大家一定有過這樣的經驗，在一間房間裏當人不多時
，手機信號很好；dangxuduorenjujidaofangjianlideshihou
，shoujixinhaojiuhuibiancha，shenzhimeibanfadadianhua。zhezhongxianxiangguigendaodijiushipinpufuyongzuodebugouhao

，wufageisuoyourenfenpeibixudepinpuziyuan。

有三種經典的頻譜複用方法：即時分複用（典型應用：中國移動2G）、頻分複用（典型應用：中國聯通3G）和碼分複用（典型應用：中國聯通3G）。可以用一個例子來說明時分複用、頻分複用和碼分複用的區別。在一個屋子裏有許多人要彼此進行通話
，為了避免相互幹擾，可以采用以下方法：

1) 講話的人按照順序輪流進行發言（時分複用）。

2) 講話的人可以同時發言，但每個人說話的音調不同（頻分複用）。

3) 講話的人采用不同的語言進行交流，隻有懂同一種語言的人才能夠相互理解（碼分複用）。

當然
，這三種方法相互結合，比如不同的人可以按照順序用不同的語言交流（即中國移動3G的TD-SCDMA）。然而，這三種經典的複用方式都無法充分利用頻譜資源，它們要麼無法多用戶同時間通訊(TDMA)，要麼無法使用全部頻譜資源(FDMA)
，要麼需要多比特碼元才能傳遞1比特數據(CDMA)。

那na麼me，有you沒mei有you一yi種zhong方fang法fa可ke以yi克ke服fu以yi上shang多duo路lu方fang式shi的de缺que點dian
，讓rang多duo個ge用yong戶hu同tong時shi使shi用yong全quan部bu頻pin譜pu通tong訊xun呢ne？讓rang我wo們men先xian來lai思si考kao一yi下xia

，如ru果guo在zai一yi個ge房fang間jian裏li大da家jia同tong時shi用yong同tong一yi種zhong音yin調tiao同tong一yi種zhong語yu言yan說shuo話hua會hui發fa生sheng什shen麼me
？

henxianran，zaizhezhongqingkuangxiahuifashenghuxiangganrao。zheshiyinweixinhaohuixiangzhesimianbafangchuanbo
，suoyiyigerenhuitingdaoduogerenshuohuadeshengyincongerwufayouxiaotongxun。danshi
，ruguowomenrangmeigeshuohuaderendouyongchuanshengtong，rangshengyinzhizaitedingfangxiangchuanbo
，zheyangbianbuhuihuxiangganraole。

在zai無wu線xian通tong訊xun中zhong，也ye可ke以yi設she法fa使shi電dian磁ci波bo按an特te定ding方fang向xiang傳chuan播bo
，從cong而er在zai不bu同tong空kong間jian方fang向xiang的de用yong戶hu可ke以yi同tong時shi使shi用yong全quan部bu頻pin譜pu資zi源yuan不bu間jian斷duan地di進jin行xing通tong訊xun
，也ye即ji空kong分fen複fu用yong(space-division multiple access，SDMA)。SDMA還有另一重好處

，即可以減少信號能量的浪費：當dang無wu線xian信xin號hao在zai空kong間jian中zhong向xiang全quan方fang向xiang輻fu射she時shi
，隻zhi有you一yi小xiao部bu分fen信xin號hao能neng量liang被bei接jie收shou機ji收shou到dao成cheng為wei有you用yong信xin號hao。大da部bu分fen信xin號hao並bing沒mei有you被bei相xiang應ying的de接jie收shou機ji收shou到dao，而er是shi輻fu射she到dao了le其qi它ta的de接jie收shou機ji成cheng為wei了le幹gan擾rao信xin號hao。

