解析5G背后的核心技术：波束成形

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(雷锋。(公开号码:雷锋。注:图片来自网络)

虚拟现实、无人驾驶飞行器、自动驾驶，在这些酷而流行的技术背后，都可以看到5g移动通信系统的身影。今年春天，3gpp组织将5g部分空港的标准化工作从研究阶段转移到工作阶段。这意味着，经过多年的热切期待，传奇的5g这次真的来了！

5g基站可以支持大规模天线阵列，可配置天线的数量甚至可以达到1024个。为了充分发挥这些大规模天线阵列的潜力，5g波束形成技术是绝对必要的！今天，我们将把所有人聚集在一起，让5g通信腾飞的翅膀靠近我们。

波束形成技术原理

在空之间的传播期间，无线信号的质量将被衰减。这种被称为“路径损耗”的衰减现象将对通信系统产生巨大影响。特别是对于毫米波频段的5g通信系统，信号衰减高达几十db，可能导致系统无法正常工作。在这种情况下，波束形成技术可以发挥其才能，有效地对抗路损。

研究人员很久以前就发现多天线通信可以提高无线信号的传输质量。当无线信号在空之间传播时，它就像一艘在水中行驶的船，而道路损失相当于水对船造成的阻力。天线以一定的功率发送无线信号，就像船桨克服水的阻力，推动船只前进一样。

5g系统采用波束形成技术

传统基站的天线数量很少，因此无线信号传输的质量有限。这类似于单排或双桨，因为桨少，人少，力气小，导致航行速度慢。5g基站采用大规模天线阵列，果断将单排双桨升级为龙舟。船桨很多，力气都快爆了！波束形成技术通过调整每个天线的相位产生更强的信号增益来克服路径损耗，从而有效叠加信号，为5g无线信号的传输质量提供了有力保证。正如龙头的鼓声引导着龙舟的许多桨紧密配合，这使得龙舟比赛和航行像一支箭。这是猴子的雷声吗？！

波束形成技术产生定向波束

有趣的是，波束形成技术可以将无线信号的能量集中起来形成定向波束。通常，波束越窄，信号增益越大。但是副作用是一旦波束的方向偏离用户，用户就不能接收高质量的无线信号，这可以描述为一千英里！因此，如何快速将波束对准用户成为5g标准中波束管理技术的主要内容

5g的波束管理技术结合了新发布的5g标准的研究成果和移动通信的下行流程。让我们看看光束管理的基本技术原理。

波束管理技术原理

采用波束形成技术后，5g基站必须使用多个不同方向的波束来完全覆盖小区。如上图所示，基站使用八个波束覆盖它所服务的小区。在下行链路过程中，基站使用不同方向的波束依次传输无线信号，这称为波束扫描。同时，用户测量由不同波束发射的无线信号，并将相关信息报告给基站。根据用户报告，基站为用户确定最佳波束确定。

更复杂的是，用户也有天线阵列。这意味着我们应该在波束对准过程中同时考虑发射波束和接收波束。为此，5g标准允许用户将不同的接收波束转换成发射波束，并选择最佳接收波束，从而产生一对最佳发射-接收波束。上图中对应于用户1和2的最佳波束对分别是(t4，r3)和(t6，r2)。

这时，人们可能会认为光束管理过程很简单，但事实并非如此。事实上，为了确保足够的信号增益，大规模天线阵列产生的波束通常需要非常窄。付出的代价是基站需要使用大量的窄波束来保证小区内任何方向的用户都能得到有效的覆盖。在这种情况下，遍历所有窄波束以找到最佳发射波束的策略既耗时又费力，这与5g所期望的用户体验不一致。为了快速对准光束，5g标准采用了分级扫描的策略，即从宽到窄扫描。

波束管理的分层扫描过程

第一阶段是粗扫描，其中基站用少量宽波束覆盖整个小区，并依次扫描每个宽波束的对准方向。如上图所示，基站在此阶段使用宽波束ta和tb，并且只为用户对准宽波束，因此对准方向精度不高，并且建立的无线通信连接质量有限。

第二阶段是精细扫描，基站使用多个窄波束逐个扫描第一阶段中宽波束覆盖的方向。对于单个用户来说，尽管此时扫描光束变窄，但是所需的扫描范围减小了，并且扫描时间也相应地减少了。如上图所示，在第一阶段宽波束对准的基础上，基站只需要继续精细扫描与每个用户相关的四个窄波束，例如用户1的扫描波束t1-t4和用户2的波束t5-t8。此时，基站提高了对准每个用户的波束方向的精度，并且提高了所建立的无线通信连接的质量。因此，在所示的两级波束管理过程中，基站只需要扫描每个用户六次，而不是扫描所有八个窄波束。

波束估计算法辅助的波束管理过程

此外，波束管理过程可以通过波束估计算法进一步优化。以上图为例，基站使用四个中等宽度的波束来扫描整个小区。如果用户1正好在波束t2和t3之间，根据传统方法，基站需要进一步细化用户1的扫描方向，以提高波束对准精度。因此，英特尔中国研究院开发了一种有效的波束估计算法:基站可以结合用户报告信息进一步估计用户的最佳波束方向，提高现有波束扫描结果的准确性，修正波束方向，从而减少或避免进一步的详细扫描。借助波束估计算法，基站只需扫描4次中等宽度的波束，在前两个阶段就可以达到扫描6次不同宽度的波束的效果，从而实现快速的波束管理。

最后，考虑到用户可能处于移动状态，为了更好地跟踪用户，可以根据每个用户的需要随时进行分层扫描，并且最佳波束将不断切换，这将随着用户的位置而变化，为用户提供无缝覆盖，并确保不间断的通信和不掉线。

波束管理大大提高了波束对准的精度，保证了无线通信连接的质量，5g的通信速度可以开始腾飞！

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来源：搜狐微门户