什么是波束赋形?顾名思义,就是对波束的形状进行构造。这里的波束指的就是天线的辐射方向性图。简而言之,BeamForming 是一种构造天线辐射方向图的技术。

 

No.1 为什么我们需要波束成形?

很简单。让我们看下面的两个插图。有两个天线系统,让我们假设两个天线发射的总能量完全相同。

 

在情况 1 中,天线系统在所有方向上辐射的能量几乎相同。天线周围的三个 UE 将接收几乎相同数量的能量,但是浪费了大部分未定向到那些 UE 的能量。

 

在情况 2 中,辐射方向图(“光束”)的信号强度被特别地“形成”,使得指向 UE 的辐射能量比不指向 UE 的其他部分更猛烈。

 

 

波束赋形也可以看作是一个空间的高级过滤器,把天线辐射的能量集中起来。这一特殊功能形成特定的波束并通过波束进行数据传输。光束的形状和方向取决于使用哪种功能。这种特殊功能通常称为波束赋形或空间滤镜。应用相同的映射功能或空间滤镜意味着它会形成相同的光束(即,相同的方向,相同的形状,相同的光束功率)。如下图所示:

 

 

现在的问题是如何实现这些映射功能(或波束形算法)。该页面的其余部分全部与该映射功能的一般逻辑有关。简而言之,映射功能的主要组成部分是
   
 

阵列中的天线元件数
阵列中天线元件的结构

应用于每个数据(信号)路径的相位和幅度=>这可以在基带的软件中完成,或者在 RF 或毫米波频率下在硬件(电路)中完成

 

No.2 如何“形成”光束?

形成波束的最简单方法是将多个天线排列成阵列。对齐这些天线天线元件的方法有很多,但是最简单的方法之一就是沿一条线对齐天线,如以下示例所示。您应该在这里看到的直观想法是,在阵列中放置更多天线元件时,您将获得更清晰的波束。


注意:此示例图是由 Matlab PhaseArrayAntenna 工具箱创建的

 

 

将元素排列在数组中的另一种方法是将元素排列在二维正方形中,如以下示例所示。您应该在这里看到的直观想法是,在阵列中放置更多天线元件时,您将获得更清晰的波束。

 

 

 

现在让我们考虑另一种二维数组,其中数组的形状不是正方形,如下所示。您可以得到的直觉是,光束沿更多元素的轴压缩得更多。

 


No.3 波束成形技术

有几种不同的方法可以实现波束成形。

 

开关阵列天线:这是一种通过从天线系统的阵列中选择性地打开 / 关闭天线来改变波束方向图(辐射形式)的技术。

 

基于 DSP 的相位处理:这是一种通过改变通过每个天线的信号的相位来改变波束方向图(辐射形式)的技术。使用 DSP,您可以不同地更改每个天线端口的信号相位,以形成最适合一个或多个特定 UE 的特定波束方向图。

 

通过预编码进行波束成形:这是一种通过应用特定的预编码矩阵来更改波束方向图(辐射形式)的技术。这是 LTE 中使用的技术。在 LTE 中,以下传输模式隐式或显式地实现“ BeamForming”。


TM 6- 使用单个传输层的闭环空间复用。
   

TM 7- 波束成形(天线端口 5)
   

TM 8- 双层波束成形(天线端口 7 和 8)

 

基本概念:阵列天线

由于 BeamForming 主要基于阵列天线,因此让我们看一下阵列天线的基本原理。假设我们有一个天线阵列,其中每个天线都以一定距离(d)彼此分开放置。然后,假设阵列中的每个天线都接收到从单个光源发射的多束光束。如果来自单个源的所有射线都直接进入天线(下图中的 theta 为 0),则从源到每个接收天线的每个射线的距离都不会有差异。因此,如果将每个天线接收到的能量相加,则其与每个波的相加和相加。但是,如果射线的方向与天线阵列的轴不成直角(即 theta 不为 0),则每条射线的传播距离(p1,p2,..,p8)会有所不同,并且可以表示为 d sin(theta),如下图所示。

 

 

现在,让我们用数学表达式描述我上面解释的内容。如果将在第一天线(最左边的天线)处接收到的信号作为参考天线,则在每个天线处接收到的信号可以表示如下。(这就是许多人因为数学而放弃进一步阅读 / 学习的地步。但是在大多数工程和科学中,在许多情况下,如果没有一定程度的数学就无法完全理解。所以,不要放弃只是因为数学问题 ... 并试图理解每个数学术语的含义当我在解释这种阵列天线时,我首先谈到了行进路径的差异以及天线阵列轴和射向天线的射线之间的角度在数学表达式中,您仍然看到角度项“ theta”,但看不到任何看起来像“行进路径”的直接项。实际上,我们不知道每个光束的确切行进差,因为我们不知道 t 知道波束源的确切位置,我们唯一知道的是击中每个天线的每个波束之间的传播路径差,该传播路径差可以表示为 e ^(-j * n * d * theta),其中 n 是从 leftmos 编号为 0 的天线的索引 t 天线。请记住,密切关注每个数学表达式,这对您来说很有意义。

 

 

可视化此求和过程的另一种方式如下:

 

 

现在,我们制定了进入每个天线的信号。现在,让我们来公式化将进入每个天线的所有信号组合在一起的信号。很简单,您只需汇总进入每个天线的所有信号,就可以如下所示。

 

 

