[4G&5G专题-50]：物理层-数字波束赋型Beamforming及其数学原理

第1章物理层架构

1.1 物理层内部功能协议栈

1.2 5G NR下行选项A

1.3 5G NR下行选项B

1.4 NR的物理层数据处理过程概述

第2章 NR数字波束赋型Beamforming

第1章物理层架构

对本节的注解：

本章节内容的作用在于：从宏观感受无线资源映射RE Mapping在整个物理层协议栈中的位置和作用，无需深究每个环节。主体内容从第2章节开始。

1.1 物理层内部功能协议栈

1.2 5G NR下行选项A

1.3 5G NR下行选项B

1.4 NR的物理层数据处理过程概述

（1）信道编码与交织：处于计算机通信领域，这是计算机的底盘和擅长的地方。

（2）调制解调： 二进制序列到复指数子载波序列的映射过程，这是从计算机领域到数字信号处理DSP领域的跨越! 从计算机通信领域向数字无线通信领域的跨越！从此处开始进入数字信号处理领域！

（3）多天线技术的层映射

（4）扩频预编码（仅仅用于上行，可选）： 这是数字无线通信领域，在相同的频率资源，由“单一”空间向"码分"空间的跨越。

（5）多天线MIMO技术的预编码：这是数字无线通信领域中，在相同的频率资源，由“单一”空间向"分层"空间的跨越。

（6）无线资源映射RE mapping： 这是数字无线通信领域，这是由串行的时间域向并行的频率域的跨越。

（7）数字波束赋形：这是数字无线通信领域中，相同的频率资源，由“全向”空间向“波束局部”空间的跨越。

（8）OFDM变换（时域到频域的转换）：这是各个独立的频域子载波信号到时域信号的转换，这是无线通信领域中，从频域信号到时域信号的跨越！

（9）RF射频调制：这是在无线通信领域中，由数字无线通信领域向模拟无线通信领域的跨越！！！

本文探讨的是：第7步，数字波束赋形Beamforming

第2章 NR数字波束赋型Beamforming

2.1 多天线技术与LTE

多天线技术和OFDM技术一起并称为LTE的两大最重要物理层技术。

也是LTE众多技术中难点之一，是LTE通信中涉及范围广的技术之一，从MAC层到物理层，再到RF层，都有多天线技术涉及的场合。

由此，在阐述数字波束赋型之前，有必要先熟悉一下LTE多天线技术：

《图解通信原理与案例分析-21：4G LTE多天线技术--天线端口、码流、分集Diveristy、波束赋形BF、空分复用MIMO、空分多址》

图解通信原理与案例分析-21：4G LTE多天线技术--天线端口、码流、分集Diveristy、波束赋形BF、空分复用MIMO、空分多址_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客_lte通信原理

2.2 数字波束赋型与多天线

数字波束赋型和MIMO都是多天线技术的应用，或者说数字波束赋型和MIMO的基础都是多天线技术。

强烈建议，在学习本文后续内容之前，先学习NR的数字波束赋型与多天线技术：

《[4G&5G专题-28]：架构-什么是多天线技术与5G大规模天线阵列、波束赋形、高阶空分复用？》

[4G&5G专题-28]：架构-什么是多天线技术与5G大规模天线阵列、波束赋形、高阶空分复用？_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客

第3章多流数字波束赋型的原理

3.1 什么是多流数字波束赋形

多流数字波束赋形发生在MIMO层映射之后，在OFDM调制之前。

是通过统一控制子载波的相位，从而控制不同MIMO层的OFDM时域信号的相位，最终控制高频载波信号的相位。

3.2 多流数字波束赋形的不足与作用

单纯的多流数字波束赋形是不能生成波束的，多流数字波束赋形通常要与模拟波束赋形结合使用：

多流数字波束赋形：确保MIMO的层与层之间产生一个大的、统一的相位差。

层内部的模拟波束赋形产生“层”对应的波束。

这就是混合波束赋形！！！

3.3 数字波束赋形的实现原理

假设基带OFDM调制信号 $\large S = \sum (A_{i} * e^{j^w{_{m}t}})$ , 其中 $\large w_{m}$ 为子载波的频率。

单独控制单路子载波的相位是控制不了高频载波信号的相位的，因此需要施加在所有子载波上相同的相位，或延时 $Tn = e^{j^{\delta _{n}}}$ ， N路天线，就有N路不同的延时。

基带的OFDM调制信号延时后的信号为： $\large Sn = \sum (A_{i} * e^{j^w{_{n}t}} * e^{j^{\delta _{n}}})$

则第N路高频调制后的信号的数学表达为：

$Yn= Sn * e^{jwt} = \sum (A_{i} * e^{j^w{_{n}t}} * e^{j^{\delta _{n}}} * e^{jwt})$

结论：数字波束赋形

第4章混频波束赋形

4.1 什么是混合波束赋形

在毫米波mmWave频段，由于频谱资源非常充沛，一个5G载波的带宽可达400MHz，如果单个AAU支持两个载波的话，带宽就达到了惊人的800MHz！

如果还要像Sub6G频段的设备一样支持数字波束赋形的话，对基带处理能力要求太高，并且射频部分功放的数量也要数倍增加，实现成本过高，功耗更是大得吓人。

因此，业界将数字波束赋形和模拟波束赋形结合起来，使在模拟端可调幅调相的波束赋形，结合基带的数字波束赋形，称之为混合波束赋形。

混合波束赋形数字和模拟融合了两者的优点，基带处理的通道数目明显小于模拟天线单元的数量，复杂度大幅下降，成本降低，系统性能接近全数字波束赋形，非常适用于高频系统。

这样一来，毫米波频段的设备基带处理的通道数（MIMO AxC流）较少，一般为4T4R，或8T8R，但天线单元众多，可达512个，其容量的主要来源是超大带宽和波束赋形。

每一个MIMO流，对应一组物理天线阵子，实施MIMO层内部的模拟波束赋形。

多组的MIMO流，对应多组物理天线阵子，通过数字波束赋形，实现MIMO的层与层之间产生一个初始的、大的、统一的相位差。

4.2 混合波束赋形的效果与应用场景

（1）效果

不同的MIMO层，产生不同的方向的波束
不同的方向的波束，有不同的用户，即多用户MIMO。这与LTE传统的提升单用户数据传输容量MIMO意义是完全不同的。
数字波束赋形控制的是波束的大致方向。
模拟波束赋形控制的是某个方向波束的形成。

（2）混合波束赋形的应用场合： MU-MIMO多用户MIMO