5G中波束是怎么賦形的

5G中波束是怎么賦形的？\o"5G"#5G\o"Beamforming"#Beamforming\o"MassMIMO"#MassMIMO與4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)的性能發(fā)生了的階躍式變化，峰值數(shù)據(jù)速率高達(dá)20GB/s的20倍，每平方公里設(shè)備連接密度是4G的100倍。這種由5G(NR)提供的性能是使用了多種先進(jìn)技術(shù)，其中包括毫米波(30至300GHz)、頻率傳輸、高級(jí)信號(hào)編碼技術(shù)(OFDM)、多址邊緣計(jì)算(MEC)和網(wǎng)絡(luò)切片。尤其是MassMIMO和波束賦形這兩種技術(shù)是5G吞吐量和容量增強(qiáng)的基礎(chǔ)。

圖1：大規(guī)模MIMO和波束賦形(來(lái)源:愛立信）波束賦形和Mass

MIMO波束賦形和MUMIMO協(xié)同工作以提供5G苛刻的吞吐量和連接密度(見圖1右)要求。MassiveMIMO(多輸入多輸出)使用多天線陣列和空間復(fù)用來(lái)傳輸獨(dú)立且單獨(dú)編碼的數(shù)據(jù)信號(hào)，我們稱為“流”。這些允許在相同的時(shí)間段和頻率資源上與多個(gè)用戶設(shè)備(UE)進(jìn)行同時(shí)通信。波束賦形與MIMO結(jié)合使用，可將波束更緊密地聚焦到單個(gè)UE,從而實(shí)現(xiàn)更高的連接密度并最大限度地減少單個(gè)波束之間的干擾。波束賦形波束賦形與相控陣天線系統(tǒng)一起使用將無(wú)線信號(hào)聚焦在選定的方向上，通常朝向特定的接收設(shè)備。這導(dǎo)致用戶設(shè)備(UE)處的信號(hào)得到改善，并且各個(gè)UE的信號(hào)之間的干擾也更少。相控天線陣列的設(shè)計(jì)使得來(lái)自每個(gè)單獨(dú)元件的輻射方向圖建設(shè)性地結(jié)合在一起，與來(lái)自相鄰元件的輻射方向圖形成有效的輻射方向圖——主瓣——在所需方向上傳輸能量。同時(shí)天線陣列的設(shè)計(jì)使得在不希望的方向上發(fā)送的信號(hào)相互破壞性地干擾，形成零點(diǎn)和旁瓣。整個(gè)天線陣列系統(tǒng)旨在最大化主瓣中的輻射能量，同時(shí)將旁瓣中的能量限制在可接受的水平。主瓣或波束的方向是通過操縱應(yīng)用于陣列中每個(gè)單獨(dú)天線元件的無(wú)線電信號(hào)來(lái)控制的每個(gè)天線都被饋入相同的發(fā)射信號(hào)，但饋入每個(gè)元件的信號(hào)的相位和幅度會(huì)被調(diào)整，從而將波束轉(zhuǎn)向所需的方向(見圖2左)。由于每個(gè)信號(hào)的相位和幅度都是電子控制的,可以實(shí)現(xiàn)光束的快速轉(zhuǎn)向，從而可在納秒內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

圖2:相控陣天線系統(tǒng)支持波束成形和轉(zhuǎn)向(來(lái)源:ADI）模擬、數(shù)字和混合波束賦形模擬波束賦形(見下圖3)是最簡(jiǎn)單的賦形方法,信號(hào)相位在模擬域中發(fā)生變化。來(lái)自單個(gè)RF收發(fā)器的輸出被分成多個(gè)路徑，對(duì)應(yīng)于陣列中天線元件的數(shù)量。然后每個(gè)信號(hào)路徑通過移相器并在到達(dá)天線元件之前被放大。

圖3:模擬波束賦形(來(lái)源:康普）這是實(shí)現(xiàn)波束賦形的最具成本效益的方式，因?yàn)樗褂米钌俚挠布?，但是模擬波束賦形系統(tǒng)只能處理一個(gè)數(shù)據(jù)流并生成一個(gè)信號(hào)波束，從而限制了它在需要多個(gè)波束的5G中的有效性。在數(shù)字波束賦形中，每個(gè)天線元件由其自己的收發(fā)器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器饋電(下圖4),并且每個(gè)信號(hào)在射頻傳輸之前在基帶處理中進(jìn)行預(yù)編碼(具有幅度和相位修改)。圖4:數(shù)字波束成形(來(lái)源:康普）數(shù)字波束賦形能夠生成多組信號(hào)并將其疊加到天線陣列元件上，從而使單個(gè)天線陣列能夠服務(wù)于多個(gè)波束，從而服務(wù)于多個(gè)用戶。盡管這種靈活性非常適合5G網(wǎng)絡(luò)，但數(shù)字波束成形需要更多的硬件和信號(hào)處理，從而導(dǎo)致功耗增加，尤其是在可能有數(shù)百個(gè)天線元件的毫米波頻率。混合波束賦形(見圖5)——其中模擬波束賦形在RF階段執(zhí)行，數(shù)字波束賦形在基帶中執(zhí)行——在數(shù)字波束賦形的靈活性與模擬的低成本和功耗之間提供了一種折衷。圖5:混合波束賦形(來(lái)源:康普）混合波束賦形被認(rèn)為是用于大規(guī)模毫米波天線陣列的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，并且正在為gNB(5G基站)實(shí)施開發(fā)各種架構(gòu)。這些架構(gòu)大致分為全連接，其中每個(gè)射頻鏈都連接到所有天線；以及子連接或部分連接，其中每個(gè)RF鏈連接到一組天線元件。每種架構(gòu)都旨在降低硬件和信號(hào)處理的復(fù)雜性，同時(shí)提供接近最佳的性能：最接近純數(shù)字波束賦形的性能。在所有架構(gòu)中g(shù)NB和UE之間的通信使用稱為波束掃描的技術(shù)以及同步信號(hào)(SS)和通過信道狀態(tài)信息參考信號(hào)(CSI-RS)獲得的信道狀態(tài)信息(CSI)進(jìn)行協(xié)調(diào)-一種從gNB發(fā)送到UE的導(dǎo)頻信號(hào)。