當使用SDMA時，信號能量集中在特定的方向，一方麵減少了對其它接收機的幹擾
；一方麵也減小了信號能量的浪費。

在5G通訊中，SDMA是大規模MIMO（massive Multiple-Input Multiple-Output，指(zhi)在(zai)發(fa)射(she)端(duan)和(he)接(jie)收(shou)端(duan)分(fen)別(bie)使(shi)用(yong)大(da)規(gui)模(mo)發(fa)射(she)天(tian)線(xian)和(he)接(jie)收(shou)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)，使(shi)信(xin)號(hao)通(tong)過(guo)發(fa)射(she)端(duan)與(yu)接(jie)收(shou)端(duan)的(de)大(da)規(gui)模(mo)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)傳(chuan)送(song)和(he)接(jie)收(shou)

，從(cong)而(er)改(gai)善(shan)通(tong)信(xin)質(zhi)量(liang)）技術應用的一個重要例子，而將無線信號（電磁波）隻按特定方向傳播的技術叫做波束成形(beamforming)。

有了波束成形
，眾多小夥伴就可以同時在同一個地方歡樂地刷手機上網而不用擔心信號幹擾的問題。


什麼是波束？

“波束”這個詞看上去有些陌生，但是“光束”大家一定都很熟悉。當一束光的方向都相同時，就成了光束，類似手電筒發出的光。反之
，如果光向四麵八方輻射（如電燈泡發出的光），則不能形成光束。和光束一樣，當所有波的傳播方向都一致時
，即形成了波束。


gongchengshiliyongboshuyijingyouxiangdangjiudelishi。zaierzhanzhong
，gongchengshiyijingjiangboshuliyongzaileidazhong，leidatongguosaomiaoboshufangxianglaitancezhenggekongjianzhongsuoyoumubiaodeweizhi。

另一個例子是衛星通訊，也即我們生活中常見用於衛星電視的“鍋蓋天線”。衛wei星xing和he地di麵mian接jie收shou天tian線xian的de距ju離li非fei常chang遠yuan，信xin號hao衰shuai減jian非fei常chang大da，於yu是shi衛wei星xing信xin號hao到dao達da地di麵mian時shi能neng量liang已yi經jing非fei常chang小xiao。因yin此ci
，我wo們men需xu要yao想xiang方fang設she法fa收shou取qu衛wei星xing發fa出chu的de每mei一yi點dian信xin號hao能neng量liang。當dang衛wei星xing的de信xin號hao向xiang空kong間jian全quan方fang向xiang輻fu射she時shi，絕jue大da多duo數shu能neng量liang並bing沒mei有you被bei地di麵mian天tian線xian接jie收shou到dao，而er是shi被bei浪lang費fei了le。為wei了le避bi免mian這zhe種zhong浪lang費fei


，我wo們men在zai接jie收shou和he發fa射she衛wei星xing信xin號hao時shi，都dou會hui使shi用yong波bo束shu。這zhe樣yang，發fa射she的de電dian磁ci波bo信xin號hao都dou集ji中zhong在zai一yi個ge方fang向xiang上shang，隻zhi要yao接jie收shou天tian線xian能neng對dui準zhun這zhe個ge方fang向xiang
，就jiu可ke以yi接jie收shou到dao盡jin可ke能neng多duo的de信xin號hao。


如何實現波束成形

光guang束shu實shi現xian很hen簡jian單dan，隻zhi要yao用yong不bu透tou明ming的de材cai料liao把ba其qi它ta方fang向xiang的de光guang遮zhe住zhu即ji可ke。這zhe是shi因yin為wei可ke見jian光guang近jin似si沿yan直zhi線xian傳chuan播bo，衍yan射she能neng力li很hen弱ruo。然ran而er
，在zai無wu線xian通tong訊xun係xi統tong中zhong，信xin號hao以yi衍yan射she能neng力li很hen強qiang的de電dian磁ci波bo的de形xing式shi存cun在zai，所suo以yi無wu法fa使shi用yong生sheng成cheng光guang束shu的de方fang法fa來lai實shi現xian波bo束shu成cheng型xing，而er必bi須xu使shi用yong其qi他ta方fang法fa。

無wu線xian通tong訊xun電dian磁ci波bo的de信xin號hao能neng量liang在zai發fa射she機ji由you天tian線xian輻fu射she進jin入ru空kong氣qi
，並bing在zai接jie收shou端duan由you天tian線xian接jie收shou。因yin此ci，電dian磁ci波bo的de輻fu射she方fang向xiang由you天tian線xian的de特te性xing決jue定ding。天tian線xian的de方fang向xiang特te性xing可ke以yi由you輻fu射she方fang向xiang圖tu（即天線發射的信號在空間不同方向的幅度）來描述。

