Precoding 和 Beamforming啥區別

來自專欄 無線通信實驗室

根據部分文章的介紹，兩者似乎是同一種東西，為何卻被叫做不同的名字？難道在MIMO里叫beamforming，而在大規模MIMO里叫precoding？或者在上行叫beamforming在下行叫precoding？

以上諸類問題想必很多人都曾有過類似的疑惑，至少我對此糾結了很久，又覺得這麼基礎的概念一定在文章里已經被介紹爛了，所以不好意思開口問別人，後來發現即便問了，從學長那得到的「高深莫測」的回答往往是：「這些你都不需要關注」。隨著看了更多的文章，自己也慢慢體會到了一些兩者的異同，本文會簡要介紹，希望對大家有幫助，歡迎補充。

首先，從功能上講，precoding和beamforming是同一種東西，兩者都是用在多天線系統里，使用天線陣列進行數據發送的技術。

在介紹差異之前，需要說明Beamforming是個更廣泛的概念，所有通過天線陣列產生波束來發送數據流的行為都可以稱作Beamforming。Beamforming可以區分為模擬Analog beamforming和數字Digital beamforming，而Digital beamforming即為Precoding。在Analog beamforming中，天線上的數字信號（所有天線處理的是同一個信號）通過模擬域的相移器對信號的相位進行調整，從而產生特定方向的波束；而Digital beamforming/Precoding通過基帶對信號進行處理，可以讓每根天線上的發送信號都不同，包括相位和幅值，所以Digital beamforming/Precoding的處理可以更加靈活的產生多個方向和功率強度均不同的波束，更加有效的利用空間分集。

現在，提到Beamforming通常指的是Analog beamforming，所以Beamforming和Precoding的區別可以概括為以下幾點：

1、從數據流角度：

Beamforming向單個用戶發送單個數據流，在發送的波束中有一個main lobe和其他可能會產生干擾的低功率的side lobes，如下圖1所示。

Precoding能夠向多個用戶同時發送多個數據流，如下圖2所示。

2、從波束方向角度：

Beamforming向特定方向發送波束，所以通常被應用在毫米波系統里，因為在毫米波系統中信道是視距傳輸LOS信道，用戶只有一條功率很強的傳輸路徑。

Precoding經過數字域的信號處理後可以靈活的產生信號，可以將非視距NLOS路徑增益也考慮在信號處理中，所以Precoding可以針對多徑信道進行預編碼處理，而且Precoding並不是產生了固定方向的波束，而且處理後的信號在空間中傳輸的效果等效於向不同用戶發送了不同的波束。

3、從功率控制角度：

Beamforming只是通過相移器調整信號相位，不能實現功率控制。

Precoding可以調整信號的相位和功率，可進行有效的功率控制。

4、從服務用戶數角度：

Beamforming服務用戶數的能力受限於射頻鏈路、相移器等硬體。

Precoding能夠更加有效的服務多用戶。

那麼現在大家便可以試圖去理解為什麼毫米波系統里大多提beamforming了。而關於毫米波系統里的混合預編碼問題，Hybrid precoding、Hybrid beamforming哪種叫法都有他的合理性，反正都是同一種技術。

本文大部分內容可從如下兩篇經典的magazine文章中獲取：

[1] Wonil Roh etc, "Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications: theoretical feasibility and prototype results", IEEE Communications Magazine, vol. 52, no. 2, Feb. 2014.

[2] Zhouyue Pi and Farooq Khan, "An introduction to millimeter-wave mobile broadband systems", IEEE Communications Magazine, vol. 49, no. 6, June 2011.