这是一个非常好的问题,因为“波束forming”本身是一种信号处理技术，而“协议”则是定义通信设备如何交互的规则，波束forming的广泛应用，正是通过在各类通信协议中标准化其实现方式来实现的。
我们将从以下几个方面来解析：
- 什么是波束forming？ (核心概念)
- 波束forming的类型 (从简单到复杂)
- 关键通信协议中的波束forming (重点)
什么是波束forming？
核心思想： 想象一下，你在一个嘈杂的房间里想和一个人说话，传统方式是，你大声喊，声音向四周扩散，对方能听到，但房间里其他人也能听到，并且会有很多回声和干扰（多径效应）。
波束forming就像是给你的声音装上了“定向喇叭”，这个喇叭能自动调整，让声音的能量高度集中地指向你的朋友，这样，你的朋友能更清晰、更响亮地听到你的声音，而房间里的其他人听到的干扰就小得多，如果你能同时听到来自多个方向的声音，你也可以用一个“定向麦克风”只“对准”你的朋友，从而过滤掉其他方向的噪音。
在无线通信中,这个过程是：
- 发送端： 使用一个天线阵列（多个天线），通过精确控制每个天线发射信号的相位和幅度，使这些信号在期望的方向上相长干涉（信号叠加增强），而在其他方向上相消干涉（信号相互抵消），这就形成了一个高增益的“波束”。
- 接收端： 同样使用天线阵列，通过调整参数，将波束“对准”信号来源最强的方向，从而有效增强有用信号，抑制来自其他方向的干扰和多径效应。
主要优势：
- 提升覆盖范围和信号强度： 能量集中传输，远距离信号更好。
- 提高网络容量： 通过空间复用，让多个用户在同一时间、同一频段上进行通信（MU-MIMO）。
- 增强抗干扰能力： 将零陷对准干扰源，有效屏蔽干扰。
- 降低功耗： 对于物联网设备，可以用更低的功率达到相同的通信质量。
波束forming的类型
为了更好地理解协议,我们先了解波束forming的几种主要实现方式：
| 类型 | 名称 | 描述 | 关键特点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 模拟波束forming | Analog BF | 在射频信号进行模数转换之前，通过移相器等模拟器件调整天线阵元的相位和幅度。 | - 硬件相对简单 - 成本低 - 波束灵活性差，一次只能形成一个固定方向的波束 - 无法实现数字域的信号处理 |
早期雷达、一些简单的Wi-Fi系统（如802.11n/ac的波束成形） |
| 数字波束forming | Digital BF | 在基带（数字域）进行波束成形，每个天线阵元都有自己的射频链和模数/数模转换器。 | - 灵活性极高，可同时形成多个独立、可灵活调整的波束 - 性能最好，可实现复杂的空时编码 - 硬件复杂，成本高，功耗大 |
5G Massive MIMO、高级雷达系统、卫星通信 |
| 混合波束forming | Hybrid BF | 现代主流方案，结合了模拟和数字的优点，将天线阵列分成几组，每组内部用模拟波束forming，然后各组信号在数字域进行合并和进一步处理。 | - 平衡了性能、成本和复杂度 - 能效较高 - 适合大规模天线阵列（如64T64R, 128T128R） |
5G NR、Wi-Fi 6/6E/7 |
关键通信协议中的波束forming
现在我们来看波束forming是如何被标准化并集成到主流通信协议中的。
A. 5G NR (New Radio) - 协议中的典范
5G是迄今为止将波束forming应用最广泛、最深入的协议，它将波束forming作为核心关键技术，以支持高频毫米波（mmWave）通信和大规模MIMO。
协议中的关键机制：
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初始波束扫描与发现:
- 问题： 在毫米波频段，信号绕射能力差，覆盖范围小，方向性强，设备不知道基站（gNB）在哪个方向有信号。
- 协议流程： 基站会周期性地在预定义的波束方向集 上发送同步信号块，UE（用户设备）则会遍历自己的波束方向集，进行“扫描”，尝试接收SSB，一旦UE成功接收并解码了某个方向的SSB，就表示它找到了一个可用的波束对（下行波束）。
- 协议信令： 这部分过程由物理层协议定义，涉及SSB的波束索引和UE反馈的波束测量结果。
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波束管理:
- 这是5G NR中与波束forming最相关的核心流程，贯穿整个通信过程。
- 波束训练: 基站和UE会不断评估当前波束的质量，如果信号质量下降（如UE移动），就会启动波束训练，寻找新的、更好的波束，这包括：
- 下行波束训练： 基站发送Sounding Reference Signal (SRS)，UE测量并反馈信道状态信息，帮助基站选择最佳下行波束。
- 上行波束训练： UE发送SRS，基站测量并反馈，帮助UE选择最佳上行波束。
- 波束更换: 当训练发现更好的波束时，双方会通过MAC-CE (Media Access Control - Control Element) 或 RRC (Radio Resource Control) 信令来通知对方切换波束索引。
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大规模MIMO与空间复用:
- 协议定义了如何利用大规模天线阵列进行MU-MIMO（多用户多入多出），基站可以同时为多个用户服务，为每个用户分配独立的波束，在空间上隔离用户，极大提升了系统容量。
- 码本设计： 协议中定义了码本，这是一个预定义的波束方向矩阵集，UE通过从码本中选择一个矩阵来指示它推荐的波束方向，这样信令开销就很小。
总结5G： 5G协议从物理层到MAC层，都为波束forming设计了完整的信令流程和机制，使其不再是可选功能，而是系统的基础。
B. Wi-Fi (IEEE 802.11系列)
Wi-Fi协议也逐步引入了越来越高级的波束forming技术。
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Wi-Fi 4 (802.11n) - 引入:
- 引入了基于波束forming的反馈机制。
- 工作方式： 接入点（AP）向客户端发送一个“波束forming训练帧”，客户端测量后，将信道信息（一个矩阵）反馈给AP，AP根据这个反馈信息来调整发送波束。
- 局限性： 过程复杂，开销大，且需要双方都支持，实际应用较少。
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Wi-Fi 5 (802.11ac) - 改进:
- 引入了隐式波束forming和显式波束forming。
- 隐式： AP通过分析客户端反馈的信道信息，可以推断出客户端的大致方向，从而进行粗略的波束调整。
- 显式： 改进了反馈机制，但仍然不够灵活和高效。
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Wi-Fi 6 (802.11ax) - 大规模应用:
- Wi-Fi 6将波束forming作为标准功能，并进行了重大改进。
- MU-MIMO (下行): 允许AP同时向多个客户端发送数据，每个客户端都有自己的波束。
- OFDMA + MU-MIMO: 结合使用，进一步提升了效率。
- UL MU-MIMO (上行): 首次引入，允许多个客户端同时向AP发送数据。
- 波束forming反馈： 采用了更高效的空间参数反馈机制，减少了反馈开销。
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Wi-Fi 6E / Wi-Fi 7 (802.11be) - 全面升级:
- Wi-Fi 6E: 增加了6GHz频段，提供了更干净的频谱，为波束forming提供了更好的环境。
- Wi-Fi 7 (Extremely High Throughput):
- 多链路操作: 可以同时在2.4GHz, 5GHz, 6GHz上建立多条链路，每条链路都可以进行波束forming，然后聚合数据，速率和可靠性极大提升。
- 320MHz信道宽度: 在毫米波频段支持