圖6:5G網(wǎng)絡(luò)正在轉(zhuǎn)向集中式RAN結(jié)構(gòu)(來(lái)源:ISEMag）在波束掃描中g(shù)NB在不同的空間方向上以規(guī)則的間隔發(fā)送突發(fā)。UE監(jiān)聽這些突發(fā)并使用CSI確定與每個(gè)突發(fā)相關(guān)的信道質(zhì)量。UE使用此質(zhì)量信息從其角度選擇最佳波束，并且UE將這一選擇通知gNB。UE和gNB交換其他信息——例如模擬或數(shù)字波束賦形能力、波束賦形類型、時(shí)序信息——和配置信息——增加了信道的開銷?；旌喜ㄊx形及其對(duì)數(shù)字和模擬波束賦形的劃分與正在進(jìn)行的分解和虛擬化RAN的發(fā)展非常吻合。集中式RAN(C-RAN)將基站分成低功率和低復(fù)雜度的遠(yuǎn)程無(wú)線電頭端(RRH)，由位于中心局(CO)的中央單元(CU)協(xié)調(diào)(圖6)?？缍鄠€(gè)RRH共享基帶資源使C-RAN架構(gòu)具有成本效益和能源效率，使其成為網(wǎng)絡(luò)的有吸引力的選擇。波束賦形益處波束賦形有效利用電磁干擾科學(xué)來(lái)提高5G連接的精度，與MIMO協(xié)同工作以提高5G網(wǎng)絡(luò)小區(qū)的吞吐量和連接密度。由此產(chǎn)生的高度定向傳輸對(duì)毫米波傳輸特別有益，毫米波傳輸會(huì)嚴(yán)重受到路徑損耗的影響，并且不能很好地通過墻壁等障礙物傳播。通過波束成形實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)的信噪比(SNR)增加了室外信號(hào)范圍，更重要的是，室內(nèi)信號(hào)覆蓋范圍。波束成形消除或“零”干擾的能力在擁擠的城市環(huán)境中也是一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，在高密度UE的環(huán)境中，多個(gè)信號(hào)波束可能會(huì)相互干擾。通過減少內(nèi)部和外部干擾并降低SNR，波束賦形支持更高階的信號(hào)調(diào)制方案，例如64QAM和16QAM——所有這些都有助于大幅提高網(wǎng)絡(luò)小區(qū)容量。

未來(lái)挑戰(zhàn)與5G網(wǎng)絡(luò)的許多其他領(lǐng)域一樣，天線系統(tǒng)的開發(fā)人員必須滿足不斷縮小的組件和降低功耗的雙重需求。提高頻譜效率和吞吐量的壓力導(dǎo)致了越來(lái)越大的天線陣列的規(guī)范，具有64x64MIMO，并且更大的天線陣列已經(jīng)出現(xiàn)。波束成形的有效性在很大程度上取決于天線陣列的精度，當(dāng)元件之間的間距接近信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，不需要的旁瓣強(qiáng)度會(huì)增加。在60GHz時(shí)，此波長(zhǎng)為5毫米，可以大致了解所需的制造公差?？s小波長(zhǎng)也意味著縮小組件，例如射頻收發(fā)器，它們必須將射頻功率放大器與ADC等功能集成在一起。同時(shí)設(shè)計(jì)人員必須找到提高所有5G網(wǎng)絡(luò)組件電源效率的方法。傳統(tǒng)上，用于毫米波的射頻功率放大器一直由GaAs等III-V半導(dǎo)體材料保留。但是這些設(shè)備的功率效率不夠高，并且不能很好地與其他功能集成。因此歡迎40nMCMOS的進(jìn)步，使這些關(guān)鍵組件的尺寸和功耗進(jìn)一步縮小。隨著各個(gè)gNB生成更多波束，信號(hào)處理要求變得更加復(fù)雜。對(duì)波束同步等領(lǐng)域的研究和開發(fā)正在進(jìn)行中，并部署了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——需要先進(jìn)的處理硬件、進(jìn)一步擴(kuò)展功率預(yù)算并增加空間限制。

5G承諾依賴于毫米波技術(shù)的成功推出。MIMO和波束成形都是關(guān)鍵組件，可實(shí)現(xiàn)新興應(yīng)用所需的容量和吞吐