今天，我們接著之前的話(huà)題，聊聊3D波束成形 （3D Beamforming），大規(guī)模多入多出（massive MIMO）的主要問(wèn)題是天線(xiàn)過(guò)于密集會(huì)導(dǎo)致信號(hào)波相交并相互干擾，干擾會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)甚至徹底被毀壞。為解決這些問(wèn)題，波束成形和小基站這兩種技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生，它們對(duì)解決毫米波和大規(guī)模多入多出存在的問(wèn)題至關(guān)重要。

 

 

我們可以這樣簡(jiǎn)單概括，如果說(shuō)大規(guī)模多入多出是5G外在肉體，那么波束成形就是5G的靈魂。兩者相輔相成，缺一不可。甚至可以說(shuō)，大規(guī)模MIMO就是大量天線(xiàn)的波束成形。

 

 

2012 年，在土耳其舉行的移動(dòng)計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)大會(huì)(MobiCom’12)上公開(kāi)報(bào)道 了世界上第一款真正實(shí)現(xiàn)的多天線(xiàn)多用戶(hù)波束成形系統(tǒng)——Argos。

 

 

 

現(xiàn)在基站是以廣播的形式發(fā)送信號(hào)，而不是僅僅發(fā)向特定的接收方。

 

 

 

當(dāng)基站塔臺(tái)向設(shè)備發(fā)送信號(hào)時(shí)，是將這個(gè)信號(hào)向一定的區(qū)域范圍進(jìn)行廣播，從而會(huì)對(duì)這個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的其他設(shè)備造成干擾。

 

 

 

波束成形通過(guò)跟蹤信號(hào)在空間內(nèi)的傳輸路徑使得信號(hào)只在需要的時(shí)候進(jìn)行發(fā)送，而且僅僅發(fā)往目標(biāo)設(shè)備。

 

 

這里好比你山的這邊，他在山的另一個(gè)頭，你大聲喊對(duì)方，在附近的人都會(huì)聽(tīng)到你的叫喊。而波束成形就好像一條專(zhuān)線(xiàn)，你的喊聲只會(huì)讓對(duì)方知道，其他都聽(tīng)不到。

再打個(gè)比分，傳統(tǒng)的單天線(xiàn)通信就像電燈泡，照亮整個(gè)房間。而波速賦形就像手電筒，光亮只匯集到目標(biāo)位置。并且，還可以根據(jù)目標(biāo)的數(shù)目來(lái)構(gòu)造手電筒的數(shù)目。

 

 

 

大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)的引入不僅將增加基站上天線(xiàn)的數(shù)量，而且還會(huì)將設(shè)備上天線(xiàn)的數(shù)量增加到4~16個(gè)，甚至更多。

 

 

進(jìn)入5G時(shí)代后，隨著天線(xiàn)陣列從一維擴(kuò)展到二維，波束賦形也發(fā)展成了立體多面手，能夠同時(shí)控制天線(xiàn)方向圖在水平方向和垂直方向的形狀，演進(jìn)為3D波束賦形(3D Beamforming)。

3D波束賦形使基站針對(duì)用戶(hù)在空間的不同分布,將信號(hào)更加精準(zhǔn)地指向目標(biāo)用戶(hù)。

 

 

 

增加天線(xiàn)數(shù)量是波束成形的關(guān)鍵，提高了空間追蹤的精確性和先進(jìn)性，通過(guò)增加天線(xiàn)使得設(shè)備可以連接到附近信號(hào)最好的基站進(jìn)行視距通信。借助于波束成形技術(shù)的空間感知能力，還可以讓信號(hào)通過(guò)若干障礙物的接力反射到達(dá)目的地。

 

 

 

高通研究院展示了毫米波技術(shù)、大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)、波束成形技術(shù)如何協(xié)同工作。

高通研究中心采用了一個(gè)已有的解決方案，在此基礎(chǔ)上引入了自適應(yīng)波束成形，收發(fā)毫米波需要使用甚高增益天線(xiàn)，可以看到這里有很多很多天線(xiàn)，用戶(hù)設(shè)備（UE）上可以配置有4~8個(gè)、甚至16個(gè)天線(xiàn)陣列，這些天線(xiàn)在用戶(hù)設(shè)備（UE）上圍成一圈。

 

 

 

畫(huà)面中的基站可以配置有128根、256根，甚至更多的天線(xiàn)。

 

 

 

