5G NR学习笔记——模拟式波束赋形

donnar

今天谈谈对5G NR新引入的模拟式波束赋形技术的学习体会，错误之处敬请各位高手指点。

5G NR由于使用了毫米波频段，相比4G而言，载波频率提高了。载波频率的提高一方面显著加大了无线信号的传播损耗，减少了天线的覆盖面积，另一方面也减小了天线单元的物理尺寸，使得在相同的物理空间里能够安装更多的天线单元，从而可以使用天线阵列、波束赋形等技术加大无线信号的覆盖范围，补偿路径损耗。

在4G LTE系统中，波束赋形已经作为一个重要的功能被广泛应用。由于4G LTE载波频率相对较低，天线单元数量较少，使用数字式波束赋形技术（Digital Beamforming）能够充分发挥其优势，同时基本不受其缺点的影响。而在5G NR系统中，由于天线单元数量的急剧增加，数字式波束赋形技术的缺点越来越明显，因此不得不转向模拟式波束赋形。

数字式波束赋形和模拟式波束赋形的区别在哪里呢？要知道，在空中传播的高频无线信号，基本上都是模拟信号，而在基站或者终端内部的器件处理的都是数字信号，因此在信号发射端一定有数模转换器（DAC），而在接收端一定有模数转换器（ADC）。数字式波束赋形和模拟式波束赋形的区别在于，前者是在发射端DAC之前完成波束赋形的信号处理，即处理的是数字信号，后者是在发射端DAC之后完成波束赋形的信号处理，即处理的是模拟信号；或者说前者是在接收端ADC之后完成波束赋形的信号处理，即处理的是数字信号，后者是在接收端DAC之前完成波束赋形的信号处理，即处理的是模拟信号。

为什么5G NR开始使用模拟式波束赋形呢？因为5G NR的天线数量实在太多了。如果还是使用数字式波束赋形，那么每个天线单元上都必须有一个DAC（发生端）或者ADC（接收端）。如果有100个天线单元，那么就要有100个DAC（发生端）或者ADC（接收端）；这就让天线变得非常臃肿复杂，功耗也增加。如果使用模拟式波束赋形，由于多路信号其实是对一个输入信号的相位或者振幅调整，只需要在波束赋形处理矩阵之前有1个DAC（发生端）或者ADC（接收端）即可，因此硬件设计非常的简单。

当然数字式波束赋形也有其不可替代的优点。数字式波束赋形可以并行处理多路（比如100路）信号，可以并行获得很多路不同的输出信号，可以同时测量来自不同方向的信号。这些都是模拟式波束赋形做不到的，因为数字信号可以被完美地复制，而模拟信号做不到。这也是4G LTE使用数字式波束赋形的原因，而5G NR也没有放弃它，而是与模拟式波束赋形一起使用。