5G NR学习笔记 预编码(precoding)和波束赋形(beamforming)
5G NR学习笔记 预编码（precoding）和波束赋形（beamforming）
前言
最近孬孬在学习Massive中的MIMO的一些知识，对于预编码和波束赋形有一些问题，因此学习了解一下两者的概念，得到一些了解，接下来就和大家一起分享一下。
一、波束赋形（beamforming）与预编码（precoding）概述
1、波束赋形
1.1波束赋型的定义与作用
波束赋型可以被看作是一种智能天线技术，它将无线电波能量聚焦在特定方向上，通过调整天线阵列中各个元素的相位和幅度，
实现空间上的信号定向增强其核心作用在于提升信号的信噪比，增强传输的可靠性，以及在不增加额外发射功率的情况下实现
更远距离的通信。
1.2信号传播模型与波束赋型的关系
信号传播模型是研究信号在传播路径中的衰减、多径效应和干扰等问题的基础。波束赋型技术通过精细地控制天线阵列中各个元
素的相位和幅度，来改变信号的传播方向，抵消或减弱信号传播中的干扰和多径效应，从而在特定的接收点获得更高的信号强
度这一过程中，信号传播模型提供必要的参数信息，比如路径损耗、时延扩展等，为波束赋型算法的设计和优化提供了依据。
2、预编码
2.1预编码的概念与分类
预编码是将发射信号映射到天线阵列的多个传输信道上，通过这种映射方式来达到优化信号传播的效果。预编码可以分为线性预
编码和非线性预编码。线性预编码通常通过矩阵运算来实现，而非线性预编码则可能涉及到更复杂的算法，例如码本设计和优
化。
2.2预编码算法的工作机制
预编码算法通过计算得出一组最优的权重因子（通常为复数矩阵），这些权重因子会被应用到天线阵列的各个元素上，以达到预
期的信号空间分布。在多输入多输出（MIMO）系统中，预编码的作用尤其重要，因为这可以极大提升数据吞吐量和传输的鲁棒
性。
二、波束赋形和预编码有什么区别？
我看相关文章和书籍的时候发现，对于波束赋形和预编码的概念很容易搞混了，不明白两者的区别在什么，有什么不一样，后面在阅读对应的EMIL BJÖRNSON大佬对BF和precoding的讨论后，感觉有点明确认识，具体详细的，请看下面的：
答案1
波束成形和预编码是完全相同的两个词，即使用天线阵列传输一个或多个空间定向信号
答案2
波束成形可分为两类：模拟波束成形和数字波束成形。在前一类中，将相同的信号馈送到每个天线，然后使用模拟移相器来控制阵列发出的信号。这就是相控阵的作用。在后一类中，为数字域中的每个天线设计了不同的信号。这提供了更大的灵活性，因为可以为不同的天线以及频段的不同部分（例如，子载波）分配不同的功率和相位。这使得数字波束成形特别适合空间复用，在空间复用中，我们希望传输信号的叠加，每个信号都具有单独的方向性。当带宽较宽时，它也是有益的，因为在固定相位下，信号将在频段的不同部分获得不同的方向性。这个问题的第二个答案是，预编码等同于数字波束成形。有些人在说波束成形时只指模拟波束成形，而另一些人则使用这两个类别的术语。
在这里插入图片描述
答案3
波束成形是指具有一个数据流的单用户传输，因此传输的信号由一个主瓣和一些不需要的旁瓣组成。相比之下，预编码是指将多个波束叠加起来，对多个数据流进行空间复用。
图：单用户数据传输
图：多个波束叠加起来，对多个数据流进行空间复用。
答案4
波束成形是指在特定角度方向上形成波束，而预编码是指来自天线阵列的任何类型的传输。该定义本质上将波束成形的使用限制在视距 （LoS） 通信中，因为当传输到非视距 （NLoS） 用户时，传输的信号可能没有明确的角方向性。相反，发出的信号与多径传播相匹配，以便到达用户的多径分量建设性地添加。
答案5
预编码由两部分组成：选择方向性（波束成形）和选择发射功率（功率分配）。
参考文献
https://zhuanlan.zhihu.com/p/35923884
https://ma-mimo.ellintech.se/2017/10/03/what-is-the-difference-between-beamforming-and-precoding/
https://wenku.csdn.net/column/69wjjvmjxn
总结
基站的数据预处理分为两个步骤，第一个步骤是把数据映射到天线端口，这个步骤可以称为预编码，第二个步骤是把天线端口映射到物理天线，这个步骤可以称为波束赋形。
Beamforming核心是精确地控制天线阵列中每个天线的相位和幅度，从而根据具体覆盖的需求实现特定的波束形状（窄波束，扇形波束及其他特殊形状波束）。
Pre-coding的定义是将层数据按照一定的规则映射到不同的天线端口上。 根据预编码的Codebook可知，对于同一层的数据，会根据不同的PMI值，来控制不同天线端口的幅度和相位实现特定的波束进而达到覆盖需求。 当有多层数据时，实际每一层数据映射到天线端口时，赋予天线端口的幅度和相位是不同的，相互正交的，从而达到空分复用的目的。
所以上综合可知，Pre-coding的过程实际上是利用了Beamforming这个天线阵列技术，实现了对数据流进行预处理，以优化传输信号的空间传输特性，使其更好地匹配信道条件。
孬孬本人感觉还是比较倾向于答案2，对应的数字波束成形和预编码，是完全等价的。 对于模拟波束成形，就是对应的调整天线阵列中每个天线的相位和幅度，从而根据具体覆盖的需求实现特定的波束形状，是对应的物理天线波束。