您可以按如下方式将这个方程表示为矢量符号。(看到这种矩阵 / 矢量表达时,甚至包括我在内的很多人都被吓到了。不要害怕。我们已经从高中或新生大学的数学课程中学到了基本操作 。我们只是没有足够的机会进行足够的练习,因此,如果您对此感到不安,只需手动扩展以下方程式,您将获得如上所示的更熟悉的表达。向量 / 矩阵表示法,逐渐地,您将变得越来越熟悉,这种不安感就会消失。其他人都无法为您做这种练习)

 


阵列天线的特性 - 波束方向图

进行表征(代表天线阵列的性能)时,您可能会看到如下图的类型。在某些文档中,您会看到该图类似于左侧的图,而在其他文档中,您会看到在右侧的图。实际上,这两个代表完全相同的事物。他们只是在两个不同的坐标系中绘制同一事物。左边的是笛卡尔坐标系中(发射功率或接收功率)对角度的表示,右边的是极坐标系中相同数据的表示。

 

 

情节中的电源和能源将是您熟悉的。那么,theta(角度)代表什么?它是射线方向与天线阵列轴之间的角度。如果接收器是阵列天线,并且发射器是距离接收器天线足够远的单个发射器,则角度可以表示如下。在此插图中,我将距离(r)设置为无穷大,假设所有光线均到达 paralelle 中的接收天线。实际上,距离不可能是无限的。仅够使假设有意义。您可以通过将发射机天线放置在圆周上的其他位置(如在顶部轨道中)或旋转天线阵列(如在底部轨道中)来设置角度(θ)。在这种情况下,您可能认为上面显示的图表示阵列上所有天线接收的总功率。

 

 

当发射器天线是阵列天线而接收器天线是远离发射器的点时,适用相同的逻辑。角度是射线方向与天线阵列轴之间的角度。角度可以表示如下。在此插图中,我将距离(r)设置为无穷大,假设所有光线均到达 paralelle 中的接收天线。实际上,距离不可能是无限的。仅够使假设有意义。您可以通过将接收天线放置在圆周上的其他位置(如在顶部轨道中)或旋转天线阵列(如在底部轨道中)来设置角度(θ)。在这种情况下,您可能认为上面显示的图表示接收天线接收到的总功率。

 

 

在上图中,您已经看到了表示角度的四种不同情况。即使天线阵列(接收器或发射器)的功能不同,并且形成角度的方式(通过旋转天线阵列移动接收器 / 发射器天线),图的总体形状也相同(至少在理论上是这样) 。唯一的不同是能源 / 功率的规模,具体取决于它代表的是接收器功率还是发射器功率。因此,如果我们忽略激励 / 功率轴的比例,则可以如下图所示解释功率(功率 / 能量与θ)的关系图。

 

如您在此处看到的,当角度(θ)为 0 时,能量 / 功率最大。要在角度为零时获得最大能量,阵列中一个天线与相邻天线之间的距离应为一半 波长。

 


No.5  5G / NR(Massive MIMO)中的波束成形

在 NR 规范中,您可能会注意到,就物理层处理而言,最显着的差异之一就是下行链路过程中没有预编码阶段(请参阅 PDSCH 传输和物理层处理页面)。但是,您仍然可以在上行链路过程中看到预编码过程(请参阅 PUSCH 传输和物理层处理页面)。

 

我认为在下行链路过程中排除预编码的主要原因是,可以肯定的是,我们需要使用 Massive MIMO,尤其是在毫米波频谱中。但是 NR MassiveMIMO / BeamForming 中有一些基本问题需要解答。3GPP 是否会详细说明如何实现 MassiveMIMO / Beamforming?还是将一切留给 gNB 制造商?他们是否还将在低于 6 GHz 的范围内应用 Massive MIMO / Beamforming?如果他们决定不使用它,如何处理由于缺少预编码步骤而导致的可能问题?这些是我目前脑海中的一些问题。

 

您可能会注意到,我使用的术语 MassiveMIMO 和 BeamForming 几乎具有相同的含义,但从技术上讲 MassiveMIMO 不一定与 BeamForming 相同。如上所述,术语“波束形成”是相当清晰的概念,但是术语 MIMO(多输入多输出)正变得越来越模糊。如果人们看到任何使用多个 Tx 天线和多个 Rx 天线的系统,似乎往往会自动将系统称为 MIMO。直到 LTE(至少在 TM3,TM4 中),这种简单的解释才不会成为大问题,但在 5G 中,“多个 Tx / Rx 天线= MIMO”规则可能并不总是正确的。

 

当我们说“ MIMO”时,通常是指同时传输多个数据流以提高数据吞吐量。更准确地说,这应称为“空间多路复用”。为此,我们使用多个 Tx 天线和多个 Rx 天线。但是,当我们在 5G 中说“大规模 MIMO”时,它并不一定意味着提高吞吐量的方式,所谓“大规模 MIMO”的主要目的是实现波束成形(我个人认为“大规模 MIMO”是有点误导性的术语)。我建议您参考 Massive MIMO 的以下说明
关于 NR / 5G Beamforming / MassiveMIMO 的实现,我还没有看到任何明确的规范。对于实施方法,它仍将向每个网络设备供应商开放,但是在各种技术讨论中建议了以下大致几种不同的方法。每个人都有自己的优点和缺点,但实际上混合模式可能是主要的实现方式。