波束成形就是合理設(shè)置每根天線(xiàn)所發(fā)出的信號(hào)振幅和相位，從而這些天線(xiàn)共同作用將信號(hào)波束射向某個(gè)特定方向，這種設(shè)置必須是動(dòng)態(tài)的，就像是舞臺(tái)上的追光燈，表演者走到哪兒，追光燈發(fā)出的光就跟到哪兒。

 

 

 

在畫(huà)面左下角，你可以看到這個(gè)圓球，圓球上顯示的是UE從各個(gè)方向上所接收到的信號(hào)強(qiáng)弱，根據(jù)信號(hào)的到達(dá)角度。

 

 

 

根據(jù)經(jīng)過(guò)哪個(gè)位置的反射所形成路徑來(lái)判斷最佳路徑，從而利用波束成形算法實(shí)現(xiàn)UE和基站之間的通信。

 

 

采用波束成形+大規(guī)模多入多出（mMMO）的設(shè)計(jì)方案需要射頻前端來(lái)進(jìn)行射頻傳輸，這對(duì)射頻芯片體積提出很高的要求。將促進(jìn)射頻前端芯片需求增加，推動(dòng)射頻前端芯片市場(chǎng)成長(zhǎng)。

 

射頻芯片包括功率放大器（PA：Power Amplifier）、天線(xiàn)開(kāi)關(guān)（Switch）、濾波器（Filter）、雙工器（Duplexer和Diplexer）和低噪聲放大器（LNA：Low Noise Amplifier）等。

 

 

從當(dāng)前的市場(chǎng)格局來(lái)看，目前全球射頻前端芯片產(chǎn)業(yè)擁有較為成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，歐美IDM大廠技術(shù)領(lǐng)先，規(guī)模優(yōu)勢(shì)明顯，臺(tái)灣企業(yè)則在晶圓制造、封裝測(cè)試等產(chǎn)業(yè)鏈中下游占據(jù)重要地位。

在終端功率放大器市場(chǎng)，形成了Qorvo、Skyworks和博通三足鼎立的局面，三家廠商合計(jì)占據(jù)了90%以上的市場(chǎng)份額。

Qorvo、Skyworks和博通都完成了PA、Switch、Duplexer、Filter全產(chǎn)品線(xiàn)布局，擁有專(zhuān)用的制造廠和封裝廠。從三家廠商的財(cái)報(bào)數(shù)據(jù)來(lái)看，它們?cè)谝苿?dòng)通信射頻前端市場(chǎng)的毛利率均高于40%，最高可以達(dá)到50%，凈利率約30%，具有極強(qiáng)的盈利能力。

總體來(lái)看，根據(jù)Navian的預(yù)測(cè)，2019年僅用于移動(dòng)通信終端的射頻前端模塊總市場(chǎng)規(guī)模就將達(dá)到212.1億美元，年增長(zhǎng)率約為15.4%。

 

 

不過(guò)，看似穩(wěn)定的射頻器件市場(chǎng)近來(lái)卻暗流涌動(dòng)，華為、高通、三星、英特爾和聯(lián)發(fā)科都開(kāi)始在這個(gè)市場(chǎng)發(fā)力，試圖繼續(xù)擴(kuò)大各自在終端市場(chǎng)的影響力。也分別發(fā)布了自己的5G基帶芯片，高通驍龍X50（未來(lái)的X55）、聯(lián)發(fā)科M70、三星獵戶(hù)座5100基帶、Intel XMM 8160基帶。

 

 

 

在今年年初，華為發(fā)布了號(hào)稱(chēng)世界最強(qiáng)的5G基帶芯片巴龍5000以及世界最快的5G CPE Pro，速率可達(dá)3.2Gbps。巴龍5000基帶是世界第一款單芯多模5G基帶，7nm工藝，不僅支持5G SA獨(dú)立及NSA費(fèi)獨(dú)立組網(wǎng)，還支持4G、3G、2G網(wǎng)絡(luò)，是目前最強(qiáng)的5G基帶，而高通的驍龍X50基帶只支持5G，還是10nm工藝的。

 

 

 

所以，在5G時(shí)代不僅帶給消費(fèi)者更好體驗(yàn)，關(guān)鍵讓整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈也會(huì)發(fā)生改變，從而帶來(lái)新的商機(jī)，改變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，帶來(lái)新的機(jī)遇。

我們下次再聊聊大規(guī)模多入多出、波束成形的優(yōu)點(diǎn)和適用場(chǎng)景。

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