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解析5G背后的核心技術(shù):波束成形

2017年5月12日 13:34  雷鋒網(wǎng)  作 者:英特爾中國研究院

解析5G背后的核心技術(shù):波束成形

(雷鋒網(wǎng)(公眾號:雷鋒網(wǎng))注:該圖來源于網(wǎng)絡(luò))

虛擬現(xiàn)實(shí)、無人機(jī)、自動駕駛,在這些炫酷的熱門技術(shù)背后,都能看到5G移動通信系統(tǒng)的身影。今年春季,3GPP組織將5G部分空口標(biāo)準(zhǔn)化工作由研究階段轉(zhuǎn)入工作階段。這意味著,經(jīng)過多年的熱切期盼,傳說中的5G這次真的要來了!

5G基站可以支持大規(guī)模天線陣列,可配置的天線數(shù)量甚至可以達(dá)到1024根。要充分發(fā)揮這些大規(guī)模天線陣列的潛力,5G的波束成形技術(shù)(Beamforming)絕對必不可少!今天我們就帶大家一起,靠近這雙助力5G通信騰飛的翅膀。

波束成形技術(shù)原理

在空間傳播過程中,無線信號的質(zhì)量會出現(xiàn)衰減。這種被稱之為“路損”(path-loss)的衰減現(xiàn)象會對通信系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。特別是對于毫米波段的5G通信系統(tǒng),高達(dá)幾十dB的信號衰減可能會導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。在這種情況下,波束成形技術(shù)就可以大顯身手,有效對抗路損。

研究人員在很久之前就已發(fā)現(xiàn):多天線通信可以提高無線信號的傳輸質(zhì)量。無線信號在空間傳播如同船在水中行駛,路損就相當(dāng)于水對船產(chǎn)生的阻力;天線以一定功率發(fā)送無線信號,如同船槳克服水阻推動船前行。

解析5G背后的核心技術(shù):波束成形

5G 系統(tǒng)采用beamforming技術(shù)

傳統(tǒng)基站的天線數(shù)目少,無線信號傳輸質(zhì)量就有限。這一點(diǎn)與獨(dú)排或雙槳的行船方式類似,由于槳少、人少、力量小而導(dǎo)致行船速度緩慢。5G基站則采用了大規(guī)模天線陣列,果斷將獨(dú)排和雙槳升級到龍舟,槳多人多,力量爆棚! 波束成形技術(shù)通過調(diào)節(jié)各天線的相位使信號進(jìn)行有效疊加,產(chǎn)生更強(qiáng)的信號增益來克服路損,從而為5G無線信號的傳輸質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的保障。如同龍首的鼓點(diǎn)引導(dǎo)龍舟眾多槳片密切配合,使得龍舟競速,船行如箭,是不是猴塞雷?!

解析5G背后的核心技術(shù):波束成形

Beamforming技術(shù)產(chǎn)生指向性波束

有趣的是,波束成形技術(shù)會對無線信號的能量產(chǎn)生聚焦,形成一個指向性波束(Beam)。通常波束越窄,信號增益越大。但副作用是,一旦波束的指向偏離用戶,用戶反而接收不到高質(zhì)量的無線信號,可謂是差之毫厘,謬以千里!因此,如何將波束快速對準(zhǔn)用戶便成為5G標(biāo)準(zhǔn)中波束管理 (Beam Management)技術(shù)的主要內(nèi)容

5G的波束管理技術(shù)結(jié)合剛剛出爐的5G標(biāo)準(zhǔn)在研究階段的成果,以及移動通信的下行過程 (Downlink,即基站到用戶的無線傳輸) ,我們來看一下波束管理的基本技術(shù)原理。

解析5G背后的核心技術(shù):波束成形

波束管理技術(shù)原理

采用波束成形技術(shù)之后,5G基站必須使用多個不同指向的波束才能完全覆蓋小區(qū)。如上圖所示,基站使用了8個波束覆蓋其服務(wù)的小區(qū)。在下行過程中,基站依次使用不同指向的波束發(fā)射無線信號,該過程被稱作波束掃描(Beam sweeping);與此同時,用戶測量不同波束發(fā)射出的無線信號(Beam measurement),并向基站報告相關(guān)信息(Beam reporting);基站根據(jù)用戶報告確定對準(zhǔn)該用戶的最佳發(fā)射波束(Beam determination)。

