波束赋形与5G毫米波应用
我们说一项技术的起源与发展，源头必然是实际需求，大千世界，概莫能外。说到通讯，从1G的模拟调制，2G的数字调制，3G的宽带引入，4G的高速数据业务带来的移动互联网的发展，还是近期火热的5G通讯，遵循的技术趋势都是带宽越来越大（200K—>100MHz），调制越来越高阶(GMSK-->256QAM)，天线越来越多，尺寸越来越小，且越来越智能。今天要讲到的波束赋形要从一个经典的通讯故事：
一群人在一间房子里开会，每个人都想发言，结果房间里声音嘈杂一片，谁都听不清别人说的话，这个时候迫切需要有人出来整理局面，当然这个人不是一个人，而是一个组织，这个组织叫国际电信联盟，后面参加的人越来越多，各自都提出自己的解决方案，组织改名叫3GPP，后面升级为3GPP2。为了保证房间里绝大多数的人都有发言和倾听权，这个组织提出来以下建议：
1， 分时发言；按照事先约定好的顺序，每个人在固定的时间段发言，发言的时候其他人都听着，一段时间只有一个声音，只要声音够大，每个人都能听得见，这个叫时分复用或者时分多址；
2， 允许多人同时讲话，但需要控制音调，比如有人学小孩子，有人学成年人，有人学女人，总之，能明显听得出来是不同的声音，这个叫频分复用或者频分多址；
3， 不同的谈话组之间用不同的语言，普通话、山东话、河南话、东北话、四川话、法语、英语、德语，只要有两个以上的老乡就可以对话了。这样两个山东人就可以顺利交流，这种只有自己人听得懂的分语言交流的方式叫码分复用也叫码分多址。
但即使按照不同的时间段，不同的音调，不同的语言来保证讲话都能听得到，在人越来越多的情况下，依然会觉得非常吵，完全听不听对方讲话的内容，于是乎，大点声成了自然而然的选择；可是大声讲话太累，而且每个人都大声讲的情况下，只会让环境更加嘈杂，更无法交流沟通了。声音会向着四面八方传播，有线通信系统中人人都用传声筒，让声音只在特定对象之间传播，这样就可以多个人同时用同音调同语言说话但是不会互相干扰。在无线通讯中，也可以设法使电磁波按特定方向传播，从而在不同空间方向的用户可以同时使用全部频谱资源不间断地进行通讯，也即空分复用(space-division multiple access，SDMA)。SDMA还有另一重好处，即可以减少信号能量的浪费。当无线信号在空间中向全方向辐射时，只有一小部分信号能量被接收机收到成为有用信号。大部分信号并没有被相应的接收机收到，而是辐射到了其它的接收机成为了干扰信号。当使用SDMA时，信号能量集中在特定的方向，一方面减少了对其它接收机的干扰，一方面也减小了信号能量的浪费。在5G通讯中，SDMA是大规模MIMO(massive Multiple-Input Multiple-Output，指在发射端和接收端分别使用大规模发射天线和接收天线阵列，使信号通过发射端与接收端的大规模天线阵列传送和接收，从而改善通信质量。而将无线信号（电磁波）只按特定方向传播的技术叫做波束赋形(Beamforming)。
什么是波束？
“波束”这个词看上去有些陌生，但是“光束”大家一定都很熟悉。当一束光的方向都相同时，就成了光束，类似手电筒发出的光。反之，如果光向四面八方辐射（如电灯泡发出的光），则不能形成光束。和光束一样，当所有波的传播方向都一致时，即形成了波束。
光束
工程师利用波束已经有相当久的历史。在二战中，工程师已经将波束利用在雷达中。雷达通过波束的反射时间来计算波束方向物体的距离，并通过扫描波束方向来探测整个空间中所有目标的位置。如果雷达不使用波束而使用全方向辐射的电磁波，则雷达将无法确定空间物体的具体位置。另一个例子是卫星通讯，也即我们生活中常见的“锅盖天线”。卫星通讯使用波束的目的是为了补偿信道的衰减。卫星和地面接收天线的距离非常远，信道衰减非常大，于是卫星信号到达地面时能量已经非常小，甚至比热噪声还要低。因此，我们需要想方设法收取卫星发出的每一点信号能量。当卫星的信号向空间全方向辐射时，绝大多数能量并没有被地面天线接收到，而是被浪费了。为了避免这种浪费，我们在接收和发射卫星信号时，都会使用波束。这样，发射的电磁波信号都集中在一个方向上，只要接收天线能对准这个方向，就可以接收到每一点信号。
