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說(shuō)了這么多5G,最關(guān)鍵的技術(shù)在這里

2020/04/11
182
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說(shuō)到天線,大家一定不會(huì)陌生。

無(wú)線技術(shù)非常普及的現(xiàn)代社會(huì),天線在我們生活中隨處可見。

其中最常見的,當(dāng)然是我們移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所使用的基站天線。

基站天線對(duì)我們的生活至關(guān)重要。如果沒(méi)有它,我們的手機(jī)就沒(méi)有信號(hào),我們也就無(wú)法愉快地網(wǎng)購(gòu)、追劇和吃雞。

如果大家細(xì)心觀察,就會(huì)發(fā)現(xiàn),不同設(shè)備的天線,有著不同的外型和尺寸。

沒(méi)錯(cuò)!從理論上來(lái)說(shuō),天線的理想長(zhǎng)度通常是電磁波波長(zhǎng)的 1/4。

所以,我們會(huì)看到,模擬電視拉桿天線長(zhǎng)度一般是 0.175~0.5 米、FM 收音機(jī)的天線長(zhǎng)度是 0.675~0.85 米。

而我們的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),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(jīng)看不見了(藏到了手機(jī)里)

但是,無(wú)線信號(hào)的工作頻率更高、波長(zhǎng)更短,導(dǎo)致了一個(gè)不好的結(jié)果——它的抗干擾能力和繞射能力明顯減弱了。尤其在城市復(fù)雜環(huán)境下,信號(hào)質(zhì)量更容易受影響。

因此,工程師們需要不斷研發(fā)新技術(shù),用于提升移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量和覆蓋。

天線,作為移動(dòng)通信的關(guān)鍵一環(huán),自然而然成為工程師們大開腦洞的首要對(duì)象。

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

在移動(dòng)通信最早期的 1G 時(shí)代,基站所使用的幾乎都是全向天線。當(dāng)時(shí)的用戶數(shù)量很少,傳輸?shù)乃俾室脖容^低。

到了 2G 時(shí)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(gè)小區(qū)會(huì)有三個(gè)扇區(qū),演變?yōu)榉涓C通信。

3G 時(shí)代,智能天線誕生,單一的天線發(fā)展成多天線,也就是我們常說(shuō)的 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多入多出)多天線技術(shù)。

MIMO 增加了天線個(gè)數(shù),也就增加了信號(hào)傳輸的通道數(shù)量。

那么,該怎樣利用多出來(lái)的通道數(shù)量呢?

最開始的時(shí)候,工程師們想到的是把它用于增強(qiáng)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是“把相同的內(nèi)容通過(guò)不同的天線發(fā)送出去”。

“傳輸分集”:分散發(fā)射、集中處理

這種模式,可以緩解信道質(zhì)量不穩(wěn)定帶來(lái)的性能下降,從而增強(qiáng)覆蓋。

后來(lái),MIMO 又發(fā)展出另一種模式,叫做“空間復(fù)用”。

空間復(fù)用是將要傳送的數(shù)據(jù)分成幾個(gè)數(shù)據(jù)流,然后在不同的天線上進(jìn)行傳輸,從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。

這種模式,主要用于提升小區(qū)容量。

在實(shí)際應(yīng)用中,同一部分天線不可能既用于傳輸分集,又用于空間復(fù)用。所以,MIMO 天線需要在上述兩種模式中進(jìn)行權(quán)衡。權(quán)衡的結(jié)果,直接影響到頻率資源的利用率。

到了 5G 時(shí)代,情況又發(fā)生了變化。

在 4G 到 5G 演進(jìn)的過(guò)程中,隨著頻率的增加,天線尺寸進(jìn)一步縮小,天線數(shù)量進(jìn)一步增加。

英國(guó)發(fā)燒友拍攝的沃達(dá)豐設(shè)備??梢钥闯?,5G 的天線尺寸更加緊湊。

于是,MIMO 就變成了 Massive MIMO ,也就是“大規(guī)模 MIMO”。傳統(tǒng)的 MIMO 通常有 2 天線、4 天線、8 天線,Massive MIMO 的天線數(shù)量可以超過(guò) 100 個(gè)。

比如,當(dāng)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(gè)天線振子組成。

Massive MIMO 的出現(xiàn),讓傳輸模式又有了新的玩法。

Massive MIMO 系統(tǒng)可以控制每一個(gè)天線單元發(fā)射(或接收)信號(hào)的相位和信號(hào)幅度,通過(guò)對(duì)多個(gè)天線單元進(jìn)行調(diào)節(jié),產(chǎn)生具有指向性的波束。

這樣一來(lái),可以使無(wú)線信號(hào)能量在手機(jī)位置形成電磁波的疊加,從而提高接收信號(hào)強(qiáng)度。

這種技術(shù),就是傳說(shuō)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(qiáng)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(shí)通信,提升小區(qū)容量。

也就是說(shuō),它將分集和復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)集于一身。

值得一提的是,波束賦型的效果取決于天線的數(shù)量,還有算法的質(zhì)量。算法是根據(jù)手機(jī)的位置和狀態(tài)信息,進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算,通過(guò)天線形成理想的波束。

相比之下,分集和復(fù)用的工作方式比較寬松,當(dāng)手機(jī)信息不充分的時(shí)候(例如手機(jī)移動(dòng)太快),還是可以發(fā)揮很大作用。

除了增強(qiáng)覆蓋和提升容量之外,Massive MIMO 還有一個(gè)秘技——當(dāng)天線振子數(shù)量足夠多時(shí),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(shí)現(xiàn)水平和垂直方向上的 3D 波束賦型,進(jìn)而有效增強(qiáng)對(duì)高層住宅的覆蓋。

由此可見,Massive MIMO 將多天線技術(shù)推向了一個(gè)更高的高度。Massive MIMO 和波束賦型這對(duì)史上最強(qiáng) CP,讓天線更智能、更強(qiáng)大,被稱為 5G 關(guān)鍵技術(shù)是名至實(shí)歸。

“Massive MIMO+波束賦型”強(qiáng)大能量的背后,是對(duì)廠商軟硬件研發(fā)能力的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

在研發(fā)的過(guò)程中,天線系統(tǒng)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(wèn)題。而且天線數(shù)量和手機(jī)終端數(shù)量越多,天線的復(fù)雜度就越高,對(duì)算法和芯片處理能力的要求也越高。

只有強(qiáng)大的算法,才能讓波束賦型產(chǎn)生像舞臺(tái)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(fā)和制造能力。

華為,就是其中之一。從華為公布的 5G 天線發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,高集成度的 Massive MIMO 是 5G 關(guān)鍵技術(shù),具備超強(qiáng)的波束賦型能力,為 5G 帶來(lái)可觀的性能提升。

好啦,關(guān)于 5G 天線的故事,今天就講到這里。感謝大家的觀看,我們下期再見!

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通信行業(yè)知名新媒體鮮棗課堂創(chuàng)始人,通信行業(yè)資深專家、行業(yè)分析師、自媒體作者,《智聯(lián)天下:移動(dòng)通信改變中國(guó)》叢書作者。通信行業(yè)13年工作經(jīng)驗(yàn),曾長(zhǎng)期任職于中興通訊股份有限公司,從事2/3/4G及5G相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域方面的研究,曾擔(dān)任中興通訊核心網(wǎng)產(chǎn)品線產(chǎn)品經(jīng)理、能力提升總監(jiān)、中興通訊學(xué)院二級(jí)講師、中興通訊高級(jí)主任工程師,擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和積累。