5G的核心技术：波束成形

当我们还在享受4G给生活带来的便利时，5G已经悄然来临了。虚拟现实、无人机、自动驾驶，在这些炫酷的热门技术背后，都能看到5G移动通信系统的身影。2017年2月9日，国际通信标准组织3GPP将5G部分空口标准化工作由研究阶段转入工作阶段，并宣布了5G的官方Logo。

这意味着，经过多年的热切期盼，传说中的5G时代这次真的要来了。

据了解，目前5G技术处于研究前沿，作为下一代通信技术标准，它的特点是速度更快、延迟更低、支持接入网络更多、安全性更高，能为关键任务型的服务提供保障能力。5G基站可以支持大规模天线阵列，可配置的天线数量甚至可以达到1024根。要充分发挥这些大规模天线阵列的潜力，5G的波束成形技术绝对必不可少，甚至可以说是5G的核心技术。

首先先来了解一下什么是波束。波束这个词对于大家来说还很陌生，但是光束大家一定都很熟悉。当一束光的方向一致时，就成了光束，类似于手电筒发出的光。和光束一样，当所有的波的传播方向都一致时，就形成了波束。

那么到底应该如何实现波束成形呢？实用的波束成形方案使用的是智能天线阵列。当由两个波源产生的两列波互相干涉时，有的方向两列波互相增强，而有的方向两列波正好抵消。

在波束成形中，通过仔细控制波源发射的波之间的相对延时和幅度，把电磁波辐射的能量都集中在一个方向上，进行有效叠加，产生更强的信号增益来克服路损，从而为5G无线信号的传输质量提供了强有力的保障。

波束成形技术会对无线信号的能量产生聚焦，形成一个指向性波束。通常波束越窄，信号增益越大。但副作用是，一旦波束的指向偏离用户，用户反而接收不到高质量的无线信号。因此，如何将波束快速对准用户便成为5G标准中波束管理技术的主要内容。

采用波束成形技术之后，5G基站必须使用多个不同指向的波束才能完全覆盖小区。在下行过程中，基站依次使用不同指向的波束发射无线信号，该过程被称作波束扫描；与此同时，用户测量不同波束发射出的无线信号，并向基站报告相关信息；基站根据用户报告确定对准该用户的最佳发射波束。

为保证最终得到足够的信号增益，大规模天线阵列所产生的波束通常需要变得很窄。付出的代价是，基站需要使用大量的窄波束才能保证小区内任意方向上的用户都能得到有效覆盖。在此情况下，扫描全部窄波束来寻找最佳发射波束的策略显得费时费力，与5G所期望的用户体验不符。为快速对准波束，5G标准采取了分级扫描的策略，即由宽到窄扫描。

第一阶段为粗扫描，基站使用少量的宽波束覆盖整个小区，并依次扫描各宽波束对准的方向。

第二阶段为细扫描，基站利用多个窄波束逐一扫描已在第一阶段中被宽波束覆盖的方向。对单个用户而言，尽管此时的扫描波束变窄，但所需扫描的范围却已缩小，扫描次数便相应减少。

波束管理大大提升了波束对准的精度，让无线通信连接的质量有了保证，5G的通信速度可以开始尽情腾飞。