普通的天線的輻射方向圖方向性很弱（即每個方向的輻射強度都差不多，類似電燈泡），而最基本的形成波束的方法則是使用輻射方向性很強的天線（即瞄準一個方向輻射
，類似手電筒）。

然而，此類天線往往體積較大，很難安裝到移動終端上（想象一下iPhone上安了一個鍋蓋天線會是什麼樣子）。另ling外wai，波bo束shu成cheng形xing需xu要yao可ke以yi隨sui著zhe接jie收shou端duan和he發fa射she端duan之zhi間jian的de相xiang對dui位wei置zhi而er改gai變bian波bo束shu的de方fang向xiang。傳chuan統tong使shi用yong單dan一yi天tian線xian形xing成cheng波bo束shu的de方fang法fa需xu要yao轉zhuan動dong天tian線xian才cai能neng改gai變bian波bo束shu的de方fang向xiang，而er這zhe在zai手shou機ji上shang顯xian然ran不bu可ke能neng。因yin此ci，實shi用yong的de波bo束shu成cheng形xing方fang案an使shi用yong的de是shi智zhi能neng天tian線xian陣zhen列lie。


智能天線陣列原理並不複雜。當由兩個波源產生的兩列波互相幹涉時，有的方向兩列波互相增強，而有的方向兩列波正好抵消（如下圖）。


在波束成形中，我們有許多個波源（即天線陣列），通過仔細控製波源發射的波之間的相對延時和幅度我們可以做到電磁波輻射的能量都集中在一個方向上（即接收機所在的位置），而在其他地方電磁波輻射能量很小（即減少了對其他接收機的幹擾）。

此外天線輻射的方向可以通過改變波源之間的相對延時和幅度來實現
，可以輕鬆跟蹤發射端和接收端之間相對位置的改變。


波束成形與毫米波是天作之合

目前波束成形已經被使用在帶有多天線的WiFi路由器中。然而
，手機上不可能像路由器一樣安裝WiFi頻段的多根天線，因為天線尺寸太大了。

天線的尺寸是由電磁波信號的波長決定的，WiFi和(he)當(dang)前(qian)手(shou)機(ji)頻(pin)段(duan)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)波(bo)長(chang)可(ke)達(da)十(shi)幾(ji)厘(li)米(mi)
，因(yin)此(ci)很(hen)難(nan)將(jiang)如(ru)此(ci)大(da)的(de)天(tian)線(xian)集(ji)成(cheng)在(zai)手(shou)機(ji)上(shang)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)把(ba)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)和(he)毫(hao)米(mi)波(bo)技(ji)術(shu)結(jie)合(he)在(zai)一(yi)起(qi)。

毫米波波段的波長大約是WiFiheshoujipinduanbochangdeshifenzhiyizuoyou，yincikeyibaduogehaomibotianxianjichengdaoshoujishang，shixianhaomibopinduandeboshuchengxing。boshuchengxinghehaomibojishukeweishitianzuozhihe，shiyonghaomibokeyigeixinhaochuanshudailaigengdadedaikuan，boshuchengxingzenengjiejuepinpuliyongwenti，shide5G通訊如虎添翼。


結語

boshuchengxingkeyishixinhaodenengliangjizhongzaijieshouduansuozaidefangxiang

，congergaishanpinpuliyongxiaolv。boshuchengxingpeihehaomibojishukeyirangtongxunxitongyongyougaodaikuanbingqiezhichidaliangyonghutongshitongxun，congershi5G係統如虎添翼。



【推薦閱讀】


對比六種電流測量方法，孰優孰略一目了然
教你10元打造一個人體紅外感應小夜燈
看路由變壓器如何搖身變成逆變器
嚐試了四次PCB製作， 最後一發算是成功了
夏天太熱空調太貴？六步低成本DIY冷氣