一文读懂波束赋形 BeamForming

作者按：本文参考于sharenote的一篇英文文档，我们借助翻译软件进行汉化，以供大家学习参考。图例来自于参考文档。仅供学习。

什么是波束赋形？顾名思义，就是对波束的形状进行构造。这里的波束指的就是天线的辐射方向性图。简而言之，BeamForming是一种构造天线辐射方向图的技术。

No.1 为什么我们需要波束成形？

很简单。让我们看下面的两个插图。有两个天线系统，让我们假设两个天线发射的总能量完全相同。

在情况1中，天线系统在所有方向上辐射的能量几乎相同。天线周围的三个UE将接收几乎相同数量的能量，但是浪费了大部分未定向到那些UE的能量。

在情况2中，辐射方向图（“光束”）的信号强度被特别地“形成”，使得指向UE的辐射能量比不指向UE的其他部分更猛烈。

波束赋形也可以看作是一个空间的高级过滤器，把天线辐射的能量集中起来。这一特殊功能形成特定的波束并通过波束进行数据传输。光束的形状和方向取决于使用哪种功能。这种特殊功能通常称为波束赋形或空间滤镜。应用相同的映射功能或空间滤镜意味着它会形成相同的光束（即，相同的方向，相同的形状，相同的光束功率）。如下图所示：

No.2 如何“形成”光束？

形成波束的最简单方法是将多个天线排列成阵列。对齐这些天线天线元件的方法有很多，但是最简单的方法之一就是沿一条线对齐天线，如以下示例所示。您应该在这里看到的直观想法是，在阵列中放置更多天线元件时，您将获得更清晰的波束。
注意：此示例图是由Matlab PhaseArrayAntenna工具箱创建的

将元素排列在数组中的另一种方法是将元素排列在二维正方形中，如以下示例所示。您应该在这里看到的直观想法是，在阵列中放置更多天线元件时，您将获得更清晰的波束。

现在让我们考虑另一种二维数组，其中数组的形状不是正方形，如下所示。您可以得到的直觉是，光束沿更多元素的轴压缩得更多。

No.3 波束成形技术

有几种不同的方法可以实现波束成形。

开关阵列天线：这是一种通过从天线系统的阵列中选择性地打开/关闭天线来改变波束方向图（辐射形式）的技术。

基于DSP的相位处理：这是一种通过改变通过每个天线的信号的相位来改变波束方向图（辐射形式）的技术。使用DSP，您可以不同地更改每个天线端口的信号相位，以形成最适合一个或多个特定UE的特定波束方向图。

通过预编码进行波束成形：这是一种通过应用特定的预编码矩阵来更改波束方向图（辐射形式）的技术。这是LTE中使用的技术。在LTE中，以下传输模式隐式或显式地实现“ BeamForming”。
    TM 6-使用单个传输层的闭环空间复用。
    TM 7-波束成形（天线端口5）
    TM 8-双层波束成形（天线端口7和8）

基本概念：阵列天线

由于BeamForming主要基于阵列天线，因此让我们看一下阵列天线的基本原理。假设我们有一个天线阵列，其中每个天线都以一定距离（d）彼此分开放置。然后，假设阵列中的每个天线都接收到从单个光源发射的多束光束。如果来自单个源的所有射线都直接进入天线（下图中的theta为0），则从源到每个接收天线的每个射线的距离都不会有差异。因此，如果将每个天线接收到的能量相加，则其与每个波的相加和相加。但是，如果射线的方向与天线阵列的轴不成直角（即theta不为0），则每条射线的传播距离（p1，p2，..，p8）会有所不同，并且可以表示为d sin（theta），如下图所示。

现在，让我们用数学表达式描述我上面解释的内容。如果将在第一天线（最左边的天线）处接收到的信号作为参考天线，则在每个天线处接收到的信号可以表示如下。（这就是许多人因为数学而放弃进一步阅读/学习的地步。但是在大多数工程和科学中，在许多情况下，如果没有一定程度的数学就无法完全理解。所以，不要放弃只是因为数学问题...并试图理解每个数学术语的含义当我在解释这种阵列天线时，我首先谈到了行进路径的差异以及天线阵列轴和射向天线的射线之间的角度在数学表达式中，您仍然看到角度项“ theta”，但看不到任何看起来像“行进路径”的直接项。实际上，我们不知道每个光束的确切行进差，因为我们不知道t知道波束源的确切位置，我们唯一知道的是击中每个天线的每个波束之间的传播路径差，该传播路径差可以表示为e ^（-j * n * d * theta），其中n是从leftmos编号为0的天线的索引t天线。请记住，密切关注每个数学表达式，这对您来说很有意义。

可视化此求和过程的另一种方式如下：

现在，我们制定了进入每个天线的信号。现在，让我们来公式化将进入每个天线的所有信号组合在一起的信号。很简单，您只需汇总进入每个天线的所有信号，就可以如下所示。