Beamforming

Beamforming 是天线技术与数字信号处理技术的结合，目的用于定向信号传输或接收。波束成形技术的前提是必须采用多天线系统。

Beamforming 基本原理

Beamforming，源于自适应天线的一个概念。接收端的信号处理，可以通过对多天线阵元接收到的各路信号进行加权合成，形成所需的理想信号，各个天线信号的权重就组成了 beamforming vector。从天线方向图(pattern)的角度来看，这样做相当于形成了规定指向上的波束。同样原理也适用用于发射端。例如，将原来全方位的接收方向图转换成了有零点、有最大指向的波瓣方向图。对天线阵元馈电进行幅度和相位调整，可形成所需形状的方向图。

只有多天线系统才会考虑波束成形技术。 例如，MIMO采用多天线接收，多天线发射。由于采用了多组天线，从发射端到接收端无线信号对应同一条空间流 (spatial streams)，是通过多条路径传输的。在接收端采用一定的算法对多根天线收到信号进行处理，就可以明显改善接收端的信噪比；即便在接收端较远时，也能获得较好的信号质量。MIMO可大大提高网络传输速率、覆盖范围和性能。当基于MIMO而同时传递多条独立空间流时，系统的吞吐量可成倍地提高。MIMO系统支持空间流的数量取决于发送天线和接收天线的最小值。

Beamforming 缺点

Beamforming技术能改善系统性能，增加接收距离，但同时也会增加设备成本和功耗。在多天线都处于连接的状态下，即使在严重的衰落情况下，它提供的信号增益也可获提高，但要求信号处理能力也要很强。所以，多天线带来的问题是要求数据处理速度高，控制成本，并降低功耗。因而，芯片的高集成度高性能和电源管理高效性是至关重要的。一方面要提高吞吐量，同时又要将功耗降到最低。

Beamforming 技术分类

波束成形技术（Beam Forming，BF）可分为自适应波束成形、固定波束和切换波束成形技术。

固定波束即天线的方向图是固定的，把IS-95中的三个120°扇区分割即为固定波束。
切换波束是对固定波束的扩展，将每个120°的扇区再分为多个更小的分区，每个分区有一固定波束，当用户在一扇区内移动时，切换波束机制可自动将波束切换到包含最强信号的分区，但切换波束机制的致命弱点是不能区分理想信号和干扰信号。
自适应波束成形器可依据用户信号在空间传播的不同路径，最佳地形成方向图，在不同到达方向上给予不同的天线增益，实时地形成窄波束对准用户信号，而在其他方向尽量压低旁瓣，采用指向性接收，从而提高系统的容量。由于移动站的移动性以及散射环境，基站接收到的信号的到达方向是时变的，使用自适应波束成形器可以将频率相近但空间可分离的信号分离开，并跟踪这些信号，调整天线阵的加权值，使天线阵的波束指向理想信号的方向。自适应波束成形的关键技术是如何较精确地获得信道参数。

天线方向图（Antenna Pattern）

定义

天线方向图 是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。所谓的“天线方向性”，就是指在远区相同距离R的条件下，天线辐射场的相对值与空间方向的关系。
天线辐射电磁场在以天线为中心，某一距离为半径的球面上随空间角度（包括方位角和俯仰角）分布的图形，称为“辐射方向图”，简称方向图。球面的半径，也就是场点到天线的距离必须满足远区条件。
因为天线方向图一般呈花瓣状，故又称为波瓣图，最大辐射方向两侧第一个零辐射方向线以内的波束称为主瓣，与主瓣方向相反的波束称为背瓣，其余零辐射方向间的波束称为副瓣或旁瓣。

特性参数

为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，就需要规定一些特性参数。主要包括：主瓣宽度，旁瓣电平，前后比，方向系数等

主瓣宽度：是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常取天线方向图主瓣两个半功率点之间的宽度。
旁瓣电平：是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣的电平，一般以分贝表示。
前后比：是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比，通常以分贝为单位。
方向系数：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比。

参考链接

部分参考资料
[1]:https://baike.baidu.com/item/%E6%B3%A2%E6%9D%9F%E6%88%90%E5%BD%A2/4726417
[2]:https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%A9%E7%BA%BF%E6%96%B9%E5%90%91%E5%9B%BE/6116246

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