[4G&5G专题-28]：架构-什么是多天线技术与5G大规模天线阵列、波束赋形、高阶空分复用？

多天线的数量：常规的LTE的多天线，也就是做到了2T2R, 或4T4R，空间的复用也就提升了4层，即数据速率仅仅提升了4倍，与5G的少则64天线，多则几百个天线相比，还有很大的提升空间。当然，5G引入的天线阵列，不是为了增加MIMO的层数的，而是为了用于波束赋形，就使得发送的电磁波信号的能量更加集中。
多天线的物理空间：LTE工作在低频段，电磁波的长度在厘米段，单根天线的长度还是多长，几百个天线还是需要占据很大的空间。
多天线信号的能量：LTE的多天线MIMO发送的电磁波能量，基本上还是全向的，信号的能量在空间中浪费较大。
天线技术的限制：LTE的多天线，基本上是无源天线，无法在天线上做方向上控制。

（2）5G新的业务和技术需求

提升容量一种重要手段：5G eMBB 增强移动宽带场景，峰值速率达到了20G, 除了采用更大的带宽、更多的载波聚合等技术之外，增加相同频谱下的空分复用也是其中一个重要的手段。
提升频率利用率的重要手段：低频段频谱耗尽，如何通过技术的手段在耗尽的频谱上提升频谱效率，是5G的一种重要的技术需求。
5G工作在高频段，空间的衰减比较严重，因此需要电磁波的能量更集中，提升信噪比，使得在同等的信号功率的情况下，在单个方向传输距离更远。

（3）5G新的天线技术

5G可以工作在高频段，电磁波的长度在毫米段，单根天线阵子的尺寸以及他们之间的距离得到了极大的缩短，为大规模天线阵列提供了物理基础。
5G的天线有无源天线向有源天线的演进，可以对天线发送的电磁波进行更多的控制，为模拟波束赋形提供了技术基础。

（4）标准的支持

3GPP R13-16对超大规模天线阵列提出了明确的规范

（5）5G的高阶空分复用：大规模天线阵列、波束赋形。

如果说，LTE多天线MIMO是高架桥的话，那么5G的大规模天线阵列就是立体交通，在相同的频谱资源的情况下，在空间假设了一个相互不影响立体交通网络。

5G通过控制大规模天线阵列中每一路天线电磁波信号的相位和幅度，并利用电磁波在空间中的叠加和抵消的原理，在空间构建多个不同的电磁波波束。

因此5G的大规模天线阵列的重点是波束赋形！！！

而2流或4流的MIMO在LTE已经解决。之所以不再进一步大规模增加MIMO的层数，主要原因是终端本身不支持超大规模的天线阵列，依然是1天线，2天线，4天线的配置，而超大规模的天线阵列主要发生在基站一侧。

第2章什么是波束赋形

2.1 波束赋形与大规模天线阵列的关系

波束赋形的基础是大规模天线阵列xMIMO, 没有xMIMO无法实现波束赋形。

2.2 波束赋形的定义

“波束赋形”这个概念可以拆分成“波束”和“赋形”这两个词来理解。

“波束”里的波字可以认为是电磁波，束字的本意是“捆绑”，因此波束的含义是捆绑在一起集中传播的电磁波；而赋形可以简单地理解为“赋予一定的形状”。

合起来，波束赋形的意思就是赋予空间能量一定形状、集中传播的电磁波。

其实，我们常见的光也是一种电磁波，灯泡作为一个点光源，发出的光没有方向性，只能不断向四周耗散；

而手电筒则可以把光集中到一个方向发射，能量更为聚焦，从而照得更远。

无线基站也是同理，如下图所示，如果天线的信号全向发射的话，这几个手机只能收到有限的信号，大部分能量都空间浪费掉了。

而如果能通过波束赋形把信号聚焦成几个波束，专门指向各个手机发射的话，承载信号的电磁能量就能传播地更远，而且手机收到的信号也就会更强。

波束赋形是5G通信空口技术的关键的技术之一。

2.3 常见的波束赋形相关的专业术语

（1）MIMO：多输入多输出

（2）Massive MIMO

就是天线数目庞大的MIMO, 多达64个天线通道，上百个天线阵子（天线阵子的数量》=天线数据流通道）

（3）Multiple User MIMO多用户MIMO：

同一组天线，服务与多个用户，不同的用户使用不同的波束

（4）User specific beamforming用户特定的波速赋形：

非波速赋形的信号，是全方位的发送电磁波信号，导致电磁波的能量比较发散，不集中，而用户特定的波速赋形是指，基站发送的电磁波，不再是360°均匀分布，而是根据用户的位置和方位，聚合电磁波的能量，向终端用户的方向集中发送电磁波波束。

