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毫米波/大規模MIMO/波束成形等,5G關鍵技術給天線設計帶來了怎樣的挑戰?

2019-07-31 16:24:19 來源:EEFOCUS
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如果要問一個年輕人生活中最不能缺少什么東西,我想,這個答案十之八九都是手機。

 

手機作為現在年輕人社交、娛樂的工具,如果失去了通信能力,那就是一塊“板磚”,而手機能夠正常通信,離不開信號接收/發射組件-天線

 

按照業界的定義,天線是一種變換器,它把傳輸線上傳播的導行波變換成在無界媒介(通常是自由空間)中傳播的電磁波,或者進行相反的變換,也就是發射或接收電磁波。顯然,沒了天線,你手中的手機就失去了最核心的功能,隨著通信技術的不斷發展,天線設計也開始變得越來越復雜。

 

就拿現階段最火熱的5G技術來說,它擁有比4G快十倍的傳輸速率,毋庸置疑,5G將給用戶帶來全新的體驗,但是它對天線系統也提出了新的要求。

 

5G的關鍵技術包括毫米波大規模MIMO、小基站技術、波束成形、非正交多址接入、信道編碼、SDN/NFV等等,這些技術能夠幫助實現高速、低時延、高容量的5G網絡,那么它們會對天線設計造成哪些挑戰?下面就一起來看看筆者的分析。

 

毫米波

3GPP為5G定義了一套全新的空中接口標準,名為5G NR(new radio),而這項規格細分成了兩種不同的頻段,即FR1和FR2,FR1也就是我們常說的Sub 6GHz,顧名思義,該頻段的頻率范圍小于6GHz。目前我國的三大運營商獲得的頻段均屬于FR1,例如中國電信獲得的是3400MHz~3500MHz的頻段,聯通獲得的是3500MHz~3600MHz頻段,移動則獲得了額4800MHz~4900MHz頻段。但是5G要想實現高速率、高容量和低時延,還得FR2的配合。

 

 

FR2的頻率范圍為24GHz~300GHz,這就涉及到毫米波了。在24GHz到50GHz的頻段中,連接帶寬可達到數千兆級,相比在Sub 6GHz的100MHz帶寬,其在速率和時延特性上將會有質的提升,就這為部分eMBB、URLLC業務提供了可能性,例如工業物聯網由于處于固定區域,又對網絡品質有著高要求,使用毫米波頻段來部署無疑是個不錯的選擇。

 

但是毫米波移動通信存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環境影響等缺點。因此,打造出具有高增益、有自適應波束形成和波束控制能力的天線陣列,成為毫米波天線設計的首要任務,此外,由于毫米波的傳輸距離短,要達到良好的覆蓋效果,必須用大量的毫米波天線實現覆蓋,如何降低毫米波天線的成本也是一個急需解決的問題。

 

大規模MIMO

大規模MIMO(多輸入和多輸出)使用了大量天線和多用戶 MIMO (MU-MIMO) 來提高扇區吞吐量和容量密度,傳統的TDD網絡的天線基本是2天線、4天線或8天線,而大規模 MIMO的天線將達到64/128/256個。

 

我們可以很明顯看到,大規模MIMO的帶來的最明顯的挑戰便是天線數量的增加。所以,尋找行之有效的改善空間受限的大規模MIMO天線陣列的性能的理論和設計方法,即縮小天線陣體積,又保持原有的天線陣性能,是大規模MIMO給天線設計出的第一個難題。

 

 

當然,大規模MIMO并沒有這么容易“搞定”。實現大規模MIMO還需要考慮如下幾點:

 

1. 將波束對準用戶

系統必須用非常復雜的數學模型來解決通道對準的問題,傳統的2天線、4天線和8天線系統的模型還不算復雜,但是一旦擁有大規模MIMO的天線數量,這個3D模型將變得非常復雜。

 

2. 大規模MIMO在FDD(頻分復用)上的應用

為了執行最佳波束成形,需要獲得不斷變化的通道的準確信息。為了獲得此類信息,需要從用戶終端獲取有關下行鏈路信道質量的報告。為此,下行鏈路參考信號需要分配大量資源,這將導致嚴重的資源浪費。在FDD中,目前并沒有好辦法在不使用基于參考信號的這種信道質量報告的情況下獲得信道信息。

