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5G通信技术解读:波束成形如何为5G添翼?

  • 产品时间:2022-03-25 01:07
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简要描述:大家一定有过这样的经验,在一间房间里当人不多时,手机信号很好;当许多人挤满到房间里的时候,手机信号就不会变差,甚至没有办法打电话。这种现象归根到底就是频谱适配做到得过于好,无法给所有人分配必须的频谱资源。 有三种经典的频谱适配方法:即时分复用(典型应用于:中国移动2G)、频分适配(典型应用于:中国联通3G)和码分适配(典型应用于:中国联通3G)。 可以用一个例子来解释时分复用、频分适配和码分适配的区别。...

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本文摘要:大家一定有过这样的经验,在一间房间里当人不多时,手机信号很好;当许多人挤满到房间里的时候,手机信号就不会变差,甚至没有办法打电话。这种现象归根到底就是频谱适配做到得过于好,无法给所有人分配必须的频谱资源。 有三种经典的频谱适配方法:即时分复用(典型应用于:中国移动2G)、频分适配(典型应用于:中国联通3G)和码分适配(典型应用于:中国联通3G)。 可以用一个例子来解释时分复用、频分适配和码分适配的区别。

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大家一定有过这样的经验,在一间房间里当人不多时,手机信号很好;当许多人挤满到房间里的时候,手机信号就不会变差,甚至没有办法打电话。这种现象归根到底就是频谱适配做到得过于好,无法给所有人分配必须的频谱资源。  有三种经典的频谱适配方法:即时分复用(典型应用于:中国移动2G)、频分适配(典型应用于:中国联通3G)和码分适配(典型应用于:中国联通3G)。

可以用一个例子来解释时分复用、频分适配和码分适配的区别。在一个屋子里有许多人要彼此展开通话,为了防止互相阻碍,可以使用以下方法:  1)讲话的人按照顺序轮流展开讲话(时分复用)。

  2)讲话的人可以同时讲话,但每个人说出的音调有所不同(频分适配)。  3)讲话的人使用有所不同的语言展开交流,只有懂同一种语言的人才需要相互理解(码分适配)。  当然,这三种方法互相融合,比如有所不同的人可以按照顺序用有所不同的语言交流(即中国移动3G的TD-SCDMA)。

然而,这三种经典的适配方式都无法充分利用频谱资源,它们要么无法多用户同时间通讯(TDMA),要么无法用于全部频谱资源(FDMA),要么必须多比特码元才能传送1比特数据(CDMA)。  那么,是不是一种方法可以解决以上多路方式的缺点,让多个用户同时用于全部频谱通讯呢?让我们再行来思维一下,如果在一个房间里大家同时用同一种音调同一种语言说出不会再次发生什么?  很似乎,在这种情况下不会再次发生相互阻碍。

这是因为信号不会向着四面八方传播,所以一个人会听见多个人说出的声音从而无法有效地通讯。但是,如果我们让每个说出的人都用传声筒,让声音只在特定方向传播,这样之后会相互阻碍了。  在无线通讯中,也可以设法使电磁波按特定方向传播,从而在有所不同空间方向的用户可以同时用于全部频谱资源不间断地展开通讯,也即空分适配(space-divisionmultipleaccess,SDMA)。

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SDMA还有另一重益处,即可以增加信号能量的浪费:当无线信号在空间中向全方向电磁辐射时,只有一小部分信号能量被接收机接到沦为简单信号。大部分信号并没被适当的接收机接到,而是电磁辐射到了其它的接收机沦为了干扰信号。  当用于SDMA时,信号能量集中于在特定的方向,一方面增加了对其它接收机的阻碍;一方面也增大了信号能量的浪费。  在5G通讯中,SDMA是大规模MIMO(massiveMultiple-InputMultiple-Output,所指在升空末端和接收端分别用于大规模升空天线和接管天线阵列,使信号通过升空末端与接收端的大规模天线阵列传输和接管,从而提高通信质量)技术应用于的一个最重要例子,而将无线信号(电磁波)只按特定方向传播的技术叫作波束成形(beamforming)。

  有了波束成形,众多小伙伴就可以同时在同一个地方欢乐地刷手机网际网路而不必担忧信号阻碍的问题。  什么是波束?  “波束”这个词看起来有些陌生,但是“光束”大家一定都很熟知。

当一束光的方向都完全相同时,就出了光束,类似于手电筒收到的光。反之,如果光向四面八方电磁辐射(如电灯泡收到的光),则无法构成光束。和光束一样,当所有波的传播方向都完全一致时,即构成了波束。

  生活中的光束,光束也是波束的一种  工程师利用波束早已有非常幸的历史。在二战中,工程师早已将波束利用在雷达中,雷达通过扫瞄波束方向来观测整个空间中所有目标的方位。  另一个例子是卫星通讯,也即我们生活中少见用作卫星电视的“锅盖天线”。卫星和地面接管天线的距离十分近,信号波动十分大,于是卫星信号抵达地面时能量早已十分小。

因此,我们必须想方设法缴纳卫星收到的每一点信号能量。当卫星的信号向空间全方向电磁辐射时,绝大多数能量并没被地面天线接管到,而是被浪费了。为了防止这种浪费,我们在接管和发射卫星信号时,都会用于波束。

这样,升空的电磁波信号都集中于在一个方向上,只要接管天线能对准这个方向,就可以接管到尽量多的信号。

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