解析5G背后的核心技术:波束成形

ittbank 2019-03-18 17:46

虚拟现实、无人机、自动驾驶,在这些炫酷的热门技术背后,都能看到5G移动通信系统的身影。今年春季,3GPP组织将5G部分空口标准化工作由研究阶段转入工作阶段。这意味着,经过多年的热切期盼,传说中的5G这次真的要来了!

5G基站可以支持大规模天线阵列,可配置的天线数量甚至可以达到1024根。要充分发挥这些大规模天线阵列的潜力,5G的波束成形技术(Beamforming)绝对必不可少!今天我们就带大家一起,靠近这双助力5G通信腾飞的翅膀。

波束成形技术原理

在空间传播过程中,无线信号的质量会出现衰减。这种被称之为“路损”(path-loss)的衰减现象会对通信系统产生巨大的影响。特别是对于毫米波段的5G通信系统,高达几十dB的信号衰减可能会导致系统无法正常工作。在这种情况下,波束成形技术就可以大显身手,有效对抗路损。

研究人员在很久之前就已发现:多天线通信可以提高无线信号的传输质量。无线信号在空间传播如同船在水中行驶,路损就相当于水对船产生的阻力;天线以一定功率发送无线信号,如同船桨克服水阻推动船前行。

5G 系统采用beamforming技术

传统基站的天线数目少,无线信号传输质量就有限。这一点与独排或双桨的行船方式类似,由于桨少、人少、力量小而导致行船速度缓慢。5G基站则采用了大规模天线阵列,果断将独排和双桨升级到龙舟,桨多人多,力量爆棚! 波束成形技术通过调节各天线的相位使信号进行有效叠加,产生更强的信号增益来克服路损,从而为5G无线信号的传输质量提供了强有力的保障。如同龙首的鼓点引导龙舟众多桨片密切配合,使得龙舟竞速,船行如箭,是不是猴塞雷?!

Beamforming技术产生指向性波束

有趣的是,波束成形技术会对无线信号的能量产生聚焦,形成一个指向性波束(Beam)。通常波束越窄,信号增益越大。但副作用是,一旦波束的指向偏离用户,用户反而接收不到高质量的无线信号,可谓是差之毫厘,谬以千里!因此,如何将波束快速对准用户便成为5G标准中波束管理(Beam Management)技术的主要内容

5G的波束管理技术

结合刚刚出炉的5G标准在研究阶段的成果,以及移动通信的下行过程(Downlink,即基站到用户的无线传输) ,我们来看一下波束管理的基本技术原理。

波束管理技术原理

采用波束成形技术之后,5G基站必须使用多个不同指向的波束才能完全覆盖小区。如上图所示,基站使用了8个波束覆盖其服务的小区。在下行过程中,基站依次使用不同指向的波束发射无线信号,该过程被称作波束扫描(Beam sweeping);与此同时,用户测量不同波束发射出的无线信号(Beam measurement),并向基站报告相关信息(Beam reporting);基站根据用户报告确定对准该用户的最佳发射波束(Beam determination)。

更为复杂的是,用户也有天线阵列。这意味着,我们在波束对准的过程中既要考虑发射波束,也要考虑接收波束。为此,5G标准允许用户对发射波束变换不同的接收波束,并从中选择最佳接收波束,由此产生一对最佳发射—接收波束。上图中用户1和2所对应的最佳波束对分别为(t4,r3)和(t6,r2)。

此时,大家可能会觉得波束管理过程十分简单,但事实并非如此。实际上,为保证最终得到足够的信号增益,大规模天线阵列所产生的波束通常需要变得很窄。付出的代价是,基站需要使用大量的窄波束才能保证小区内任意方向上的用户都能得到有效覆盖。在此情况下,遍历扫描全部窄波束来寻找最佳发射波束的策略显得费时费力,与5G所期望的用户体验不符。为快速对准波束,5G标准采取了分级扫描的策略,即由宽到窄扫描。

波束管理的分级扫描过程

第一阶段为粗扫描,基站使用少量的宽波束覆盖整个小区,并依次扫描各宽波束对准的方向。如上图所示,基站在此阶段使用了宽波束tA和tB,且只为用户对准宽波束,对准方向精度不高,所建立的无线通信连接质量亦比较有限。

第二阶段为细扫描,基站利用多个窄波束逐一扫描已在第一阶段中被宽波束覆盖的方向。对单个用户而言,尽管此时的扫描波束变窄,但所需扫描的范围却已缩小,扫描次数便相应减少。如上图所示,在第一阶段宽波束对准的基础上,基站只需继续细化扫描与各用户有关的4个窄波束,比如为用户1扫描波束t1-t4, 为用户2扫描波束t5-t8。此时,基站改善了对准每个用户的波束方向的精度,所建立的无线通信连接质量得到提高。因此,在图示的两级波束管理过程中,基站只需为每位用户扫描6次,而无需对全部8个窄波束都进行扫描。

