5G基站可以支持大規模天線陣列，可配置天線數量甚至可以達到1024。要充分發揮這些大型天線陣列的潛力，5G波束形成技術絕對必不可少！今天，我們就帶著大家壹起，近距離接觸這些助力5G通信騰飛的翅膀。
波束形成技術原理
在空間傳播過程中，無線信號的質量會衰減。這種被稱為“路徑損耗”的衰減現象會對通信系統產生很大的影響。尤其是毫米波段5G通信系統，高達幾十dB的信號衰減可能導致系統無法正常工作。在這種情況下，波束形成技術可以大顯身手，有效對抗路損。
研究人員很早就發現多天線通信可以提高無線信號的傳輸質量。無線信號在空間傳播就像船在水中行駛，路損相當於水對船的阻力；天線發出壹定功率的無線信號，就像船槳克服水的阻力推動船前進壹樣。
5G系統采用波束成形技術。
傳統基站天線數量少，無線信號傳輸質量有限。這類似於單排或雙槳的航行方式。因為槳少，人少，力量小，所以航行速度慢。5G基站采用大規模天線陣，果斷升級單排雙槳為龍舟。槳多人多，力量爆棚！波束形成技術可以通過調整各天線的相位來有效疊加信號，產生更強的信號增益來克服路徑損耗，從而為5G無線信號的傳輸質量提供有力保障。就像龍頭的鼓聲引導著龍舟的許多槳的緊密配合，使龍舟競渡，船如箭般移動，不就是猴雷嗎？！
有趣的是，波束形成技術會集中無線信號的能量，形成定向波束。壹般來說，波束越窄，信號增益越大。但副作用是壹旦波束方向偏離用戶，用戶就收不到高質量的無線信號，可謂微乎其微。因此，如何將波束快速對準用戶，成為5G標準中波束管理技術的主要內容。
5G的波束管理技術
結合最新發布的5G標準的研究成果和移動通信的下行過程(從基站到用戶的無線傳輸)，我們來看看波束管理的基本技術原理。
采用波束形成技術後，5G基站必須使用多個不同方向的波束才能完全覆蓋小區。如上圖所示，基站使用8個波束覆蓋其服務的小區。在下行過程中，基站依次使用不同方向的波束發射無線信號，稱為波束掃描。同時，用戶測量不同波束發射的無線信號，並將相關信息上報給基站(波束上報)；基站根據用戶報告確定針對該用戶的最佳波束確定。
更復雜的是，用戶還有天線陣列。這意味著在光束對準過程中，我們既要考慮發射光束，也要考慮接收光束。為此，5G標準允許用戶將不同的接收波束轉換為發射波束，並從中選擇最佳接收波束，從而生成壹對最佳發射-接收波束。在上圖中，用戶1和2的最佳波束對分別為(t4，r3)和(t6，r2)。
此時，您可能認為射束管理過程非常簡單，但事實並非如此。事實上，為了保證足夠的信號增益，大規模天線陣產生的波束通常需要變得非常窄。代價是基站需要使用大量窄波束來保證小區內任何方向的用戶都能被有效覆蓋。在這種情況下，掃描所有窄波束以找到最佳發射波束的策略既費時又費力，與5G的預期用戶體驗不符。為了快速對準波束，5G標準采用分層掃描的策略，即由寬到窄掃描。
第壹階段是粗掃描。基站用少量寬波束覆蓋整個小區，並依次掃描每個寬波束的對準方向。如上圖所示，基站現階段使用寬波束tA和tB，只針對用戶使用寬波束，因此對準方向精度不高，建立的無線通信連接質量也受到限制。？
第二階段是精細掃描，基站使用多個窄波束對第壹階段中寬波束覆蓋的方向逐壹進行掃描。對於單個用戶來說，雖然此時掃描光束變窄了，但所需的掃描範圍已經變窄，掃描次數也相應減少。如上圖所示，基於第壹階段寬波束對齊，基站只需要掃描與每個用戶相關的四個窄波束，比如用戶1的掃描波束T1-T4，用戶2的掃描波束t5-t8。此時，基站提高了瞄準每個用戶的波束方向的精度，並且提高了建立的無線通信連接的質量。因此，在所示的兩階段波束管理過程中，基站只需要為每個用戶掃描6次，而不是掃描所有8個窄波束。
此外，波束管理過程可以通過波束估計算法進壹步優化。以上圖為例，基站使用四個寬度適中的波束對整個小區進行掃描。如果用戶1正好在波束t2和t3之間，按照傳統方法，基站需要進壹步細化掃描用戶1的方向，以提高波束對準精度。因此，英特爾中國研究院開發了壹種有效的波束估計算法:基站可以結合用戶的報告信息，進壹步估計用戶的最優波束方向，提高現有波束掃描結果的準確性，修正波束方向，從而減少或避免進壹步的細節掃描。利用波束估計算法，基站可能只需要掃描4次中等寬度的波束，就可以達到前兩個階段掃描6次不同寬度的波束所達到的效果，從而實現快速的波束管理。
最後，考慮到用戶可能處於移動狀態，為了更好地跟蹤用戶(波束跟蹤)，可以根據每個用戶的需求隨時進行分層掃描，最佳波束會隨著用戶的位置而變化，為用戶提供無縫覆蓋，保證通信不中斷、不掉線。
波束管理大大提高了波束對準的精度，保證了無線通信連接的質量，5G的通信速度可以開始騰飛了！