解析5G背後的核心技術：波束成形

（雷鋒網註：該圖來源於網路）

虛擬現實、無人機、自動駕駛，在這些炫酷的熱門技術背後，都能看到5G移動通信系統的身影。今年春季，3GPP組織將5G部分空口標準化工作由研究階段轉入工作階段。這意味著，經過多年的熱切期盼，傳說中的5G這次真的要來了!

5G基站可以支持大規模天線陣列，可配置的天線數量甚至可以達到1024根。要充分發揮這些大規模天線陣列的潛力，5G的波束成形技術(Beamforming)絕對必不可少!今天我們就帶大家一起，靠近這雙助力5G通信騰飛的翅膀。

在空間傳播過程中，無線信號的質量會出現衰減。這種被稱之為「路損」(path-loss)的衰減現象會對通信系統產生巨大的影響。特別是對於毫米波段的5G通信系統，高達幾十dB的信號衰減可能會導致系統無法正常工作。在這種情況下，波束成形技術就可以大顯身手，有效對抗路損。

研究人員在很久之前就已發現：多天線通信可以提高無線信號的傳輸質量。無線信號在空間傳播如同船在水中行駛，路損就相當於水對船產生的阻力；天線以一定功率發送無線信號，如同船槳克服水阻推動船前行。

5G 系統採用beamforming技術

傳統基站的天線數目少，無線信號傳輸質量就有限。這一點與獨排或雙槳的行船方式類似，由於槳少、人少、力量小而導致行船速度緩慢。5G基站則採用了大規模天線陣列，果斷將獨排和雙槳升級到龍舟，槳多人多，力量爆棚! 波束成形技術通過調節各天線的相位使信號進行有效疊加，產生更強的信號增益來克服路損，從而為5G無線信號的傳輸質量提供了強有力的保障。如同龍首的鼓點引導龍舟眾多槳片密切配合，使得龍舟競速，船行如箭，是不是猴塞雷?!

Beamforming技術產生指向性波束

有趣的是，波束成形技術會對無線信號的能量產生聚焦，形成一個指向性波束(Beam)。通常波束越窄，信號增益越大。但副作用是，一旦波束的指向偏離用戶，用戶反而接收不到高質量的無線信號，可謂是差之毫釐，謬以千里!因此，如何將波束快速對準用戶便成為5G標準中波束管理 (Beam Management)技術的主要內容

5G的波束管理技術

結合剛剛出爐的5G標準在研究階段的成果，以及移動通信的下行過程 (Downlink，即基站到用戶的無線傳輸) ，我們來看一下波束管理的基本技術原理。

波束管理技術原理

採用波束成形技術之後，5G基站必須使用多個不同指向的波束才能完全覆蓋小區。如上圖所示，基站使用了8個波束覆蓋其服務的小區。在下行過程中，基站依次使用不同指向的波束髮射無線信號，該過程被稱作波束掃描(Beam sweeping);與此同時，用戶測量不同波束髮射出的無線信號(Beam measurement)，並向基站報告相關信息(Beam reporting);基站根據用戶報告確定對準該用戶的最佳發射波束(Beam determination)。

更為複雜的是，用戶也有天線陣列。這意味著，我們在波束對準的過程中既要考慮發射波束，也要考慮接收波束。為此，5G標準允許用戶對發射波束變換不同的接收波束，並從中選擇最佳接收波束，由此產生一對最佳發射—接收波束。上圖中用戶1和2所對應的最佳波束對分別為（t4，r3）和（t6，r2）。

此時，大家可能會覺得波束管理過程十分簡單，但事實並非如此。實際上，為保證最終得到足夠的信號增益，大規模天線陣列所產生的波束通常需要變得很窄。付出的代價是，基站需要使用大量的窄波束才能保證小區內任意方向上的用戶都能得到有效覆蓋。在此情況下，遍歷掃描全部窄波束來尋找最佳發射波束的策略顯得費時費力，與5G所期望的用戶體驗不符。為快速對準波束，5G標準採取了分級掃描的策略，即由寬到窄掃描。

波束管理的分級掃描過程

第一階段為粗掃描，基站使用少量的寬波束覆蓋整個小區，並依次掃描各寬波束對準的方向。如上圖所示，基站在此階段使用了寬波束tA和tB，且只為用戶對準寬波束，對準方向精度不高，所建立的無線通信連接質量亦比較有限。

第二階段為細掃描，基站利用多個窄波束逐一掃描已在第一階段中被寬波束覆蓋的方向。對單個用戶而言，儘管此時的掃描波束變窄，但所需掃描的範圍卻已縮小，掃描次數便相應減少。如上圖所示，在第一階段寬波束對準的基礎上，基站只需繼續細化掃描與各用戶有關的4個窄波束，比如為用戶1掃描波束t1-t4, 為用戶2掃描波束t5-t8。此時，基站改善了對準每個用戶的波束方向的精度，所建立的無線通信連接質量得到提高。因此，在圖示的兩級波束管理過程中，基站只需為每位用戶掃描6次，而無需對全部8個窄波束都進行掃描。

束估計演算法輔助的波束管理過程

此外，波束管理過程可以通過波束估計演算法得到進一步優化。以上圖為例，基站使用4個適中寬度的波束掃描整個小區。如果用戶1正好處于波束t2與t3之間，根據傳統方法，基站為了提高波束對準精度需要進一步細化掃描用戶1的方向。為此，英特爾中國研究院開發了有效的波束估計演算法：基站可以結合用戶報告信息進一步估計用戶的最佳波束方向，提高現有波束掃描結果的精度並修正波束方向，從而減少或避免進一步細化掃描。藉助波束估計演算法，基站可能只需要掃描4次適中寬度的波束就可以實現之前兩級掃描6次不同寬度波束所達到的效果，從而實現快速波束管理。

最後，考慮到用戶可能處於移動狀態，為了更好地跟蹤用戶 (Beam tracking)，分級掃描可以根據每個用戶的需要隨時展開，不斷切換最佳波束，最佳波束會隨著用戶的位置而發生變化，為用戶提供無縫覆蓋，保證通信不中斷、不掉線。

波束管理大大提升了波束對準的精度，讓無線通信連接的質量有了保證，5G的通信速度可以開始盡情騰飛！