波束估计算法辅助的波束管理过程

此外,波束管理过程可以通过波束估计算法得到进一步优化。以上图为例,基站使用4个适中宽度的波束扫描整个小区。如果用户1正好处于波束t2与t3之间,根据传统方法,基站为了提高波束对准精度需要进一步细化扫描用户1的方向。为此,英特尔中国研究院开发了有效的波束估计算法:基站可以结合用户报告信息进一步估计用户的最佳波束方向,提高现有波束扫描结果的精度并修正波束方向,从而减少或避免进一步细化扫描。借助波束估计算法,基站可能只需要扫描4次适中宽度的波束就可以实现之前两级扫描6次不同宽度波束所达到的效果,从而实现快速波束管理。

最后,考虑到用户可能处于移动状态,为了更好地跟踪用户(Beam tracking),分级扫描可以根据每个用户的需要随时展开,不断切换最佳波束,最佳波束会随着用户的位置而发生变化,为用户提供无缝覆盖,保证通信不中断、不掉线。

波束管理大大提升了波束对准的精度,让无线通信连接的质量有了保证,5G的通信速度可以开始尽情腾飞!

来源:雷峰网


ittbank 让电子库存因技术而改变的ITT模式电商平台。引领和适应市场,以共享经济理念的创客及工程师为核心、以免费开放用户生成的数据为基础,为其提供高性价比的应用解决方案和及时精准的供求信息,快速提高产品开发周期和生产直通率、提升电子器件的应用附加值。
评论
  • 一、SAE J1939协议概述SAE J1939协议是由美国汽车工程师协会(SAE,Society of Automotive Engineers)定义的一种用于重型车辆和工业设备中的通信协议,主要应用于车辆和设备之间的实时数据交换。J1939基于CAN(Controller Area Network)总线技术,使用29bit的扩展标识符和扩展数据帧,CAN通信速率为250Kbps,用于车载电子控制单元(ECU)之间的通信和控制。小北同学在之前也对J1939协议做过扫盲科普【科普系列】SAE J
    北汇信息 2024-12-11 15:45 74浏览
  • 智能汽车可替换LED前照灯控制运行的原理涉及多个方面,包括自适应前照灯系统(AFS)的工作原理、传感器的应用、步进电机的控制以及模糊控制策略等。当下时代的智能汽车灯光控制系统通过车载网关控制单元集中控制,表现特殊点的有特斯拉,仅通过前车身控制器,整个系统就包括了灯光旋转开关、车灯变光开关、左LED前照灯总成、右LED前照灯总成、转向柱电子控制单元、CAN数据总线接口、组合仪表控制单元、车载网关控制单元等器件。变光开关、转向开关和辅助操作系统一般连为一体,开关之间通过内部线束和转向柱装置连接为多,
    lauguo2013 2024-12-10 15:53 81浏览
  • 时源芯微——RE超标整机定位与解决详细流程一、 初步测量与问题确认使用专业的电磁辐射测量设备,对整机的辐射发射进行精确测量。确认是否存在RE超标问题,并记录超标频段和幅度。二、电缆检查与处理若存在信号电缆:步骤一:拔掉所有信号电缆,仅保留电源线,再次测量整机的辐射发射。若测量合格:判定问题出在信号电缆上,可能是电缆的共模电流导致。逐一连接信号电缆,每次连接后测量,定位具体哪根电缆或接口导致超标。对问题电缆进行处理,如加共模扼流圈、滤波器,或优化电缆布局和屏蔽。重新连接所有电缆,再次测量
    时源芯微 2024-12-11 17:11 70浏览
  • 【萤火工场CEM5826-M11测评】OLED显示雷达数据本文结合之前关于串口打印雷达监测数据的研究,进一步扩展至 OLED 屏幕显示。该项目整体分为两部分: 一、框架显示; 二、数据采集与填充显示。为了减小 MCU 负担,采用 局部刷新 的方案。1. 显示框架所需库函数 Wire.h 、Adafruit_GFX.h 、Adafruit_SSD1306.h . 代码#include #include #include #include "logo_128x64.h"#include "logo_
    无垠的广袤 2024-12-10 14:03 69浏览
  • 肖特基具有很多的应用场景, 可以做同步整流,防止电流倒灌和电源反接等,但是随着电源电流的增大,肖特基导通正向压降0.3~0.7v的劣势也越发明显,产生了很多的热,对于工程师的散热设计是个考验,增加了工程师的设计难度和产品成本,目前一种新的理想二极管及其控制器,目前正在得到越来越广泛的应用- BMS,无人机,PLC,安防,家电,电动工具,汽车等都在快速普及理想二极管有三种架构,内置电荷泵的类似无锡明芯微MX5050T这种,驱动能力会弱点,静态功耗200uA,外置电荷泵MX74700T的这种驱动能力
    王萌 2024-12-10 08:51 85浏览
  • 本文介绍Linux系统(Ubuntu/Debian通用)挂载exfat格式U盘的方法,触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。修改对应的内核配置文件# 进入sdk目录cdrk3562_linux# 编辑内核配置文件vi./kernel-5.10/arch/arm64/configs/rockchip_linux_defconfig注:不清楚内核使用哪个defc
    Industio_触觉智能 2024-12-10 09:44 92浏览