如何实现波束赋型
光束的实现很简单，只要用反光材料把其它方向挡住即可。这是因为可见光波长极短，近似沿直线传播，衍射能力很弱。但无线通讯系统中，信号以衍射能力很强的电磁波的形式存在。由于无线通讯使用的电磁波衍射能力很强，所以无法使用生成光束的方法来实现波束赋型，而必须使用其他方法。
无线通讯电磁波的信号能量在发射机由天线辐射进入空气，并在接收端由天线接收。因此，电磁波的辐射方向由天线的特性决定。天线的方向特性可以由辐射方向图（即天线发射的信号在空间不同方向的幅度）来描述。普通的天线的辐射方向图方向性很弱（即每个方向的辐射强度都差不多，类似电灯泡），而最基本的形成波束的方法则是使用辐射方向性很强的天线。然而，此类天线往往体积较大，很难安装到移动终端上，比如卫星天线，雷达天线等。另外，波束赋型需要可以随着接收端和发射端之间的相对位置而改变波束的方向。传统使用单一天线形成波束的方法需要机械转动天线才能改变波束的方向，而这在手机上显然不可能。因此，实用的波束赋型方案使用的是智能天线阵列。
智能天线阵列原理并不复杂，主要涉及的知识范围是高中物理教的波的干涉。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（如下图）。
水波干涉
波峰与波峰叠加信号加强，波峰与波谷叠加信号减弱
在波束赋型中，我们有许多个波源（即天线阵列），通过仔细控制波源发射／接收的波之间的相对相位和幅度我们可以做到电磁波辐射／接收增益都集中在一个方向上（即接收机／发射机所在的位置），而在其他地方电磁波辐射／接收增益都很小（即减少了对其他接收机的干扰／减小了被其他发射机干扰的机会）。我们以接收天线阵列为例。对于沿我们想要方向传播的电磁波，波前到达天线阵列中每个天线的时间（相位）均有所不同。对于每一个天线，我们都加入一个特定的相位延迟用来补偿波前到达天线相位的区别，因此在经过该相位延迟后，我们就把每个天线收到的信号在相位上对齐了，从而不同天线接收到的有用信号在经过加和后会幅度变得很大。另一方面，当沿其它方向传播的干扰信号到达天线阵列时，每个天线对应的延迟与信号到达天线的时间差并不符合，因此在加和后幅度并不会变大。这样，天线阵列就可以通过多个普通天线配合特定的延迟来等效实现具有方向性的天线。根据天线的互易性原理，相同的架构也可以用在发射天线阵列里去等效一个高方向性的天线。此外天线辐射的方向可以通过改变波源之间的相对延时和幅度来实现，可以轻松跟踪发射端和接收端之间相对位置的改变。
特定方向的基站发送过来的波延时不一样处理
波束赋型与毫米波是天生一对
波束赋型在4G基站上已经有应用，在带有多天线的高端WiFi路由器中也可以看得到。然而，手机上不可能像路由器和基站一样安装多根天线，因为天线尺寸太大了。天线的尺寸是由电磁波信号的波长决定的，WiFi和当前手机频段的电磁波波长可达十几厘米，因此很难将如此大的天线集成在手机上。为了解决这个问题，我们可以把波束赋型和毫米波技术结合在一起。毫米波波段的波长大约是WiFi和手机频段波长的十分之一左右，因此可以把多个毫米波天线集成到手机上，实现毫米波频段的波束赋型。波束赋型和毫米波技术可谓是天作之合，使用毫米波（往往频率在28GHz以上）可以给信号传输带来更大的带宽（可达1GHz），波束赋型则能解决频谱利用和能源效率问题。毫米波天线阵列体积很小，可以安装到手机上
结语
波束赋型是空口复用的概念，避免无谓的广播室发射，可以使信号的能量集中在接收端所在的方向，改善频谱利用效率。波束赋型配合毫米波技术可以让通讯系统在拥有高带宽的同时支持大量用户同时通讯，减少基站投入，从而使5G如虎添翼。
毫米波天线尺寸小，可以以阵列的形式安装在手机上