波束形成技术的工作原理和优势

在之前的文章中我们曾经提到，毫‍米波频段‍将为移动通信带来颠覆‍性提升（点击查看），为更大带宽、更高速率、更大容量、更低时延的网络通信提供频谱基础。

在传统的天线扇区覆盖中，天线的辐射范围近似于圆形（图1），这样的全向发射使得移动终端（如手机）只能收到有限的信号。对于移动终端而言，到基站的直线距离才算是有效覆盖，其他区域都是浪费的；如果能将信号波束集中发射，那么承载信号的能量便能传得更远，终端所收到的信号也就更强。

在对通信覆盖和容量要求日益提升的今天，通过控制天线辐射，减少浪费精准传送，已是普遍诉求。波束形成技术（Beamforming）便是解决这一难题的关键技术。

图1

那什么是波束形成呢？简单来说就是通过集中电磁波，并控制它的方向，以达到信号能量集中和定向发送的一种技术。

举个例子

以光为例，单个灯泡发出的光是没有方向性的，虽然能够照亮四周，但是对于特定的位置或远方便无法顾及，只能不断向四周耗散；而手电筒则可以把光集中到一个方向发射，能量更为聚焦，从而照得更远更集中。

对于无线通信，无线信号的波束控制比手电筒的光束更为复杂。单个天线只能全向覆盖。两个同相位的波束在特定方向上叠加会互相增强，反之，反相位叠加会相互抵消甚至完成消失。利用这一原理，可以对多个波束的相位和幅度进行精准控制，使得某一方向上波束能量最强，达到增强信号的效果。

而多个波束即可组成相控阵，用以波束形成和指向控制，能够大幅提高信号强度和通信距离。

细数波束形成为移动通信带来的多项优势：

波束形成通过集中能量在特定方向上传输信号，能够显著增强信号强度，减少信号衰减的影响，提高通信距离

波束形成使得天线可以形成高度定向的波束，提供方向性传输。这种定向性有助于减少多路径干扰和相邻信道之间的干扰，提升信号的可靠性和传输质量

通过将发射能量集中在终端所在的方向上，波束形成可以显著提高接收端的信号强度，从而提高信噪比（SNR）。更高的信噪比有助于提高通信系统的性能和数据传输速率。

波束形成结合MIMO技术（多输入多输出），允许基站同时向多个用户发送定向信号，减少用户之间的干扰，可以显著提高系统容量和频谱效率

通过精确的波束形成，可以避免不必要的能量散射到非目标方向，提高通信的可靠性和抗干扰能力