5G NR-Beamforming 的一些基本理论
5G NR-Beamforming 的一些基本理论
波束赋形（Beamforming）技术是5G NR（New Radio）中的关键技术之一，通过使用多个天线阵列，根据信号的需求将信号定向发射，形成具有高度指向性的“波束”。这样可以提高信号强度，减少多径干扰，提升通信的质量和效率。本文将详细介绍波束赋形技术的基本理论、分类及其工作原理。
诞生背景
在无线通信中，传统的信号传输通常是全向广播的（全向天线），即信号均匀地在各个方向上发射，导致信号的能量被分散，效率较低。
全向天线辐射图
而波束赋形技术通过使用多个天线阵列（如MIMO系统），根据信号的需求将信号定向发射，形成具有高度指向性的“波束”。这样可以提高信号强度，减少多径干扰，提升通信的质量和效率。
MIMO 系统
天线阵列（Antenna Array）是一组通过一定的空间布局排列的多个天线单元（通常是相同类型的天线）。天线阵列的目的是通过对多个天线的信号进行控制和合成，从而实现更高效、更灵活的信号传播和接收。天线阵列在5G中发挥着关键作用，尤其在波束赋形（Beamforming）技术和MIMO（多输入多输出）系统中。
多天线阵列辐射图
Beamforming的分类
模拟波束赋形（Analog Beamforming）
下图显示了一个简化的模拟波束成形框架
在 Tx 端，基带信号在数字域中生成，然后通过数模转换器 (DAC) 转换为模拟信号，上变频到更高的载波频率，然后通过分路器馈送到模拟波束成形网络。在这里，权重通过几个数字控制的移相器应用，每个天线元件一个。生成复杂的波束模式（例如在多用户环境中）并不容易通过模拟组件实现。在 Rx 端，到达信号在每个元件处进行相移，然后组合、滤波并下变频到基带或中频。然后通过 ADC 产生数字样本。由于信号之前已经在模拟域中进行了波束成形，因此采样信号是各种波的叠加，无法在数字域中进行操纵。
模拟波束成形具有功率和成本效率，因为它只有一对 ADC、DAC 和一个 RF 链。然而，它有以下缺点。
实施先进的波束成形技术（例如在发射或接收期间在特定方向上创建零点）非常困难。这会在不需要的方向之间产生严重干扰。
由于量化相移的分辨率低，光束的精细调节受到限制。
从上图可以看出，多用户 MIMO 很难支持多流。一般来说，所有天线都会向特定方向发送相同信号的相移版本。
由于损耗和失真，射频移相器的性能会下降。
通过数字波束形成器可以更容易地克服所有这些挑战。
数字波束赋形（Digital Beamforming）
下图展示了简化的数字波束成形架构。
在这种情况下，每个天线元件都有自己的专用 RF 链以及单独的 DAC 和 ADC。这意味着每个空间样本的增益和相位都以单独方式进行调整，同时在 Tx 上变频之前或在 Rx 下变频之后进行基带处理。这使得数学算法能够真正实现最大的灵活性，其中大多数算法将每个天线输出视为可访问的样本。例如，这种灵活性在以下场景中显而易见。
除了在所需方向上最大化信号强度之外，还可以在不需要的方向上创建零点以抑制干扰。
可以同时创建多个空间流以实现空间复用。为此，可以实现更复杂的预编码器，以生成多个波束并实现多用户通信。这是通过数字域中的矩阵乘法（类似于SVD 分解）完成的。
在物理和虚拟场景中讨论的波束成形权重都是针对窄带信号的。数字架构允许通过选择频率选择性场景的权重来满足大带宽需求。宽带信号传输和接收通过大信号带宽运行而没有波束斜视（波束方向图随工作频率而变化），从而提高了系统的频谱效率。
为了获得所有这些好处，所有空间样本都需要单独处理。在这里，每个天线元件都有自己的前端是有代价的。以多 GHz 时钟频率工作的 ADC 和 DAC 非常复杂且耗电。因此，在较低频率范围内的商用多天线系统中采用全数字波束成形，而初始 mmWave 系统大多采用混合波束成形架构，如下所述。
混合波束赋形（Hybrid Beamforming）
混合波束成形是低功耗但灵活性较差的模拟波束成形与功耗大但完全灵活的数字波束成形解决方案之间的折衷。下图绘制了这种两级架构，其中预编码或组合首先在模拟部分进行，然后在数字域进行。虽然天线元件仍由模拟移相器驱动，但 RF 链和 ADC/DAC 的数量少于天线数量。然后在数字域的无线电链级别执行预编码。数据转换器和相应链数量的减少可降低成本、计算负荷和功耗。还可以支持多个空间流，尽管最多只能支持 RF 链的数量，因此比纯数字波束成形所能提供的要少。总之，在这种情况下，数字和模拟波束成形协同工作以改善覆盖范围或为空间分离的用户提供多个波束。
Beamforming的原理
上文提到，多天线阵列（以一定空间布局排列的多个天线单元）可以形成定向波束，那么天线系统是如何自由的控制波束（Beam）的方向性呢？
以 8TRX 天线单元阵列为例：天线单元按照固定的间距排列，形成多个波束方向。
现在，降低第一个天线单元和最后一个天线单元的Power/Gain, 我们观察到，天线的Beam形状发生了改变。
现在，我们再尝试改变几个天线单元的相位，可以看到，天线的beam形状发生了更大变化
由此得出，天线的beam形状可由每个天线单元的输出增益（Gain）和相位（Phase）来控制, 这样的一组向量我们称为天线单元的权重（weight），如下图，1.00+0.00j 表示该单元的增益为1，相位为0
现在，我们任意的改变每个天线单元的权重，以自定义天线beam的指向和形状
这样的一组由多个天线单元的权重（weight）组成的数据包, 称为天线的Weights。天线系统通过设计和改变天线产品的Weights，可以实现自由的波束赋形和旁瓣抑制。
以上就是关于Beamforming技术的一些基本理论。
引用和参考：
【1】Techslide | ShareTechnote
【2】An introduction to Beamforming https://www.youtube.com/watch?v=VOGjHxlisyo&t=45s
【3】https://wirelesspi.com/what-is-the-difference-between-analog-digital-and-hybrid-beamforming/
【4】https://www.mathworks.com/help/antenna/gs/antenna-classification.html