波束成形与预编码：通信技术中的“双胞胎”辨析

波束成形与预编码：通信技术中的“双胞胎”辨析

波束成形（Beamforming）和预编码（Precoding）是现代通信技术中的两个核心概念，它们在无线信号传输中扮演着至关重要的角色。虽然这两个术语经常被交替使用，但它们之间存在本质的区别。本文将从技术实现和系统功能两个维度，深入探讨波束成形与预编码的关系，帮助读者理解它们在现代通信系统中的应用。

波束成形的技术实现方式

从技术实现角度看，波束成形可以进一步划分为模拟和数字两种实现方式。

• 模拟波束成形：系统将相同的信号馈送到所有天线单元，并通过模拟移相器对各通道的相位进行调控。这种经典的实现方式是相控阵雷达技术的基础。它的优点是硬件结构相对简单，但灵活性受到明显限制。

• 数字波束成形：在数字域对每个天线单元的信号进行独立设计，不仅可以实现功率和相位的精细化分配，还能针对频域资源（如不同的子载波）进行差异化处理。这种时频二维的调控能力，使数字波束成形在空间多路复用场景中具有独特优势。当多个携带独立信息的信号在空间维度叠加传输时，数字波束成形能够精准控制每个信号的空间传播特性。特别是在宽带通信系统中，其技术优势更为显著。传统固定相位配置会导致不同频段波束指向漂移，而数字处理可以有效避免这种频率相关的方向性畸变。

波束成形与预编码的功能差异

从系统功能角度看，波束成形和预编码又呈现出新的差异。

• 波束成形：通常被定义为单数据流的定向传输技术，其辐射模式呈现主瓣与旁瓣的经典结构，这种特性使其在视距（LoS）通信场景中表现优异。

• 预编码：不仅包含多波束的协同叠加，还强调通过空间多路复用技术实现多数据流的并行传输。这种功能定位的差异，使得预编码在非视距（NLoS）场景中展现出更强的适应性。当传播环境存在多径效应时，预编码技术可以通过信道状态信息的动态适配，使多径分量在接收端实现建设性叠加。这种智能化的信道匹配能力突破了传统波束成形的角度约束。

预编码的技术演进

值得注意的是，现代通信理论对预编码进行了更精细的层次划分：方向性选择和功率分配构成其两大核心要素。这种解耦式分析框架为系统优化提供了新的视角，使得工程师可以分别针对空间维度和能量维度进行独立优化设计。这种认知的演进反映了无线通信技术的进步轨迹。

早期学术界常将波束成形和预编码混用，但随着大规模MIMO等新技术的涌现，预编码逐渐确立了其更精确的技术定位。特别是在全数字化的大规模天线阵列系统中，预编码技术通过联合优化相位和功率参数，既能实现视距场景下的精准波束控制，又能胜任非视距环境中的多维信道适配。这种双重能力使其成为提升系统容量的关键技术手段。

这种术语使用范式的转变，本质上反映了无线通信从模拟向数字、从单用户向多用户、从简单场景向复杂环境演进的技术发展脉络。当前学术界更倾向于采用预编码这一更具包容性的术语，不仅因为它能准确描述现代通信系统的多维信号处理机制，还因为它能够统摄从传统波束成形到空间多路复用等不同层级的传输技术，形成完整统一的理论框架体系。