LTE筆記: 波束成型 (beamforming) 和天線陣列

在5G的技術中, 其中一個新被引入的通訊技術就是波束成型 (beamforming),
波束成型技術可以大略的分成兩種:
第一種、藉由量測到的通道係數, 設計傳送參數 (precoder), 最佳化通道
第二種、透過多天線的相位偏移 (phase shifter), 決定電波傳遞強度模
在文章中, 會著重介紹第二種波束成型的架構,

在第二種波束成型的架構中,
所使用的是電磁波干射的物理特性,
簡單來說, 透過電磁波的建設性干涉與破壞性干涉,
我們就可以在某個方向上產生一個較強的訊號,
而在其他方向上減低此訊號的影響.

來自: https://en.wikipedia.org/wiki/Phased_array

在上圖中, 我們可以發現這種波束成型架構的兩個需求:
1. 必須有多根天線服務同一筆傳輸訊號
2. 每個天線都必須要有一個相位調節器 (phase shifter)
在5G的系統中, 能夠藉由高頻帶的傳輸,
設計天線陣列來完成多天線的要求,
(天線間最短距離為無線電波的半波長)
但是, 相位調節器 (phase shifter) 的需求仍是一個問題,
在當前研究中, 多半用複合式 (hybrid-beamforming) 架構來完成,

波束成型在5 GHz的應用下 (如802.11ac) 仍只是錦上添花,
但是對於毫米波 (mmWave) 通訊來說, 卻是必要存在,
因為60 GHz附近氧吸收以及路徑衰減 (path-loss) 效應,
使得必須藉由波束成型, 來彌補傳輸距離的限制,

此外, 波束成型的另一個應用就是開發空間上的多工,
考慮到波束的指向性, 我們可以藉由指向特定使用者方向的波束,
避開對於其他使用者的干擾,
在天線場行的表示中, 我們可以這樣看待波束成型:

來自: https://en.wikipedia.org/wiki/Phased_array

在圖中, 不同角度代表天線的方向性, 半徑則代表訊號強度,
我們可以發現, 除了主要設計的指向性波束之外 (稱為main beam),
還會產生一些其他角度的小波束 (side beam) 造成干擾,
同時, 波束的寬度也是一個可以設計的數值,
在下行環境中, 考慮到一個波束要服務多個使用者,
此時, 如何設計波束的參數, 也就成了另一個困難的問題,
也會是波束成型在未來第五代通訊中的瓶頸