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          5G的天線關鍵技術解析

          來源:百度百家 作者: 更新時間:2020/4/14 10:58:34

          摘要:但是,無線信號的工作頻率更高、波長更短,導致了一個不好的結果——它的抗干擾能力和繞射能力明顯減弱了。尤其在城市復雜環境下,信號質量更容易受影響。

            說到天線,大家一定不會陌生。

            在無線技術非常普及的現代社會,天線在我們生活中隨處可見。

            其中最常見的,當然是我們移動通信網絡所使用的基站天線。

            基站天線對我們的生活至關重要。如果沒有它,我們的手機就沒有信號,我們也就無法愉快地網購、追劇和吃雞。

            如果大家細心觀察,就會發現,不同設備的天線,有著不同的外型和尺寸。

            沒錯!從理論上來說,天線的理想長度通常是電磁波波長的 1/4。

          5G的天線關鍵技術解析

            所以,我們會看到,模擬電視拉桿天線長度一般是 0.175~0.5 米、FM 收音機的天線長度是 0.675~0.85 米。

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            而我們的移動通信網絡,工作頻率主要在 700M~3500MHz 之間,所以天線的尺寸要小得多。

            小得都已經看不見了(藏到了手機里)

            但是,無線信號的工作頻率更高、波長更短,導致了一個不好的結果——它的抗干擾能力和繞射能力明顯減弱了。尤其在城市復雜環境下,信號質量更容易受影響。

            因此,工程師們需要不斷研發新技術,用于提升移動通信系統的容量和覆蓋。

            天線,作為移動通信的關鍵一環,自然而然成為工程師們大開腦洞的首要對象。

            接下來,我們就來康康,咱們的基站天線到底玩了哪些神操作。

            在移動通信最早期的 1G 時代,基站所使用的幾乎都是全向天線。當時的用戶數量很少,傳輸的速率也比較低。

            到了 2G 時代,天線逐漸演變成了定向天線,比如天線覆蓋角度為 120°,一個小區會有三個扇區,演變為蜂窩通信。

            3G 時代,智能天線誕生,單一的天線發展成多天線,也就是我們常說的 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多入多出)多天線技術。

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            MIMO 增加了天線個數,也就增加了信號傳輸的通道數量。

            那么,該怎樣利用多出來的通道數量呢?

            最開始的時候,工程師們想到的是把它用于增強覆蓋。

            他們基于 MIMO,提出了一種新的傳輸模式,叫做“傳輸分集”。簡單來說,就是“把相同的內容通過不同的天線發送出去”。

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            “傳輸分集”:分散發射、集中處理

            這種模式,可以緩解信道質量不穩定帶來的性能下降,從而增強覆蓋。

            后來,MIMO 又發展出另一種模式,叫做“空間復用”。

            空間復用是將要傳送的數據分成幾個數據流,然后在不同的天線上進行傳輸,從而提高系統的傳輸速率。

          5G的天線關鍵技術解析

            這種模式,主要用于提升小區容量。

            在實際應用中,同一部分天線不可能既用于傳輸分集,又用于空間復用。所以,MIMO 天線需要在上述兩種模式中進行權衡。權衡的結果,直接影響到頻率資源的利用率。

            到了5G時代,情況又發生了變化。

            在 4G 到 5G 演進的過程中,隨著頻率的增加,天線尺寸進一步縮小,天線數量進一步增加。

          5G的天線關鍵技術解析

            英國發燒友拍攝的沃達豐設備。可以看出,5G 的天線尺寸更加緊湊。

            于是,MIMO 就變成了Massive MIMO,也就是“大規模 MIMO”。傳統的 MIMO 通常有 2 天線、4 天線、8 天線,Massive MIMO 的天線數量可以超過 100 個。

            比如,當前 5G 主流選擇之一的 64T64R 天線,即 64 通道 Massive MIMO 天線,就是由 192 個天線振子組成。

            Massive MIMO 的出現,讓傳輸模式又有了新的玩法。

            Massive MIMO 系統可以控制每一個天線單元發射(或接收)信號的相位和信號幅度,通過對多個天線單元進行調節,產生具有指向性的波束。

            這樣一來,可以使無線信號能量在手機位置形成電磁波的疊加,從而提高接收信號強度。

            這種技術,就是傳說中的波束賦型。

            波束賦型讓波束的能量向指定的方向集中,不僅可以增強覆蓋距離,還可以降低相鄰波束間的干擾,讓更多的用戶可以同時通信,提升小區容量。

            也就是說,它將分集和復用的優點集于一身。

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            值得一提的是,波束賦型的效果取決于天線的數量,還有算法的質量。算法是根據手機的位置和狀態信息,進行實時計算,通過天線形成理想的波束。

            相比之下,分集和復用的工作方式比較寬松,當手機信息不充分的時候(例如手機移動太快),還是可以發揮很大作用。

            除了增強覆蓋和提升容量之外,Massive MIMO 還有一個秘技——當天線振子數量足夠多時,Massive MIMO 能夠打破空間的限制。

            16T16R 以下的 Massive MIMO 天線陣列,只能提供水平維度的 2D 波束賦型。32T32R 和 64T64R 的 Massive MIMO 天線陣列,可以實現水平和垂直方向上的 3D 波束賦型,進而有效增強對高層住宅的覆蓋。

            由此可見,Massive MIMO 將多天線技術推向了一個更高的高度。Massive MIMO 和波束賦型這對史上最強 CP,讓天線更智能、更強大,被稱為 5G 關鍵技術是名至實歸。

            “Massive MIMO+波束賦型”強大能量的背后,是對廠商軟硬件研發能力的嚴峻考驗。

            在研發的過程中,天線系統的濾波特性、增益作用、抗干擾效果,都是工程師們需要深思熟慮的問題。而且天線數量和手機終端數量越多,天線的復雜度就越高,對算法和芯片處理能力的要求也越高。

            只有強大的算法,才能讓波束賦型產生像舞臺追光一樣的理想效果。

            目前,只有少部分廠商具備高階(64T64R 及以上)Massive MIMO 天線的研發和制造能力。

            而華為,就是其中之一。從華為公布的 5G天線發展趨勢來看,高集成度的 Massive MIMO 是 5G 關鍵技術,具備超強的波束賦型能力,為 5G 帶來可觀的性能提升。

            責任編輯:張華

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