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說了這么多5G,最關鍵的技術在這里

時間:2020-05-05 閱讀:176

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。



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。



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。



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”。


“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。



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。


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。



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。



好啦,關于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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