更為復(fù)雜的是,用戶也有天線陣列。這意味著,我們在波束對準(zhǔn)的過程中既要考慮發(fā)射波束,也要考慮接收波束。為此,5G標(biāo)準(zhǔn)允許用戶對發(fā)射波束變換不同的接收波束,并從中選擇最佳接收波束,由此產(chǎn)生一對最佳發(fā)射—接收波束。上圖中用戶1和2所對應(yīng)的最佳波束對分別為(t4,r3)和(t6,r2)。

此時,大家可能會覺得波束管理過程十分簡單,但事實(shí)并非如此。實(shí)際上,為保證最終得到足夠的信號增益,大規(guī)模天線陣列所產(chǎn)生的波束通常需要變得很窄。付出的代價是,基站需要使用大量的窄波束才能保證小區(qū)內(nèi)任意方向上的用戶都能得到有效覆蓋。在此情況下,遍歷掃描全部窄波束來尋找最佳發(fā)射波束的策略顯得費(fèi)時費(fèi)力,與5G所期望的用戶體驗(yàn)不符。為快速對準(zhǔn)波束,5G標(biāo)準(zhǔn)采取了分級掃描的策略,即由寬到窄掃描。

解析5G背后的核心技術(shù):波束成形

波束管理的分級掃描過程

第一階段為粗掃描,基站使用少量的寬波束覆蓋整個小區(qū),并依次掃描各寬波束對準(zhǔn)的方向。如上圖所示,基站在此階段使用了寬波束tA和tB,且只為用戶對準(zhǔn)寬波束,對準(zhǔn)方向精度不高,所建立的無線通信連接質(zhì)量亦比較有限。

第二階段為細(xì)掃描,基站利用多個窄波束逐一掃描已在第一階段中被寬波束覆蓋的方向。對單個用戶而言,盡管此時的掃描波束變窄,但所需掃描的范圍卻已縮小,掃描次數(shù)便相應(yīng)減少。如上圖所示,在第一階段寬波束對準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,基站只需繼續(xù)細(xì)化掃描與各用戶有關(guān)的4個窄波束,比如為用戶1掃描波束t1-t4, 為用戶2掃描波束t5-t8。此時,基站改善了對準(zhǔn)每個用戶的波束方向的精度,所建立的無線通信連接質(zhì)量得到提高。因此,在圖示的兩級波束管理過程中,基站只需為每位用戶掃描6次,而無需對全部8個窄波束都進(jìn)行掃描。

解析5G背后的核心技術(shù):波束成形

束估計算法輔助的波束管理過程

此外,波束管理過程可以通過波束估計算法得到進(jìn)一步優(yōu)化。以上圖為例,基站使用4個適中寬度的波束掃描整個小區(qū)。如果用戶1正好處于波束t2與t3之間,根據(jù)傳統(tǒng)方法,基站為了提高波束對準(zhǔn)精度需要進(jìn)一步細(xì)化掃描用戶1的方向。為此,英特爾中國研究院開發(fā)了有效的波束估計算法:基站可以結(jié)合用戶報告信息進(jìn)一步估計用戶的最佳波束方向,提高現(xiàn)有波束掃描結(jié)果的精度并修正波束方向,從而減少或避免進(jìn)一步細(xì)化掃描。借助波束估計算法,基站可能只需要掃描4次適中寬度的波束就可以實(shí)現(xiàn)之前兩級掃描6次不同寬度波束所達(dá)到的效果,從而實(shí)現(xiàn)快速波束管理。

最后,考慮到用戶可能處于移動狀態(tài),為了更好地跟蹤用戶 (Beam tracking),分級掃描可以根據(jù)每個用戶的需要隨時展開,不斷切換最佳波束,最佳波束會隨著用戶的位置而發(fā)生變化,為用戶提供無縫覆蓋,保證通信不中斷、不掉線。

波束管理大大提升了波束對準(zhǔn)的精度,讓無線通信連接的質(zhì)量有了保證,5G的通信速度可以開始盡情騰飛!

編 輯:章芳
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