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5G怎樣實現(xiàn)波束賦形?

2020-06-02 08:53 無線深海

導讀: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。

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,這簡單的四個字背后卻隱藏著諸多玄機,默默驅(qū)動著 5G 車輪的飛速運轉(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??赐瓯疚?,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(xiàn)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(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方向發(fā)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(fā)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(fā)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(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)域的振動加強,某些區(qū)域的振動減弱,而且振動加強的區(qū)域和振動減弱的區(qū)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(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(xiàn)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(xù)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(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(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(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(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(zhuǎn)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(xiàn),錯過了這個波峰,還有下一個波峰要來,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,只要在到達手機的時候相位相同,就可以達到信號疊加增強的結(jié)果,相當于天線陣列把信號對準了手機。

下圖是一個示例,可以看出天線陣列通過調(diào)整發(fā)射信號的相位,讓波束偏移了θ度,從而可以精確對準手機發(fā)射信號。

3、5G 怎樣實現(xiàn)波束賦形?

由此可見,波束賦形的關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,處理的位置相對靠后。

模擬波束賦形的特點是基帶處理的通道數(shù)量遠小于天線單元的數(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候就進行了天線權(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)點是賦形精度高,實現(xiàn)靈活,天線權(quán)值變換響應及時;缺點是基帶處理能力要求高,系統(tǒng)復雜,設備體積大,成本較高。Sub6G 頻段,作為當前 5G 容量的主力軍,載波帶寬可達 100MHz,一般采用采用數(shù)字波束賦形,通過 64 通道發(fā)射來實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)時頻資源的多用戶復用,下行最大可同時發(fā)射 24 路獨立信號,上行獨立接收 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 5G 載波的帶寬可達 400MHz,如果單個 AAU 支持兩個載波的話,帶寬就達到了驚人的 800MHz!如果還要像 Sub6G 頻段的設備一樣支持數(shù)字波束賦形的話,對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。混合波束賦形數(shù)字和模擬融合了兩者的優(yōu)點,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 512 個,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 7Gbps 的小區(qū)峰值速率,在毫米波頻譜下單載波也最多達到了約 4.8Gbps 的小區(qū)峰值速率。5G,也因此擁有了靈魂。