（5）Grid of beamforming（GOB）栅格形波速赋形

不是全方位发送电磁波，也不是按照用户的方位发送电磁波波束，而是按照确定的固定方位发送电磁波波束，这些方位就是所谓的“栅格”

（6）Digital beamforming数字波束赋形

波束赋形是在DAC之前的数字信号处理，就完成了对每一路载波信号的相位和幅度的加权控制。

其技术基础是IQ调制，IQ调制就是通过控制两路正交载波的幅度来控制调制后载波的幅度和相位的。

因此数字波束赋形主要发生在RRU的数字处理部分。

优点：灵活

缺点：

（7）Analog beamforming模拟波束赋形

波束赋形是在DAC之后的模拟信号处理，完成对每一路载波信号的相位和幅度的加权控制。

其技术基础是IQ调制，IQ调制就是通过控制两路正交载波的幅度来控制调制后载波的幅度和相位的。

因此数字波束赋形主要发生在RRU的射频处理部分，包括RFIC或RFIC前端。

优点：简单，适合毫米波的波束赋形的场合。

缺点：不灵活

（8）Hybird beamforming混合波束赋形

同时使用模拟波束赋形和数字波束赋形技术实现第信号波速的控制。

（9）3D beamforming立体波束赋形

是指信号的波束方向变化，不仅仅现有水平和垂直方向，可以在空间的任何方向变化。

第3章 Active Antenna有源天线

3.1 无源天线

无源天线（passive antenna）是指不带任何有源器件的天线。

无源天线：是一个金属体，是平常看到很普通的各种天线。

3.2 大规模天线阵子的有源天线

有源天线内部集成了接收天线模块、低噪声放大模块、电源供给模块等其他功能。有源天线中甚至可以集成RFIC的功能。

3.3 5G的天线系统

第4章波束赋形的基本原理

波束赋形的物理学原理，其实就是波的干涉现象。百度百科上定义如下：

频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。

可以看出，有的地方水波增强，有的地方则减弱，并且增强和减弱的地方间隔分布，在最中间的狭窄区域最为明显。

如果波峰和波峰，或者波谷和波谷相遇，则能量相加，波峰更高，波谷更深。这种情况叫做相长干涉。

反之，如果波峰和波谷相遇，两者则相互抵消，震动归于静寂。这种情况叫做相消干涉。

如果把这个现象抽象一下，可以得到电磁波的干涉：

在两个馈源正中间的地方由于相长干涉，能量最强，可以认为形成了一个定向的波束，也叫做主瓣；

两边则由于相消干涉能量抵消，形成了零陷，再往两边又是相长干涉，但弱于最中间，因此称作旁瓣。

如果我们能继续增强正中央主瓣的能量，使其宽度更窄，并抑制两边的旁瓣，就可以得到干净利落的波束了。

因此，形成波束的关键是：多个（N>=2）同源的信号源发出的电磁波之间相互干涉，才能形成波束。

第5章波束赋形的形成过程

5.1 决定波束形状的因素有

（1）单个天线阵子的波形

（2）天线阵子的个数

（3）天线阵子之间的距离

（4）天线阵子上每个信号的相位差

（5）天线反馈面到天线的距离

大规模天线阵列其实并不是什么新鲜的技术，也不是什么高端的发明，不过是单天线信号的组合和叠加，是通过增加硬件资源去换取容量的提升，是用资源换容量的策略。

当然，在组合多个天线的过程中，会有一些巧妙的技巧和算法以及相应的应用，但本质上其实不是什么技术上的突破。

下面就从单个天线阵子的波形开始，阐述波束形成的过程以及各种影响因素对波束的影响。

5.2 单个全向天线的方向图

全向天线，即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射，也就是平常所说的无方向性。

一般情况下波瓣宽度越小，增益越大。全向天线在通信系统中一般应用距离近，覆盖范围大，价格便宜。增益一般在9dB以下。

下图所示为全向天线的信号辐射图。

全向天线和定向天线的区别

一般情况下，大多数单天线，都是使用全向天线。或者没有相关性的多天线，其能量在空间的分布也是这样的方向图。

5.3 单个半波阵子天线的方向图

（1）水平方向的方向图

（2）垂直方向的方向图

