Beamforming 波束成型研究

[20230524] 數位和類比之波束成型差異
在5G的技術中, 其中一個新被引入的通訊技術就是波束成型 (beamforming)，波束成型技術可以大略的分成兩種:(文獻[2]有數位與類比圖可參考，而[1]有波形圖參考)

第一種、數位波束成型：藉由量測到的通道係數，設計傳送參數 (precoder)最佳化通道
第二種、類比波束成型：透過多天線的相位偏移 (phase shifter)，決定電波傳遞強度模式

另外在Wiki則有數位與類比以及混和模式的波束成型說明[3]：
類比和數位波束形成之間存在區別如：若有100個Sensor，“數位波束成型”方法需要 100 個訊號中的每一個都通過 analog-to-digital converter而創建 100 個數位資料流(data stream)。然後將這些數據資料以適當的比例因子或 phase-shifts以數位方式相加，以獲得整合信號。相比之下，“類比波束成型”方法需要獲取 100 個類比資料流，使用類比方法對它們進行縮放或 phase-shifting，對其求和，然後通常將單個輸出資料流。

數位波束形成的優勢在於數位數據流可以以多種可能的方式並行處理和組合，從而並行獲得許多不同的輸出信號。可以同時測量來自各個方向的信號，研究遠處物體時可以長時間積分，研究近處快速移動的物體時可以短時間同時積分等。對於類比波束成形而言，這不能有效地完成，不僅因為每個並行訊號組合都需要自己的電路，而且更根本的是因為數位資料可以完美複製，但類比資料不能（只有這麼多的類比功率可用，放大會增加噪聲。）因此，如果將接收到的類比信號拆分並發送到大量不同的訊號組合電路中，可以降低每個訊號的信噪比.

若是以波束形容差異則為以下說明[2]：
在天線場型上, 數位和類比的 beamforming 也有顯著差異一般來說，類比 beamforming 由一個主波束 (main lobe) 和多個旁波束 (side lobe) 組合，主波束的方向經過設計, 而旁波束則否, 易造成干擾，相較之下, 數位 beamforming 擁有較高自由度進行設計，因此，其場型多變, 並能夠同時抑制對其他使用者的干擾。

考量低成本、低複雜度則以類比Beamforming取勝[2]
類比 beamforming 的技術較適合有直視路徑 (LOS) 的情況，當有 LOS 時, 我們可以根據方向角, 來設計主波束的方向。

雖然類比 beamforming 的技術，限縮precoding 的自由度以及通訊增益，但另一方面，低設計複雜度、直觀的物理意義、以及實作成本，也使得類比 beamforming 更容易普及應用於MIMO系統中，考慮到兩者的優缺點, 現今有一些討論複合式的架構 (hyper-beamforming)，以期待在低成本、低複雜度的前提下，提供較高的空間重複利用性，以及系統通訊效能。

Massive MIMO究竟哪個適合數位或類比，Wiki表示混和[3]：
在具有大量天線的大規模 MIMO 系統，在數位基頻上執行的波束形成算法可能會變得非常複雜。此外，如果所有波束成形都在基帶完成，則每個天線都需要自己的射頻饋電。在高頻和大量天線元件的情況下，這可能會非常昂貴，並且會增加系統的損耗和復雜性。為了解決這些問題，有人建議使用混合波束成形，其中一些波束成形是使用類比形式而不是以數位形式完成。

但也有人以數位波束成型為優[4]：

In Massive MIMO, I think that precoding is the right word to use since what I advocate is a fully digital implementation, where the phases and powers can be jointly designed to achieve high capacity through spatial multiplexing of many users, in both NLoS and LOS scenarios.

Reference:
[1][20180114]LTE筆記: 波束成型 (beamforming) 和天線陣列
https://note-on-clouds.blogspot.com/2018/01/lte-beamforming.html

[2][20180215]LTE筆記: beamforming 和 precoding (2)

https://note-on-clouds.blogspot.com/2018/02/lte-beamforming-precoding-2.html

[3][20xxxxxx]Wiki for Digital、Analog、and Hybrid

https://en.wikipedia.org/wiki/Beamforming#Digital,_analog,_and_hybrid

[4][20171003]WHAT IS THE DIFFERENCE BETWEEN BEAMFORMING AND PRECODING?

http://ma-mimo.ellintech.se/2017/10/03/what-is-the-difference-between-beamforming-and-precoding/