5G通信技術解讀：波束成形如何為5G添翼？

　如何實現波束成形

　　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。

　　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，并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。

　　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)。

　　然而，此類天線往往體積較大，很難安裝到移動終端上(想象一下iPhone上安了一個鍋蓋天線會是什么樣子)。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。

　　普通天線(方向性弱)和智能天線陣列(方向性強)

　　智能天線陣列原理并不復雜。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)。

　　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干擾)。

　　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，可以輕松跟蹤發射端和接收端之間相對位置的改變。

　　波束成型系統架構

　　波束成形與毫米波是天作之合

　　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。

　　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厘米，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。

　　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。

　　毫米波天線陣列體積很小，可以安裝到手機上

　　結語

　　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。