5.4 从120°扇区定向天线到波束

扇区空分：三个天线，每个天线负责120°的空间，与波束赋形不同的是，相邻的扇区，载波频率是不相同的，而波束赋形，不同的波束，载波频率是相同的！！！

波束赋形使得电磁波传播的能量更加集中于有UE终端的方向，而不是四处发散。

5.5 两个全向天线相互干涉后的方向图

（1）天线距离为0.1波长

两个天线离的非常近，为0.1波长时，近似一个天线，因此方向图近似全向天线。

（2）天线距离为0.5波长

当天线的距离增加到半波长时，两个天线的电磁波发生相互干涉，能量不再是360°均匀分布的方向图，而是能量形成了8字型分布的方向图，有了一定的聚合。

（3）天线距离为1个波长

当天线的距离增加到1个全波长时，两个天线的电磁波发生相互干涉，形成了主瓣与旁瓣能量分布，开始有部分发散。

（4）天线为1.5波长

当天线的距离增加到1个半全波长时，两个天线的电磁波发生相互干涉，主瓣的能量进一步的发散到旁瓣，形成了菊花型分布的方向图。

（5）天线距离超过5个波长，两个电磁波互不相干，方向图又接近全向天线的方向图。

全向天线和定向天线的区别

5.6 单个全向天线+反射板的方向图

（1）反射板原理

通过反射板，把360°的全向方向图转变成180°的方向图。

（2）当反射板到天线阵子的距离为波长时

此时，反射波等效为天线阵子距离为一个波长的另一个天线阵子。

方向图图下图所示。

与两个距离为一个波长的两个天线阵子的区别是

（1）此时的方向图时180°，而不是360°，因为反射板把能量反射回来。

（2）利用了单天线的自身的发送信号，节省了能量

（3）更多的天线通过反射板形成的方向图

5.7 带反射板的海量的天线阵列

如果天线内部排布着一系列的电磁波源，称作振子，或者天线单元。这些天线单元利用干涉原理来形成定向的波束，那么波束与天线阵子的个数有什么关系呢？

（1）天线阵列波束的数学模型

波束是n个相位不同的电磁波的叠加。

（2）4天线个数的叠加效果

天线数目越多，能量越集中在中间。

（3）32天线的叠加效果

天线数目越多，能量越集中在中间。

（4）天线阵子的距离波束增益的影响

在同样个数的天线阵子情况下，半波长的间距时，波束的增益最大。

（5）二维的横向水平波束

下图是2个天线阵子、4个天线阵子、8个天线阵子、16个天线阵子形成的电磁波的波束。

由上图可以看出，纵向排列的天线单元越多，最中间的可集中的能量也就越多，波束也就越窄。

但这只是一个垂直截面而已，其实完整的波束在空间是三维的，水平和垂直的宽度可能截然不同。

下图是一个天线的振子排列，以及辐射能量三维分布图。

可以看出，如果天线振子的排布方式为纵向，横向的数量很少，那么其发射的电磁波的波束在垂直方向的能量集中，而水平方向的角度还是比较宽的，像一个薄薄的大饼。

这种传统的天线水平方向的辐射角度多为60度，进行大面积的地面信号覆盖是一把好手，但要垂直覆盖高楼就有些力不从心了，称作“波束赋形”还是不够格。

（6）二维的纵横波束

如果我们把这些天线单元的排布改成矩形，电磁波辐射能量将在最中央形成一个很粗的主瓣，周边是一圈的旁瓣，这就有点波束赋形的意思了。

（7）三维的空间单流单波束的数学模型

通过控制单天线阵子的延时Wi，来控制生产多个不同波速的目的。

（8）三维的空间单流单波束

为了让波束更窄能量更集中，天线单元还需要更多更密，水平和垂直两个维度也都要兼顾，原本的天线就变成了大规模天线阵列，如下图所示：

这下，生成的波束就就清晰多了，这就是用大规模天线阵列来支持波束赋形

天线越多，单个波束的主瓣的聚合度就越高，旁瓣的能量发散就越少。

（9）三维的空间单流多波束

天线的数目越多，可以同时构建的波束就越多。

（10）三维的空间多流多波束

把天线阵子进行分组，每一组分别对应到不同的MIMO流上。

天线的分组的组数越多，可以同时构建MIMO流就越多。

考虑到终端能力的限制，通常为1流、2流，4流，最多8流。

多用户MU-MIMO就是基于多流多波束的一种应用。

第6章波束方向动态变化的原理

上述波速还有问题，那就是这个最大波束位于正中央，且其传播方向和天线阵列垂直，这是固定不变的。

