5G關鍵技術之波束成型

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經典通訊問題：如何才能讓很多人在一個房間內說話互不干擾

在上一期文章中我們介紹了如何利用毫米波技術來獲得更多的頻譜資源，那麼，接下來的問題是我們在有了頻譜資源後如何充分利用，就是如何讓多個用戶通訊但又互不干擾，專業術語叫做頻譜復用。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，但是當許多人聚集到房間里的時候，手機的信號就會變差，有時甚至無法打出電話。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。

在上一期文章中我們介紹了如何利用毫米波技術來獲得更多的頻譜資源，那麼，接下來的問題是我們在有了頻譜資源後如何充分利用。這涉及通訊理論的多路復用通訊(multiple access)問題，即如何讓多個用戶通訊但又互不干擾？在大學的通訊理論課本中，會介紹幾種經典的復用方式。第一種是時分復用(time-division multiple access, TDMA，典型應用：中國移動2G)，即讓給每個用戶分配一個專用的時間段，每個用戶只在自己的時間段內通訊。顯然，時分復用降低了每個用戶的平均數據傳輸速率，因為在大多數時候用戶並不能進行通訊而必須等輪到自己時才能進行數據傳輸。第二種經典的復用方法是頻分復用(frequency-division multiple access, FDMA，典型應用：中國聯通3G)，即把頻譜分成多個信道，給每個用戶分配一個信道，這樣多個用戶可以同時通訊而不會互相干擾。然而，這樣每個用戶只能獲得一部分頻譜資源，雖然多個用戶可以同時通訊但是每個用戶無法做到全速傳輸。第三種復用方法是碼分復用(code-division multiple access, CDMA，典型應用：中國聯通3G)，即每個用戶被分配一個唯一的m比特碼片序列，發送的每個數據比特均被擴展成m位碼片（擴頻）。每個用戶的比特碼片序列互相正交，因此每個用戶能互不干擾地通訊。碼分復用抗干擾能力很強，然而用戶需要傳輸m比特碼片才能真正傳輸1比特數據，因此效率並不高。可以用一個例子來說明時分復用、頻分復用和碼分復用的區別。在一個屋子裡有許多人要彼此進行通話，為了避免相互干擾，可以採用以下方法：

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，只有懂得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地通訊。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，這樣就可以多個人同時用同音調同語言說話但是不會互相干擾。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型(beamforming)。有了波束成型，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沒信號的問題啦！

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。

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。雷達通過波束的反射時間來計算波束方向物體的距離，並通過掃描波束方向來探測整個空間中所有目標的位置。如果雷達不使用波束而使用全方向輻射的電磁波，則雷達將無法確定空間物體的具體位置。另一個例子是衛星通訊，也即我們生活中常見的「鍋蓋天線」。衛星通訊使用波束的目的是為了補償信道的衰減。衛星和地面接收天線的距離非常遠，信道衰減非常大，於是衛星信號到達地面時能量已經非常小，甚至比熱雜訊還要低。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，就可以接收到每一點信號。

如何實現波束成型

光束很簡單實現，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。由於無線通訊使用的電磁波衍射能力很強，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，波束成型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機械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，實用的波束成型方案使用的是智能天線陣列。

智能天線陣列原理並不複雜，主要涉及的知識範圍是高中物理教的波的干涉。當由兩個波源產生的兩列波互相干涉時，有的方向兩列波互相增強，而有的方向兩列波正好抵消（如下圖）。

在波束成型中，我們有許多個波源（即天線陣列），通過仔細控制波源發射／接收的波之間的相對相位和幅度我們可以做到電磁波輻射／接收增益都集中在一個方向上（即接收機／發射機所在的位置），而在其他地方電磁波輻射／接收增益都很小（即減少了對其他接收機的干擾／減小了被其他發射機干擾的機會）。我們以接收天線陣列為例。對於沿我們想要方向傳播的電磁波，波前到達天線陣列中每個天線的時間（相位）均有所不同。對於每一個天線，我們都加入一個特定的相位延遲用來補償波前到達天線相位的區別，因此在經過該相位延遲後，我們就把每個天線收到的信號在相位上對齊了，從而不同天線接收到的有用信號在經過加和後會幅度變得很大。另一方面，當沿其它方向傳播的干擾信號到達天線陣列時，每個天線對應的延遲與信號到達天線的時間差並不符合，因此在加和後幅度並不會變大。這樣，天線陣列就可以通過多個普通天線配合特定的延遲來等效實現具有方向性的天線。根據天線的互易性原理，相同的架構也可以用在發射天線陣列里去等效一個高方向性的天線。此外天線輻射的方向可以通過改變波源之間的相對延時和幅度來實現，可以輕鬆跟蹤發射端和接收端之間相對位置的改變。

波束成型與毫米波是天作之合

目前波束成型已經被使用在帶有多天線的WiFi路由器中。然而，手機上不可能像路由器一樣安裝WiFi頻段的多根天線，因為天線尺寸太大了。天線的尺寸是由電磁波信號的波長決定的，WiFi和當前手機頻段的電磁波波長可達十幾厘米，因此很難將如此大的天線集成在手機上。為了解決這個問題，我們可以把波束成型和毫米波技術結合在一起。毫米波波段的波長大約是WiFi和手機頻段波長的十分之一左右，因此可以把多個毫米波天線集成到手機上，實現毫米波頻段的波束成型。波束成型和毫米波技術可謂是天作之合，使用毫米波可以給信號傳輸帶來更大的帶寬，波束成型則能解決頻譜利用問題，使得5G通訊如虎添翼。

毫米波天線陣列體積很小，可以安裝到手機上

結語

波束成型可以使信號的能量集中在接收端所在的方向，從而改善頻譜利用效率。波束成型配合毫米波技術可以讓通訊系統擁有高帶寬並且支持大量用戶同時通訊，從而使5G系統如虎添翼。

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