雷锋网推：本文作者dkl，UCLA博士生，高通(射频组)实习技师，矽说)微信号(silicon_talks )主笔。

以前的文章(《如何实现比4G快十倍？毫米波技术是5G的关键》 )介绍了如何利用毫米波技术获得更多的频谱资源。 下一个问题是如何充分利用这些频谱资源——，使多个用户在不相互干扰的情况下进行通信。 术语称为频谱复用。

图片来源： Phoenix

大家一定有这样的经历。 在某个房间人少的时候，手机的电波很好。 如果很多人聚集在房间里，手机的信号就会变差，甚至不能打电话。 这种现象毕竟是频谱复用不够充分，无法分配给所有人所需的频谱资源。

有三种典型的频谱复用方法：即时时分复用(典型应用：中国移动2G )、频分复用)典型应用：中国联通3G )、码分复用)典型应用：中国联通3G )。 可以用一个例子说明时分复用、频分复用、码分复用的不同。 一个房间里很多人必须互相通话，但是为了不互相干扰，可以采用以下方法。

1 )说话的人按顺序交替发言(时分复用)。

2 )说话的人可以同时发言，但是不同的人说话的音调不同(频分复用)。

3 )说话的人用不同的语言交流，只有能够理解同一种语言的人才能相互理解(码分复用)。

当然，这三种方法是相互结合的，例如，不同的人可以依次用不同的语言交流(即中国移动3G的TD-SCDMA )。 但是，这三种典型的复用方式都不能充分利用频谱资源，不能进行多用户同时通信(TDMA )，不能使用频谱资源(FDMA )，为了传输1比特数据) CDMA )

那么，有什么方法可以克服以上复用方式的缺点，使多个用户同时使用全频谱通信吗？ 首先，考虑一下在一个房间里大家同时用同样的音调用同样的语言说话会怎么样。

很明显，在这种情况下会发生相互干扰。 这是因为信号向四面八方传播，一个人能听到多人说话的声音，无法有效地通信。 但是，如果我们让所有说话者使用传声筒，让声音只向特定的方向传播，就不会互相干涉。

在无线通信中，还可以设计成在特定方向上传播电磁波，使得不同空间方向的用户能够同时使用全部频谱资源而不中断地进行通信。 也就是说，空分复用(SDMA )。 SDMA还有另一个很大的优点。 也就是说，可以减少信号能量的浪费。 当无线电信号在空间中向所有方向辐射时，只有很少的信号能量被接收器接收并变为有用的信号。 大部分信号没有被相应的接收机接收到，辐射到其他接收机成为干扰信号。

使用SDMA，信号能量集中在特定方向上，从而降低对其他接收器的干扰。 另一方面，信号能量的浪费也减少了。

在5G通信中，SDMA使用大规模MIMO (massive multiple-input multiple-output )、在发送侧和接收侧分别使用大规模的发送天线和接收天线阵列，通过发送侧和接收侧的大规模的天线阵列发送接收信号

通过波束成形，许多合作伙伴可以同时在同一个地方使用手机上网，无需担心信号干扰的问题。

什么是波束？

“波束”这个词看起来有点陌生，但“光束”一定大家都很熟悉。 如果一束光的方向相同，它就会像手电筒发出的光一样。 相反，如果光向四面八方辐射，就像来自灯泡的光一样，无法形成光束。 就像波束一样，如果所有波的传播方向一致，就会形成波束。

生活中的横梁、横梁也是横梁的一种

工程师利用横梁有相当长的历史。 二战期间，工程师将波束用于雷达，雷达通过扫描波束方向检测出整个空间所有目标的位置。

另一个例子是卫星通信，即我们生活中经常用于卫星电视的“锅盖天线”。 由于卫星和地面接收天线的距离非常远，信号衰减非常大，所以卫星信号到达地面时的能量非常小。 因此，有必要设法接收来自卫星的所有信号能量。 如果卫星的信号向空间的所有方向发射，则大部分能量将不会被地面天线接收，而是被浪费。 为了避免这种浪费，在接收和发送卫星信号时使用波束。 这样，所发送的电磁波信号都集中在一个方向上，如果接收天线被朝向该方向，则可以接收尽可能多的信号。

波束的传统应用是雷达(左)和卫星通信)右)

如何实现波束成形

光束的实现很简单，只需要用不透明的材料遮挡其他方向的光。 因为可见光几乎沿着直线传播

，衍射能力很弱。然而，在无线通讯系统中，信号以衍射能力很强的电磁波的形式存在，所以无法使用生成光束的方法来实现波束成型，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（即瞄准一个方向辐射，类似手电筒）。

然而，此类天线往往体积较大，很难安装到移动终端上（想象一下iPhone上安了一个锅盖天线会是什么样子）。另外，波束成形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，实用的波束成形方案使用的是智能天线阵列。

普通天线（方向性弱）和智能天线阵列（方向性强）

智能天线阵列原理并不复杂。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）。

在波束成形中，我们有许多个波源（即天线阵列），通过仔细控制波源发射的波之间的相对延时和幅度我们可以做到电磁波辐射的能量都集中在一个方向上（即接收机所在的位置），而在其他地方电磁波辐射能量很小（即减少了对其他接收机的干扰）。

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。

波束成型系统架构

波束成形与毫米波是天作之合

目前波束成形已经被使用在带有多天线的WiFi路由器中。然而，手机上不可能像路由器一样安装WiFi频段的多根天线，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，我们可以把波束成形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成形。波束成形和毫米波技术可谓是天作之合，使用毫米波可以给信号传输带来更大的带宽，波束成形则能解决频谱利用问题，使得5G通讯如虎添翼。

毫米波天线阵列体积很小，可以安装到手机上

结语

波束成形可以使信号的能量集中在接收端所在的方向，从而改善频谱利用效率。波束成形配合毫米波技术可以让通讯系统拥有高带宽并且支持大量用户同时通讯，从而使5G系统如虎添翼。

5G通信技术系列文章：

《5G通信技术解读｜如何实现比4G快十倍？毫米波技术是5G的关键》

《5G通信技术解读｜大规模天线阵列技术》