然而，手机是一直随着用户移动的，所在的位置完全不确定，主波束虽然有形，但照射不到手机上也是白搭，怎么办？

能不能让波束偏移一定的角度，对准手机来发射呢？

（1）电磁波信号的相长干涉

首先我们看看上图中，主波束的形成过程：多列波的相位相同，也就是波峰和波谷在同一时间是对齐的，则它们到达手机时，就可以相长干涉，信号通过叠加得以增强。

（2）天线阵列接收面临的问题

如果手机和天线阵列有一定的夹角，则各列波到达手机时，相位难以对齐，可能是波峰和波谷相遇，也可能是在其他相位进行叠加，难以达到相长干涉，信号叠加的效果。

这可咋办？总不能通过旋转物理天线，来让波束跟随手机吧？

（3）通过不同信号间的相位差来控制波束

其实，周期性是波最大的特点，不同的相位总是周期性的出现，错过了这个波峰，还有下一个波峰要来，因此相位是可以调整的。

通过调整不同天线单元发射信号的振幅和相位（权值），即使它们的传播路径各不相同，只要在到达手机的时候相位相同，就可以达到信号叠加增强的结果，在不移动物理天线的情况下，相当于天线阵列把发送信号对准了手机。

下图是一个示例，可以看出：通过调制天线阵列中各路发射信号的相位，让波束偏移了θ度，从而可以精确对准手机发射信号。

第7章 5G波束赋形的实现：相位的控制方法

由此可见，波束赋形的关键在于天线单元相位的管控，也就是天线权值的处理。

根据波束赋形处理位置和方式的不同，可分为：（1）数字波束赋形，（2）模拟波束赋形，（3）以及混合波束赋形这三种。

7.1 模拟波速赋形：通过增加延时来控制载波信号的相位

所谓模拟波束赋形，就是通过处理射频信号权值，通过移相器来完成天线相位的调整，处理的位置相对靠近物理天线。

模拟波束赋形的处理流程如下图所示：

模拟波束赋形的特点是基带处理的逻辑天线端口的数量L远小于天线单元的数量N，因此容量上受到限制，并且天线的赋形完全是靠硬件搭建的，还会受到器件精度的影响，使性能受到一定的制约。

（1）模拟波束赋型的输入：L路逻辑天线端口的OFDM调制信号。

（2）逻辑天线端口到天线阵子的映射：一个逻辑天线端口的调制信号被映射到N多个物理的天线阵子上。多个逻辑天线端口的调制信号就被映射X=M*N个天线阵子上。

（3）模拟波束赋型的相位权重矩阵：每个天线阵子的相位权重。

每一路逻辑天线端口的调制信号的相位权重控制如下图所示：

（4）模拟波束赋型的输出：经过相位控制后的X=M*N路调制信号。

（5）波束的形成：在空间中形成不同的波束

1路逻辑天线端口的信号可以分裂成N路天线阵子的信号。
多个天线阵子的信号构成一个波束。
一个波束包含多个天线阵子的信号。

7.2 数字波束赋形：通过IQ幅度调制来控制载波信号的相位

数字波束赋形则在基带模块的时候就进行了天线权值的处理，基带处理逻辑天线端口数（AxC的数据流）和物理的天线阵子单元的数量相等，因此需要为每路天线阵子需要配置一套射频链路。

数字波束赋形优缺点：

优点：是赋形精度高，实现灵活，天线权值变换响应及时；

缺点：是基带处理能力要求高，系统复杂，设备体积大，成本较高。

Sub6G频段，作为当前5G容量的主力军，载波带宽可达100MHz，一般采用采用数字波束赋形：

7.3 混合波束赋形：（高频段）

在毫米波mmWave频段，由于频谱资源非常充沛，一个5G载波的带宽可达400MHz，如果单个AAU支持两个载波的话，带宽就达到了惊人的800MHz！

如果还要像Sub6G频段的设备一样支持数字波束赋形的话，对基带处理能力要求太高，并且射频部分功放的数量也要数倍增加，实现成本过高，功耗更是大得吓人。

因此，业界将数字波束赋形和模拟波束赋形结合起来，使在模拟端可调幅调相的波束赋形，结合基带的数字波束赋形，称之为混合波束赋形。

混合波束赋形数字和模拟融合了两者的优点，基带处理的通道数目明显小于模拟天线单元的数量，复杂度大幅下降，成本降低，系统性能接近全数字波束赋形，非常适用于高频系统。

这样一来，毫米波频段的设备基带处理的通道数（MIMO AxC流）较少，一般为4T4R，或8T8R，但天线单元众多，可达512个，其容量的主要来源是超大带宽和波束赋形。