  •         霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种,这一现象是霍尔(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应,而半导体的霍尔效应比金属强得多,利用这现象制成的各种霍尔元件,广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数,能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子
    锦正茂科技 2024-12-10 11:07 64浏览
  • 习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习笔记&记录学习习笔记&记学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记
    youyeye 2024-12-10 16:13 105浏览
  • 近日,搭载紫光展锐W517芯片平台的INMO GO2由影目科技正式推出。作为全球首款专为商务场景设计的智能翻译眼镜,INMO GO2 以“快、准、稳”三大核心优势,突破传统翻译产品局限,为全球商务人士带来高效、自然、稳定的跨语言交流体验。 INMO GO2内置的W517芯片,是紫光展锐4G旗舰级智能穿戴平台,采用四核处理器,具有高性能、低功耗的优势,内置超微高集成技术,采用先进工艺,计算能力相比同档位竞品提升4倍,强大的性能提供更加多样化的应用场景。【视频见P盘链接】 依托“
    紫光展锐 2024-12-11 11:50 47浏览
  • RK3506 是瑞芯微推出的MPU产品,芯片制程为22nm,定位于轻量级、低成本解决方案。该MPU具有低功耗、外设接口丰富、实时性高的特点,适合用多种工商业场景。本文将基于RK3506的设计特点,为大家分析其应用场景。RK3506核心板主要分为三个型号,各型号间的区别如下图:​图 1  RK3506核心板处理器型号场景1:显示HMIRK3506核心板显示接口支持RGB、MIPI、QSPI输出,且支持2D图形加速,轻松运行QT、LVGL等GUI,最快3S内开
    万象奥科 2024-12-11 15:42 66浏览
  • 概述 通过前面的研究学习,已经可以在CycloneVGX器件中成功实现完整的TDC(或者说完整的TDL,即延时线),测试结果也比较满足,解决了超大BIN尺寸以及大量0尺寸BIN的问题,但是还是存在一些之前系列器件还未遇到的问题,这些问题将在本文中进行详细描述介绍。 在五代Cyclone器件内部系统时钟受限的情况下,意味着大量逻辑资源将被浪费在于实现较大长度的TDL上面。是否可以找到方法可以对此前TDL的长度进行优化呢?本文还将探讨这个问题。TDC前段BIN颗粒堵塞问题分析 将延时链在逻辑中实现后
    coyoo 2024-12-10 13:28 101浏览
  • 全球知名半导体制造商ROHM Co., Ltd.(以下简称“罗姆”)宣布与Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited(以下简称“台积公司”)就车载氮化镓功率器件的开发和量产事宜建立战略合作伙伴关系。通过该合作关系,双方将致力于将罗姆的氮化镓器件开发技术与台积公司业界先进的GaN-on-Silicon工艺技术优势结合起来,满足市场对高耐压和高频特性优异的功率元器件日益增长的需求。氮化镓功率器件目前主要被用于AC适配器和服务器电源等消费电子和
    电子资讯报 2024-12-10 17:09 84浏览
  • 我的一台很多年前人家不要了的九十年代SONY台式组合音响,接手时只有CD功能不行了,因为不需要,也就没修,只使用收音机、磁带机和外接信号功能就够了。最近五年在外地,就断电闲置,没使用了。今年9月回到家里,就一个劲儿地忙着收拾家当,忙了一个多月,太多事啦!修了电气,清理了闲置不用了的电器和电子,就是一个劲儿地扔扔扔!几十年的“工匠式”收留收藏,只能断舍离,拆解不过来的了。一天,忽然感觉室内有股臭味,用鼻子的嗅觉功能朝着臭味重的方向寻找,觉得应该就是这台组合音响?怎么会呢?这无机物的东西不会腐臭吧?
    自做自受 2024-12-10 16:34 136浏览
  • 天问Block和Mixly是两个不同的编程工具,分别在单片机开发和教育编程领域有各自的应用。以下是对它们的详细比较: 基本定义 天问Block:天问Block是一个基于区块链技术的数字身份验证和数据交换平台。它的目标是为用户提供一个安全、去中心化、可信任的数字身份验证和数据交换解决方案。 Mixly:Mixly是一款由北京师范大学教育学部创客教育实验室开发的图形化编程软件,旨在为初学者提供一个易于学习和使用的Arduino编程环境。 主要功能 天问Block:支持STC全系列8位单片机,32位
    丙丁先生 2024-12-11 13:15 49浏览
  •         在有电流流过的导线周围会感生出磁场,再用霍尔器件检测由电流感生的磁场,即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此就可以构成霍尔电流、电压传感器。因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例,是一个具有乘法器功能的器件,并且可与各种逻辑电路直接接口,还可以直接驱动各种性质的负载。因为霍尔器件的应用原理简单,信号处理方便,器件本身又具有一系列的du特优点,所以在变频器中也发挥了非常重要的作用。  &nb
    锦正茂科技 2024-12-10 12:57 76浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