第二代波束成形，简单来说，就是指那些采用了更复杂的信号处理算法、更大的天线阵列，并且能够生成质量更高、指向更精准的波束，同时还能动态适应手机移动和环境变化的先进设计。
我们先来看看波束成形的基本原理。它是利用多个天线，把无线信号像聚光灯一样聚焦到特定用户身上。
图：调控天线阵列信号的相位与幅度，形成定向波束
通过精确控制阵列里每个天线发射信号的相位和幅度，从而形成一个有方向性的波束。这样做的好处是，能增强目标用户的信号接收质量，同时最大程度地减少对周围其他用户的干扰。最终效果就是提高了网络的整体效率，也降低了能耗。
那第二代波束成形到底新在哪儿？
第二代波束成形技术本身已经比较成熟，并且还在不断进化。研究人员开发出了更先进的信道估计算法，用来更好地优化波束、提升信号质量。在一些先进的设计里，基站可以借用用户手机上报的信号强度和信道状况信息，然后根据这些信息相应地调整波束的指向。
机器学习算法也被用上了，用来实现自适应的波束形成器。这种波束形成器能根据信道条件和用户位置的实时变化动态调整，从而在复杂环境里提升性能。同时，为了提升 5G 波束成形系统的可持续性，功耗更低的算法也在不断被应用。
还有一种叫混合波束成形的技术，它结合了模拟和数字两种波束成形的优点，在 5G 网络里用得越来越多。这种技术既能提高大规模 MIMO 系统的频谱效率，又能降低功耗。它还支持子阵列架构，这种架构能简化波束成形系统的整体设计。
关于子阵列连接的改进
采用混合波束成形的 MIMO 系统，在架构上可以分为全连接和子连接两种。在全连接的系统里，所有的射频链路都跟所有的天线单元相连。这种方式能提供很高的数据吞吐量，但耗电量也相当大。
而在子连接的架构里，天线阵列会被划分成几个子阵列，每条射频链路只连接到其中一个天线子阵列。这种子连接架构的设计更简单，也更省电，但它进行波束赋形的自由度可能会少一些。
这些子阵列可以有不同的排列方式，比如垂直排布、水平排布或者排成一个矩形。
图：8 x 8天线元件包含4个子阵列的示例
有研究案例显示，一个由 64 个单元组成的方形均匀矩形阵列，采用4条子连接的射频链路来服务随机用户，最终实现的总速率能达到全连接架构的 91.46%，而复杂度只有全连接的 25%。
这里提到的波束成形子速率性能，是一个关键指标，它指的是在多用户环境中，所有用户合并起来的吞吐量，也就是系统能达到的总数据速率。
全息波束成形是什么？
作为传统天线加子连接架构的另一种选择，用 RHS “可重构全息表面”来替代传统天线，可能会进一步提升 MIMO 系统的吞吐量。
全息波束成形技术有潜力产生指向性极好的波束，并能非常精确地控制信号传播。这类系统利用超材料和软件定义天线，能够提高频谱效率，改善信号之间的隔离度，还能支持更灵活的波束赋形。
在这种天线阵列中，RHS 主要由馈源、波导和亚波长尺寸的超材料辐射单元构成。
图：基于 RHS 的天线阵列结构
RHS 的作用可以理解为在超材料表面上构建出一个全息图案。每个超材料单元都能根据这个全息图案的样式，来控制自己发射辐射的幅度，最终共同生成所需的光束图样。
总的来说，相比最初的设计，第二代波束成形在频谱效率和功耗效率上都有了显著提升。这是一项仍在不断进步的技术。展望未来，利用超材料实现可重构全息表面，很有可能会带来新一轮的性能飞跃。
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