5G(NR)与波束赋形(Beamforming).docx

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1、5G(NR)与波束赋形(BeamfOrming)#5G#波束斌形波束赋形技术在4G(1TE)网络中已被广泛应用,其主要用于提高网络小区性能。波束斌形对于5G(NR)蜂窝通信中更加重要,它可以帮助在更高频率范围(如厘米波和毫米波中)部署5G网络;因为在这些频率范围内要实现完整的小区覆盖，必须补偿高频信号的高路径损耗。5G(NR)网络中动态波束控制也非常重要;终端设备(UE)由于移动,其他物体(如汽车甚至人体)都会阻挡无线电波的传播影响信号传输。下面这些例子都会影响无线通信：固定无线接入场景中,家庭客户端设备(CPE)连接到室外5G基站(BS)。在这种场景下波束扫描可确定使用的最佳波束。道路上行驶

2、的车辆连接网络时,波束(BF)也需要动态变换(或切换)。波束赋形对波束赋形(Beamforming)支持是5G(NR)无线网络一项基本能力,这将影响物理层和更高层资源分配和使用；这是由于无线网络基于两个基本物理资源:同步(SS/PBCH)块和信道状态信息参考信号(CSI-RS)O波束赋形(BF)基本原理是在天线阵列中使用大量天线(振子)；每个天线都可以通过移相器和衰减器进行控制；天线(振子)长度通常是无线信号波长的一半，通过调整每个天线相位以控制波束发射方向。优化后在上行(U1)中发送相同的方向上发送(下行)波束，这意味着天线及其控制逻辑必须能够测量信号的“到达角”。如果信号来自天线前方某一方

3、向,则所有元件将同时接收到信号的相位前沿。如果角度为45度,天线将接收到信号的相位前随时间扩展。通过测量到达相位前沿与天线之间的时间延迟,可以计算到达角。为在同一方向发送信号，发送信号相位前沿应该以相同的时间扩展发送。相移可以在数字域或模拟域中完成。2antennaAttenuator二一和老朗一起宇5GPhaseshifter5G(NR)网络中波束赋形(BF)不仅在水平方向，而且在垂直方向上能够引导波束,这也被称为3DMIMOo为了能够做到这一点天线需要放在一个正方形中,既均匀方阵(UIIifOrmSquareA1Tay-USA)中。以下是128个交叉极化天线示例：UniformSquare

4、ArrayZX二Xpupqscg设备厂家通常先将天线和无线设备包装载一个非常紧密模块中，然后就可以创建具有集成天线、模数转换器和功率放大器的天线解决方案。天线放置在均匀方阵(UniformSquareAiTay-USA)中,带有32,64或256根天线的交叉极化天线。DAC后面是基带部分以数字形式创建和分析信号,它由多个大容量数字信号处理器(DSP)组成。Examp1ewith32antennae1ementsXExamp1eofMassiveMIMOBasedso1ution如上所述,通过测量到达不同天线单元信号的相位边沿,可以测量信号从哪个方向进入(角度或到达)。为了将无线能量以相同的方向

5、发送回终端(UE),使用了相同的原理,也就是将从天线沿不同方向产生波束。通过使用不同天线组合,可以同时为位于不同方向的不同终端(UE)创建不同的波束。天线后面的功率放大器的数量决定了天线可同时产生多少个波束。例如：8个波束可以用8个功率放大器产生。目前面临的挑战是将放大器装入天线并减少/消除它们产生的热量以及限制它们对彼此造成的干扰。使用矩阵后还可以在水平和垂直方向上改变无线波束方向。在某些情况下它被称为3D波束成形。由于5G(NR)在非常高的频段(FR2)中运行，而这些频段的无线传播特性不佳，因此从基站(BS)创建波束的概念将是5G(NR)网络必要条件。相同原理也可以用在终端(UE)的接收端

6、或gNB接收端。相位阵列可以设置为放大从某个方向到达的信号,这意味着接收器可以在特定方向上聚焦其天线，这也称为接收器侧波束形成。波束管理波束测量:终端(UE)基于每个波束向基站(BS)提供测量报告；波束检测:终端(UE)根据与配置的阈值相关的功率测量结果，确定最佳波束。波束恢复:终端(UE)配置基本信息以在连接丢失情况下波束恢复。波束扫描:在基站(BS)侧使用多个波束覆盖一个地理区域并以预先指定间隔进行扫描。波束切换:终端(UE)在不同波束之间切换以支持移动场景。波束赋形类型如下图所示(下图左:模拟波束赋形；下图右:数字波束赋形)模拟波束赋形(AnaIogBF):在这种场景中基带信号首先进行调

7、制和放大；之后在可用数量的天线之间分配。每个RF链都有能力分别更改幅度和相位。射频(RF)路径中的模拟波束斌形简单且使用最少的硬件,使其成为构建波束赋形(BF)阵列的最具成本效益的方式。缺点是系统只能处理一个数据流并产生一个信号束。波束必须是时分复用的，并且指向不同方向的波束在时间上是分开的。数字波束赋形(Digita1BF)：在此实现中对已经在基带中生成了多个数字流，并且和以前一样,每个数字流都单独修改了相位和幅度以生成所需的波束。因此可以在馈送阵列元素之前创建和叠加多个集合。这种机制使一个天线能够生成多个波束，每个波束都有自己的信号并为多个用户提供服务。数字波束赋形优势相移是在数模转换之前

8、完成。通过修改信号的数字表示可以在DSP中对信号进行波束赋形修改。这是5G中较低频率的首选方法，因其优点是每个天线的相位和幅度可以单独控制，具有很高的灵活性。如果每个天线都可以控制，那么天线可以同时创建的波束数量就可以实现完全的灵活性。数字波束斌形(BF)似乎是实现空间复用的最明显方式，因为相同信号可以从所有天线发送到特定用户，每个天线的相位/幅度可能会发生变化或者每个副载波的相位/幅度可能会发生变化。这对于基站(BS)和用户之间没有直接视线的情况尤其重要。混合波束赋形(HybridBF):此方法实现结合了上述两种方法。有限数量的数字流馈送多个模拟波束成形器，而每个都连接到天线阵列中总元件的子集，这在实现复杂性、成本和灵活性之间提供了折衷。Roffitna1ogA-jAOCkAogDeamionnvng(abjHybridbeamforming(HBF)Ant1WvJ!AntM工和老前一起学5G.todigita1Digita1beamfxmtng(OBF)就居声abfNTRXMantennasDifferencebetweenAna1og,HybridandDigita1Beamforming