5G波束成形原理解析

虚拟现实、无人机、自动驾驶，在这些炫酷的热门技术背后，都能看到5G移动通信系统的身影。今年春季，3GPP组织将5G部分空口标准化工作由研究阶段转入工作阶段。这意味着，经过多年的热切期盼，传说中的5G这次真的要来了!

5G基站可以支持大规模天线阵列，可配置的天线数量甚至可以达到1024根。要充分发挥这些大规模天线阵列的潜力，5G的波束成形技术(Beamforming)绝对必不可少!今天我们就带大家一起，靠近这双助力5G通信腾飞的翅膀。

波束成形技术原理

在空间传播过程中，无线信号的质量会出现衰减。这种被称之为"路损"(path-loss)的衰减现象会对通信系统产生巨大的影响。特别是对于毫米波段的5G通信系统，高达几十dB的信号衰减可能会导致系统无法正常工作。在这种情况下，波束成形技术就可以大显身手，有效对抗路损。

研究人员在很久之前就已发现：多天线通信可以提高无线信号的传输质量。无线信号在空间传播如同船在水中行驶，路损就相当于水对船产生的阻力；天线以一定功率发送无线信号，如同船桨克服水阻推动船前行。

传统基站的天线数目少，无线信号传输质量就有限。这一点与独排或双桨的行船方式类似，由于桨少、人少、力量小而导致行船速度缓慢。5G基站则采用了大规模天线阵列，果断将独排和双桨升级到龙舟，桨多人多，力量爆棚! 波束成形技术通过调节各天线的相位使信号进行有效叠加，产生更强的信号增益来克服路损，从而为5G无线信号的传输质量提供了强有力的保障。如同龙首的鼓点引导龙舟众多桨片密切配合，使得龙舟竞速，船行如箭，是不是猴塞雷?!

有趣的是，波束成形技术会对无线信号的能量产生聚焦，形成一个指向性波束(Beam)。通常波束越窄，信号增益越大。但副作用是，一旦波束的指向偏离用户，用户反而接收不到高质量的无线信号，可谓是差之毫厘，谬以千里!因此，如何将波束快速对准用户便成为5G标准中波束管理(Beam Management)技术的主要内容

5G的波束管理技术

结合刚刚出炉的5G标准在研究阶段的成果，以及移动通信的下行过程(Downlink，即基站到用户的无线传输) ，我们来看一下波束管理的基本技术原理。

采用波束成形技术之后，5G基站必须使用多个不同指向的波束才能完全覆盖小区。如上图所示，基站使用了8个波束覆盖其服务的小区。在下行过程中，基站依次使用不同指向的波束发射无线信号，该过程被称作波束扫描(Beam sweeping);与此同时，用户测量不同波束发射出的无线信号(Beam measurement)，并向基站报告相关信息(Beam reporting);基站根据用户报告确定对准该用户的最佳发射波束(Beam determination)。

更为复杂的是，用户也有天线阵列。这意味着，我们在波束对准的过程中既要考虑发射波束，也要考虑接收波束。为此，5G标准允许用户对发射波束变换不同的接收波束，并从中选择最佳接收波束，由此产生一对最佳发射—接收波束。上图中用户1和2所对应的最佳波束对分别为（t4，r3）和（t6，r2）。

此时，大家可能会觉得波束管理过程十分简单，但事实并非如此。实际上，为保证最终得到足够的信号增益，大规模天线阵列所产生的波束通常需要变得很窄。付出的代价是，基站需要使用大量的窄波束才能保证小区内任意方向上的用户都能得到有效覆盖。在此情况下，遍历扫描全部窄波束来寻找最佳发射波束的策略显得费时费力，与5G所期望的用户体验不符。为快速对准波束，5G标准采取了分级扫描的策略，即由宽到窄扫描。

第一阶段为粗扫描，基站使用少量的宽波束覆盖整个小区，并依次扫描各宽波束对准的方向。如上图所示，基站在此阶段使用了宽波束tA和tB，且只为用户对准宽波束，对准方向精度不高，所建立的无线通信连接质量亦比较有限。

第二阶段为细扫描，基站利用多个窄波束逐一扫描已在第一阶段中被宽波束覆盖的方向。对单个用户而言，尽管此时的扫描波束变窄，但所需扫描的范围却已缩小，扫描次数便相应减少。如上图所示，在第一阶段宽波束对准的基础上，基站只需继续细化扫描与各用户有关的4个窄波束，比如为用户1扫描波束t1-t4, 为用户2扫描波束t5-t8。此时，基站改善了对准每个用户的波束方向的精度，所建立的无线通信连接质量得到提高。因此，在图示的两级波束管理过程中，基站只需为每位用户扫描6次，而无需对全部8个窄波束都进行扫描。

此外，波束管理过程可以通过波束估计算法得到进一步优化。以上图为例，基站使用4个适中宽度的波束扫描整个小区。如果用户1正好处于波束t2与