波束形成是一種用于蜂窩通信和其他應(yīng)用的成熟技術(shù)。波束形成最初是基于各種模擬信號鏈技術(shù)和過程發(fā)展起來的。一般來說，波束形成將天線陣列元素組合在一起，以控制的角度引導(dǎo)信號，使特定接收機能夠接收達到最大信號。

模擬波束形成可以提高發(fā)射機和接收機的空間選擇性和效率。然而，它仍然受到基于數(shù)字技術(shù)增強模擬處理的下一代波束形成技術(shù)的限制。數(shù)字波束形成或混合數(shù)字/模擬波束形成可以克服模擬波束形成的局限性，包括：

天線元件由單個數(shù)據(jù)流饋電，限制了數(shù)據(jù)速率;

靈活性不高;

可用光束的數(shù)量在硬件中是固定的；

由于針對數(shù)字域中的每個天線優(yōu)化了不同的信號，因此數(shù)字波束成形可以克服這些限制并提供更大的靈活性。通過數(shù)字波束形成，不同的功率和相位可以分配到不同的天線和不同頻段。此外，數(shù)字波束形成支持空間多路復(fù)用，使不同頻段（子載波）具有不同的指向性。頻域波束形成包括支持不同子載波的不同波束的能力，但頻域波束形成的實現(xiàn)需要數(shù)字波束形成。

在時域波束形成的情況下，相同的波束應(yīng)用于整個頻率載波。時域波束形成通常用模擬波束形成技術(shù)來實現(xiàn)，雖然它也可以用數(shù)字波束形成來實現(xiàn)。但有一些技術(shù)限制阻礙了數(shù)字化波束形成的全面采用。

如今，全毫米波數(shù)字波束形成的兩個重要問題是基帶處理器的成本和電力需求。為了減少這些擔憂，必須用低分辨率的轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)全毫米波數(shù)字波束形成，以保持前端的功耗在一個可管理的水平下。因此，從全數(shù)字方法所期望的空間多路復(fù)用增益只能以不可接受的信號退化代價來實現(xiàn)。

更糟糕的是，今天的通信協(xié)議都是基于使用模擬或混合波束形成的假設(shè)來設(shè)計的。這限制了充分利用數(shù)字波束形成的潛在優(yōu)勢的能力。在未來，控制和數(shù)據(jù)通道協(xié)議的規(guī)范可能會被修改，使全數(shù)字波束形成能夠交付所需的低延遲通信和高質(zhì)量的服務(wù)（QoS）。

針對全數(shù)字波束形成或全模擬波束形成存在的問題和局限性，一種有前景的解決方案就此誕生——混合波束形成。混合波束形成使用基帶數(shù)字處理和射頻域模擬處理的組合。幾種混合波束形成解決方案正在開發(fā)中，在數(shù)字域和模擬域之間以及域內(nèi)采用不同的系統(tǒng)劃分方法。以尋求數(shù)字基帶處理與模擬射頻信號鏈處理的最佳組合。

在RF域內(nèi)，數(shù)字基帶處理與模擬移相器相結(jié)合的可觸混合波束形成結(jié)構(gòu)

在眾多可能的混合波束形成體系中，兩個例子是全連接體系和子連接體系。在全連接結(jié)構(gòu)中，每個射頻鏈與所有天線相連。每個數(shù)字收發(fā)器的傳輸信號通過一個專用的射頻路徑（帶有混頻器，功率放大器，移相器等）。它在連接到天線之前被疊加。該方法具有較高性能，但同時也帶來了較高的復(fù)雜性和能耗。使用這種方法的每臺收發(fā)機實現(xiàn)全波束形成，預(yù)計可用于基站和類似的固定安裝。

另一種被稱為子連接波束形成體系結(jié)構(gòu)的方法更適合于手機和其他應(yīng)用程序，如汽車。在子連接波束形成中，每個射頻信號鏈僅連接到可用天線的一個子集。這使得子連接架構(gòu)更簡單、更節(jié)能，但它的頻譜效率較低，不適合頻譜效率很重要的大型安裝領(lǐng)域。

目前，為了補充現(xiàn)有的模擬和混合方法，研究人員還在開發(fā)波束形成和毫米波傳輸?shù)男录夹g(shù)。例如，全息波束形成也可以在軟件控制下塑造天線的無線電模式。你可以認為這是一種軟件定義的天線。最近開發(fā)的電子掃描天線技術(shù)，稱為超材料表面天線技術(shù)，是基于衍射超材料的概念，利用高雙折射液晶實現(xiàn)電子掃描。

除了超材料天線和全息波束形成，還有人對開發(fā)超材料來制造用于5G和未來6G網(wǎng)絡(luò)的智能、數(shù)字控制反射面感興趣。但使用智能反射面來控制無線傳播環(huán)境是一大挑戰(zhàn)。為此研究人員就要開發(fā)一種二維的超材料陣列的智能反射面，它可與電磁波的相互作用可以被控制，例如通過調(diào)節(jié)表面阻抗的變化。在6G中，這些表面可以將無線信號從發(fā)射機定向到接收機。最終的設(shè)想是根據(jù)無線信號數(shù)據(jù)來描述智能反射表面的行為，并開發(fā)一種控制算法來配置反射表面，以幫助無線通信。

5G通信的數(shù)字波束形成和相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速。這些技術(shù)以及智能控制反射面等相關(guān)技術(shù)預(yù)計將成為設(shè)計未來5G安裝的重要元素。
編輯：hfy