 

但是在TDD(時分復用)中,我們可以使用一些可能不需要這種用戶終端報告的替代技術。在TDD中,下行鏈路和上行鏈路使用的是相同的頻帶。因此,如果網絡可以從用戶終端傳輸信號估計上行鏈路信道質量,則可以推算出下行鏈路信道質量。因此,在TDD中,無需從用戶終端獲得明確的信道質量報告,就可以創建非常優化的波束。

 

因此,如果不能解決大規模MIMO在FDD中的應用問題,那么大規模MIMO就只能在TDD中應用。

 

3. 大型陣列生成寬波束

大規模 MIMO 背后的一個關鍵思想是通過多個天線輸出疊加到單個波束上來增加天線增益,通過此過程,生成的波束的寬度趨于變窄。這種窄波束的能量密度性能非常優異,但這也意味著波束覆蓋的區域會非常狹窄。所以波束成形和定向必須做到快速準確,才能正確聚焦目標用戶終端,但這并不簡單,尤其是當用戶終端處于快速移動狀態時。因此,如何在不犧牲超大MIMO性能的前提下,擴大波束寬度也是一大難點。

 

4. 天線系統的校準

任何具有射頻/毫米波設計或測試經驗的人都會明白,隨著信號路徑的增加,設計/測試的復雜性和難度將呈指數級增長。即使假設設計正確完成,也必須確保所有信號路徑和天線都正確校準,以便天線系統按預期工作。校準這些大量的天線路徑絕對是具有挑戰性的任務。

 

5. 處理計劃編制和預編碼的復雜性

大規模MIMO的最大目的是增加指定目標設備的直接性和增益。另一個目的是實現 MU-MIMO(多用戶MIMO)。但是,隨著使用更多的天線和更多的用戶的目標,調度和預編碼將變得更加復雜,如何處理這種情況也是一個大問題。

 

小基站技術

小基站主要專注熱點區域的容量吸收和弱覆蓋區的信號增強,信號覆蓋范圍從十幾米到幾百米。小基站在在3G時代就已開始應用,以家庭基站是作為3G網絡室內覆蓋和業務分流的重要方案。

 

 

在2G時代,由于宏基站覆蓋范圍較廣,室內主要采用室分系統為主,小基站應用場景相對有限。在3G時代,由于仍然以采取宏基站覆蓋為主,加上3G時代過度至4G時代迅速,所以小基站應用并不多。在4G時代,業務以移動業務和數據為主,并在解決接入速率和吞吐量等技術大幅提升,因此小基站發展也有限。

 

等到了5G時代,小基站必須提供更大容量和多個服務頻段、輸出功率和載波,同時還要保持當前尺寸、功率,這樣才能滿足5G網絡的連接數密度、毫秒級的端到端時延等技術和服務需求,因此,同大規模MIMO和毫米波對天線的需求類似,只是小基站還要滿足對功率的需求。

 

波束成形

在大規模MIMO中其實已經有提到波束成形的概念,顧名思義,波束成形用于將無線電波定向到目標。這種方式使特定角度的信號受到結構干涉,而其他信號則受到相消干涉,以此來提高信號質量和數據傳輸速度。

 

 

而實現波束成形,則可以使用相控陣天線技術。

 

 

相控陣原本是用于雷達的技術,它是從陣列天線發展起來的,主要依靠相位變化實現天線波束指向在空間的移動或掃描,亦稱電子掃描陣列(ESA)天線。天線單元可以是單個的波導喇叭天線、偶極子天線、貼片天線等。

 

相控陣天線在雷達上的應用已經很成熟,5G只需拿現成的天線過來用即可,唯一要解決的的問題就是成本以及散熱。

 

寫在最后

5G的一些其他技術,諸如非正交多址接入(NOMA)、信道編碼(極化碼、LDPC)與天線的關聯較小,筆者在此便不多贅述。

 

總體看來,5G天線朝著小型化、陣列化、感知化、定制化等方向發展,成本也是5G天線密切關注的點,5G天線未來會以何種形式展現在我們面前,就看天線廠商們怎么“大顯神通”吧。

 

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作者簡介
錢玉鋒
錢玉鋒

與非網編輯,電科專業出身。愿與大家一起分享自己對電子圈的見解,拋磚引玉,還原最真實的電子圈。

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