每一个MIMO流，对应一组物理天线阵子，实施模拟波束赋型。

多组的MIMO流，对应多组物理天线阵子，实施多组模拟波束赋型，得到多个不同流的波束。

第8章高阶空分复用（MAC层调度）

8.1 空分资源+时频资源

频分多址：按在子载波资源为用户分配资源。

时分多址：按照符号的时间为用户分配资源。

空分数据复用（增加单用户容量）：按照天线的层为用户分配资源

空分用户多址（增加用户数）：按照空间的波束为用户分配资源。

空分多址：不同的用户，可以通过不同波束来区分或承载。波束也就成了一种与子载波、时间、天线的层一样，成为了一种时频资源。

MAC调度是如何确定或区分用户的波束？

8.1 单用户SU-MIMO（提升单用户的传输带宽和数据速率）

在单用户MIMO中，在MAC层调度用户数据时，用户的数据被分配上相同时频资源（RB）的所有层上。

此时只有空分复用，复用是同一个用户的数据。

没有空分多址，即不“层”的相同的RB资源，不能分配给不同的用户。

此时每个UE，必须接收到所有层的数据，才能解析出自己的数据。

8.2 多用户MU-MIMO/多用户波束赋形（提升系统的用户数量）

在多用户MIMO中，在MAC层调度用户数据时，无线资源，除了子载波、时间、还有空间的“层”。

因此用户的数据可以被分配在特定的MIMO层、特定的子载波和特定的时隙上，也就是说，用户的数据，不需要被绑定到所有“层”上。

“层”与“层”之间不需要进行相干性的预编码矩阵编码，“层”与“层”之间是独立的。但如果没有相干性的预编码矩阵编码，“层”与“层”之间是有干扰的，因为他们具有相同的频率和时间。

为了克服“层”与“层”之间，在没有预编码矩阵编码时的干扰，需要在空间上把“层”与“层”之间的信号分开。

波束赋形正好可以达成这样的目标，通过波束赋形：

（1）某一层的信号，可连接到一组天线阵子上，形成一个或多个波束，用于传送给同一层上的不同用户。如上图所示。

（2）各个不同“层”的信号，各自聚合成各自独立的波束，用于传送给不同层上的不同用户。

（3）某一个波束，只包含一个层的信号，因此多用户MU-MIMO，是通过牺牲单用户的“层”带宽换取增加系统的用户数的。

（4）多用户MU-MIMO，需要波束赋形的技术支持。

因此，多用户MU-MIMO比多用户波束赋形更加准确，实际上，MAC层调度器的在分配无线资源时，可用的无线资源是：

RB (子载波+时间） + 天线的“层", 而不是波束。

MAC调度器，会把不同的用户波束映射到天线的“层"上。

9. 动态波束的管理

9.1 单波束动态扫描，波束的位置不是固定

因为基站并不知道终端到底在哪里，因此不能固定波束的位置，需要采用动态扫描的方式更换波束的方位。

波速波束管理的核心是：波束的方位是动态变化的，无论是单个波束还是多个波束，其波束的方向与小区覆盖范围内UE的实时的分布情况相关，而不是固定不变的！！！

终端除了知道自己属于哪个小区，终端还需要知道属于哪个波束。

因此除了LTE的小区间的切换，还有波束之间的切换！！！！

9.2 如何通过波束广播小区信号？

在LTE系统中，没有波速的情况下，小区的广播信号是通过公共信道，在整个小区的覆盖范围内，全方位发送，并不是在某些特定波束或特定的方向上发送，小区内的所有用户根据RE时频资源的位置，就可以获得小区的公共信道的信息，与波束无关。

在5G的单流的波束赋型中，全向的信号被组织成一个个的波束，小区公共信道也会同时出现在所有的波束上，不同的波束，其RE的时频资源是相同的。

然而，在多流波束赋形中，不同的流被组成了不同的波束，流与流之间是相互独立的，器RE的时频资源也是独立的。如果小区公共信道出现在波束上，就会导致广播信道被复制多份。

其实，基站并不知道UE在哪个方位，因此，基站不会静态的、在所有方位的波束上发送小区公共信号，而是在特定的波束上发送广播小区公共信道，而特定的波束采用依次扫描的方式，覆盖小区的覆盖范围！！！

9.3 如何通过波束进行随机接入

终端如何检测基站扫描的波束？
终端如何告诉基站？自己检测到了哪个波束？以及检测到的波束的质量如何？

9.3 如何通过波束发送数据

9.4 如何通过改变波束的方位动态追踪处于连接状态且移动的终端。

9.5 基于波束的服务

波束的检测
波束的切换
波束的恢复

关于波速的管理，后续以单独的文章再详细阐述。

参考：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/144971077