什么是波束赋形？
BF(BeamForming)波束赋形是一种成熟的天线技术。LTE等蜂窝网络应用此技术来提高整体性能，雷达通过使用BF来识别对象
BF允许在更高频率范围内部署5G，厘米波和毫米波频谱，需要实现足够的小区覆盖，来补偿这些频率的高路径损耗。
BF就是对波束的形状进行构造。这里的波束指的就是天线的辐射方向性图。简而言之，BeamForming是一种构造天线辐射方向图的技术。
波束赋形的场景
对BF的支持是5G NR中的一项基本能力，它会影响物理层和更高层的资源。它基于2个基本物理资源：SS/PBCH块和配置信道状态信息参考信号(CSI-RS)的能力。
BF的原理
在例如阵列中使用大量天线。每个天线都可以通过移相器和衰减器进行控制。天线通常是它们优化信号的波长的一半，然后调整每个天线的相位以控制波束的方向。
应该优先的在与在UL中发送的UE相同的方向上发送波束。这意味着天线和控制它们的逻辑必须能够测量所谓的“到达角”。
如果信号来自天线前方的一个方向，则所有元件将同时接收到信号的相位前沿。
例如：如果角度为45度，天线将接收到信号的相位前沿随时间扩展。通过测量到达相位前沿与天线之间的时间延迟，可以计算到达角。
为了在同一方向发送信号，发送信号的相位前沿应该以相同的时间扩展发送。
相移可以在数字域或模拟域中完成。
具有传输信号时间色散的BF相控阵馈电网络示例
5G NR中的BF应该能够不仅在水平方向而且在垂直方向上引导波束，这有时也被称为3D MIMO。为了能够做到这一点，天线需要放在一个正方形中，称为均匀方阵。以下是128个交叉极化天线的示例：
均匀方阵
通过将天线和无线电设备进行非常紧密的封装，可以创建具有集成天线、模数转换器和功率放大器的天线解决方案。
目前可以支持带有32、64或256根天线的交叉极化天线，如下图所示，在DAC后面是基带部分Baseband，它以数字形式创建和分析信号，由多个大容量数字信号处理器( DSP )组成。
基于Massive MIMO的解决方案
如上所述，通过测量到达不同天线单元的信号的相位前沿，可以测量信号从哪个方向进入（角度）。为了将无线电能量以相同的方向引导回UE，也使用了相同的原理。这意味着将从天线产生不同方向的波束。通过使用不同的天线组合，可以同时为位于不同方向的不同UE创建不同的波束。
然而，天线后面的功率放大器的数量决定了天线可以同时产生多少个波束。例如：8个光束可以用8个功率放大器产生。面临的挑战是将放大器装入天线并减少/消除它们产生的热量以及限制它们对彼此造成的干扰。
由于使用矩阵，还可以在水平和垂直方向上改变无线电波束的方向。在某些情况下，它被称为3D波束赋形。由于5G NR在非常高的频段(FR2)中运行，由于这些频段中的无线电传播特性不佳，因此从BS创建波束的概念将是5G NR的必要条件。
类似的原理也可以用在UE的接收端或gNB接收端。相位阵列可以设置为放大从某个方向到达的信号，这意味着接收器可以在特定方向上聚焦其天线，这也称为接收侧波束赋形。
波束管理中的操作
波束测量：UE基于每个波束向BS提供测量报告。
波束检测：UE基于与配置阈值相关的功率测量来识别最佳波束。
波束恢复：UE配置了基本信息以在连接丢失的情况下恢复波束。
波束扫描：在BS使用多个波束覆盖一个地理区域并以预先指定的间隔扫描它们。
波束切换：UE在不同波束之间切换以支持移动场景。
波束赋形的类型
模拟BF：在此实现中，基带信号首先调制，然后放大，然后在可用数量的天线之间分配。每个RF链都能够单独改变幅度和相位。RF路径中的模拟BF简单且使用最少的硬件，使其成为构建BF阵列的最具成本效益的方式。缺点是系统只能处理一个数据流并产生一个信号束。波束必须是时分复用的，并且指向不同方向的波束在时间上是分开的。
数字BF：在此实现中，已经在基带中生成了多个数字流，并且和以前一样，每个数字流都单独修改了相位和幅度以生成所需的波束。因此，可以在馈送阵列元素之前创建和叠加多个集合。这种机制使一个天线能够生成多个波束，每个波束都有自己的信号并为多个用户提供服务。
模拟和数字波束赋形的区别
在这里，相移是在数模转换之前完成的。信号的BF修改将在DSP中通过修改信号的数字表示进行。这是5G中较低频率的首选方法，因为其优点是每个天线的相位和幅度可以单独控制，具有很高的灵活性。如果每个天线都可以控制，那么天线可以同时创建的波束数量就可以实现完全的灵活性。
Hybrid BF：此实现结合了上述两种方法。有限数量的数字流馈送多个模拟波束赋形器，而每个都连接到天线阵列中总元件的子集，这在实现复杂性、成本和灵活性之间提供了折衷。
模拟、混合和数字波束赋形之间的区别
数字BF：是实现空间复用的最明显方法，相同的信号可以从所有天线发送到特定用户，每个天线的相位/幅度可能会发生变化，或者每个子载波的相位/幅度可能会发生变化。这对于基站BS和用户之间没有直接视线的情况下显得尤其重要。