模拟波束赋形和数字波束赋形的差异

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所属分类:通信家园
今天谈谈对5G NR新引入的模拟式波束赋形技术的学习体会,错误之处敬请各位高手指点。
5G NR由于使用了毫米波频段,相比4G而言,载波频率大大提高了。载波频率的提高一方面显著加大了无线信号的传播损耗,减少了天线的覆盖面积,另一方面也大大减小了天线单元的物理尺寸,使得在相同的物理空间里能够安装更多的天线单元,从而可以使用天线阵列、波束赋形等技术加大无线信号的覆盖范围,补偿路径损耗。
在4G LTE系统中,波束赋形已经作为一个重要的功能被广泛应用。由于4G LTE载波频率相对较低,天线单元数量较少,使用数字式波束赋形技术(Digital Beamforming)能够充分发挥其优势,同时基本不受其缺点的影响。而在5G NR系统中,由于天线单元数量的急剧增加,数字式波束赋形技术的缺点越来越明显,因此不得不转向模拟式波束赋形。
数字式波束赋形和模拟式波束赋形的区别在哪里呢?要知道,在空中传播的高频无线信号,基本上都是模拟信号,而在基站或者终端内部的器件处理的都是数字信号,因此在信号发射端一定有数模转换器(DAC),而在接收端一定有模数转换器(ADC)。数字式波束赋形和模拟式波束赋形的区别在于,前者是在发射端DAC之前完成波束赋形的信号处理,即处理的是数字信号,后者是在发射端DAC之后完成波束赋形的信号处理,即处理的是模拟信号;或者说前者是在接收端ADC之后完成波束赋形的信号处理,即处理的是数字信号,后者是在接收端DAC之前完成波束赋形的信号处理,即处理的是模拟信号。
为什么5G NR开始使用模拟式波束赋形呢?因为5G NR的天线数量实在太多了。如果还是使用数字式波束赋形,那么每个天线单元上都必须有一个DAC(发生端)或者ADC(接收端)。如果有100个天线单元,那么就要有100个DAC(发生端)或者ADC(接收端);这就让天线变得非常臃肿复杂,功耗也大大增加。如果使用模拟式波束赋形,由于多路信号其实是对一个输入信号的相位或者振幅调整,只需要在波束赋形处理矩阵之前有1个DAC(发生端)或者ADC(接收端)即可,因此硬件设计非常的简单。
当然数字式波束赋形也有其不可替代的优点。数字式波束赋形可以并行处理多路(比如100路)信号,可以并行获得很多路不同的输出信号,可以同时测量来自不同方向的信号。这些都是模拟式波束赋形做不到的,因为数字信号可以被完美地复制,而模拟信号做不到。这也是4G LTE使用数字式波束赋形的原因,而5G NR也没有放弃它,而是与模拟式波束赋形一起使用。
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