，穩(wěn)了！

但是這樣還有問題，那就是這個(gè)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(jī)是一直隨著用戶移動(dòng)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(jī)上也是白搭。那么，能不能讓波束偏移一定的角度，對(duì)準(zhǔn)手機(jī)來發(fā)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(shí)間是對(duì)齊的，則它們到達(dá)手機(jī)時(shí)，就可以相長(zhǎng)干涉，信號(hào)通過疊加得以增強(qiáng)。

如果手機(jī)和天線陣列有一定的夾角，則各列波到達(dá)手機(jī)時(shí)，相位難以對(duì)齊，可能是波峰和波谷相遇，也可能是在其他相位進(jìn)行疊加，難以達(dá)到相長(zhǎng)干涉，信號(hào)疊加的效果。

這可咋辦？總不能通過旋轉(zhuǎn)天線來讓波束跟隨手機(jī)吧？

其實(shí)，周期性是波最大的特點(diǎn)，不同的相位總是周期性的出現(xiàn)，錯(cuò)過了這個(gè)波峰，還有下一個(gè)波峰要來，因此相位是可以調(diào)整的。通過調(diào)整不同天線單元發(fā)射信號(hào)的振幅和相位（權(quán)值），即使它們的傳播路徑各不相同，只要在到達(dá)手機(jī)的時(shí)候相位相同，就可以達(dá)到信號(hào)疊加增強(qiáng)的結(jié)果，相當(dāng)于天線陣列把信號(hào)對(duì)準(zhǔn)了手機(jī)。

下圖是一個(gè)示例，可以看出天線陣列通過調(diào)整發(fā)射信號(hào)的相位，讓波束偏移了θ度，從而可以精確對(duì)準(zhǔn)手機(jī)發(fā)射信號(hào)。

3、5G 怎樣實(shí)現(xiàn)波束賦形？

由此可見，波束賦形的關(guān)鍵在于天線單元相位的管控，也就是天線權(quán)值的處理。根據(jù)波束賦形處理位置和方式的不同，可分為數(shù)字波束賦形，模擬波束賦形，以及混合波束賦形這三種。所謂模擬波束賦形，就是通過處理射頻信號(hào)權(quán)值，通過移相器來完成天線相位的調(diào)整，處理的位置相對(duì)靠后。

模擬波束賦形的特點(diǎn)是基帶處理的通道數(shù)量遠(yuǎn)小于天線單元的數(shù)量，因此容量上受到限制，并且天線的賦形完全是靠硬件搭建的，還會(huì)受到器件精度的影響，使性能受到一定的制約。

數(shù)字波束賦形則在基帶模塊的時(shí)候就進(jìn)行了天線權(quán)值的處理，基帶處理的通道數(shù)和天線單元的數(shù)量相等，因此需要為每路數(shù)據(jù)配置一套射頻鏈路。

數(shù)字波束賦形的優(yōu)點(diǎn)是賦形精度高，實(shí)現(xiàn)靈活，天線權(quán)值變換響應(yīng)及時(shí)；缺點(diǎn)是基帶處理能力要求高，系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備體積大，成本較高。Sub6G 頻段，作為當(dāng)前 5G 容量的主力軍，載波帶寬可達(dá) 100MHz，一般采用采用數(shù)字波束賦形，通過 64 通道發(fā)射來實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)時(shí)頻資源的多用戶復(fù)用，下行最大可同時(shí)發(fā)射 24 路獨(dú)立信號(hào)，上行獨(dú)立接收 12 路數(shù)據(jù)，扛起了 5G 超高速率的大旗。

在毫米波mmWave 頻段，由于頻譜資源非常充沛，一個(gè) 5G 載波的帶寬可達(dá) 400MHz，如果單個(gè) AAU 支持兩個(gè)載波的話，帶寬就達(dá)到了驚人的 800MHz！如果還要像 Sub6G 頻段的設(shè)備一樣支持?jǐn)?shù)字波束賦形的話，對(duì)基帶處理能力要求太高，并且射頻部分功放的數(shù)量也要數(shù)倍增加，實(shí)現(xiàn)成本過高，功耗更是大得嚇人。因此，業(yè)界將數(shù)字波束賦形和模擬波束賦形結(jié)合起來，使在模擬端可調(diào)幅調(diào)相的波束賦形，結(jié)合基帶的數(shù)字波束賦形，稱之為混合波束賦形?；旌喜ㄊx形數(shù)字和模擬融合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，基帶處理的通道數(shù)目明顯小于模擬天線單元的數(shù)量，復(fù)雜度大幅下降，成本降低，系統(tǒng)性能接近全數(shù)字波束賦形，非常適用于高頻系統(tǒng)。

這樣一來，毫米波頻段的設(shè)備基帶處理的通道數(shù)較少，一般為 4T4R，但天線單元眾多，可達(dá) 512 個(gè)，其容量的主要來源是超大帶寬和波束賦形。在波束賦形和 Massive MIMO 的加成之下，5G 在 Sub6G 頻譜下單載波最多可達(dá) 7Gbps 的小區(qū)峰值速率，在毫米波頻譜下單載波也最多達(dá)到了約 4.8Gbps 的小區(qū)峰值速率。5G，也因此擁有了靈魂。