5G通信技術解讀：波束成形如何為5G添翼？

大家一定有過這樣的經驗，在一間房間里當人不多時，手機信號很好;當許多人聚集到房間里的時候，手機信號就會變差，甚至沒辦法打電話。這種現象歸根到底就是頻譜復用做得不夠好，無法給所有人分配必需的頻譜資源。

1) 講話的人按照順序輪流進行發言(時分復用)。

2) 講話的人可以同時發言，但每個人說話的音調不同(頻分復用)。

3) 講話的人採用不同的語言進行交流，只有懂同一種語言的人才能夠相互理解(碼分復用)。

當然，這三種方法相互結合，比如不同的人可以按照順序用不同的語言交流(即中國移動3G的TD-SCDMA)。然而，這三種經典的復用方式都無法充分利用頻譜資源，它們要麼無法多用戶同時間通訊(TDMA)，要麼無法使用全部頻譜資源(FDMA)，要麼需要多比特碼元才能傳遞1比特數據(CDMA)。

那麼，有沒有一種方法可以克服以上多路方式的缺點，讓多個用戶同時使用全部頻譜通訊呢?讓我們先來思考一下，如果在一個房間里大家同時用同一種音調同一種語言說話會發生什麼?

很顯然，在這種情況下會發生互相干擾。這是因為信號會向著四面八方傳播，所以一個人會聽到多個人說話的聲音從而無法有效通訊。但是，如果我們讓每個說話的人都用傳聲筒，讓聲音只在特定方向傳播，這樣便不會互相干擾了。

在無線通訊中，也可以設法使電磁波按特定方向傳播，從而在不同空間方向的用戶可以同時使用全部頻譜資源不間斷地進行通訊，也即空分復用(space-division multiple access，SDMA)。SDMA還有另一重好處，即可以減少信號能量的浪費：當無線信號在空間中向全方向輻射時，只有一小部分信號能量被接收機收到成為有用信號。大部分信號並沒有被相應的接收機收到，而是輻射到了其它的接收機成為了干擾信號。

當使用SDMA時，信號能量集中在特定的方向，一方面減少了對其它接收機的干擾;一方面也減小了信號能量的浪費。

在5G通訊中，SDMA是大規模MIMO(massive Multiple-Input Multiple-Output，指在發射端和接收端分別使用大規模發射天線和接收天線陣列，使信號通過發射端與接收端的大規模天線陣列傳送和接收，從而改善通信質量)技術應用的一個重要例子，而將無線信號(電磁波)只按特定方向傳播的技術叫做波束成形(beamforming)。

有了波束成形，眾多小夥伴就可以同時在同一個地方歡樂地刷手機上網而不用擔心信號干擾的問題。

什麼是波束?

「波束」這個詞看上去有些陌生，但是「光束」大家一定都很熟悉。當一束光的方向都相同時，就成了光束，類似手電筒發出的光。反之，如果光向四面八方輻射(如電燈泡發出的光)，則不能形成光束。和光束一樣，當所有波的傳播方向都一致時，即形成了波束。

生活中的光束，光束也是波束的一種

工程師利用波束已經有相當久的歷史。在二戰中，工程師已經將波束利用在雷達中，雷達通過掃描波束方向來探測整個空間中所有目標的位置。

另一個例子是衛星通訊，也即我們生活中常見用於衛星電視的「鍋蓋天線」。衛星和地面接收天線的距離非常遠，信號衰減非常大，於是衛星信號到達地面時能量已經非常小。因此，我們需要想方設法收取衛星發出的每一點信號能量。當衛星的信號向空間全方向輻射時，絕大多數能量並沒有被地面天線接收到，而是被浪費了。為了避免這種浪費，我們在接收和發射衛星信號時，都會使用波束。這樣，發射的電磁波信號都集中在一個方向上，只要接收天線能對準這個方向，就可以接收到儘可能多的信號。

波束的傳統應用是雷達(左)和衛星通訊(右)

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，並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(想像一下iPhone上安了一個鍋蓋天線會是什麼樣子)。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。

※從變形金剛到鋼鐵俠！解讀《GTA5》MOD
※華為麒麟970解讀：性能全面提升 引入AI技術
※「ACL 2017最佳論文解讀」NLP數據成熱點，哈佛教授獲終身成就獎
※短片：《PANACEE 萬靈之葯》解讀
※王者榮耀：QG呂布操刀1號位！解讀QG為何稱霸KPL！
※23篇論文入選CVPR2017，商湯科技精選論文解讀
※SACC 2017：沈劍從58速運解讀架構師之路
※相當於GTX1070！解讀XONE天蠍座的機能
※解讀：蘇聯解體，425萬蘇聯軍隊將如何分配？
※「機器學習爆款App技術解讀」如何用「攝像頭秒解數獨」
※HAS2017：華為輪值CEO徐直軍解讀華為戰略
※接近GTX1070！解讀XONE升級版的機能
※Intel XL710QDA2 40G網卡性能解讀
※從火影到鋼鐵俠！解讀《GTA5》百變MOD
※GTA+孤島危機！解讀《GTA5》高科技MOD
※萬字長文，深度解讀11篇 EMNLP 2017 被錄用論文
※「獨家」百度朱凱華：智能搜索和對話式OS最新技術全面解讀（65PPT）
※Google I/O 2017六大亮點解讀：計算機視覺技術無處不在
※松下新發布nanoe X技術解讀：凈化能力提升10倍