5G通信需要怎樣的基站天線?

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5G網絡的發展會給用戶更好的上網體驗,目前三大運營商也在積極的建設當中,5G基站的數量也越來越多。由於5G網絡的速度更快,對於信號的接收和傳送,天線的靈敏度要求也更高,與4G網絡的基站天線會有很大的區別。

5G基站將會引入大量的陣列天線

陣列天線,最顯著的特點就是多輸入和多輸出技術,通過天線的這種技術,大幅度提高網絡信號質量,它的原理可以用高速公路增加車道來提高車流量來比喻。採用了陣列天線的5G基站,不但可能提升容量,還可以在發送信號的時候更集中的指向目標終端,來提升網絡的覆蓋範圍。這種天線雖然接收和傳送效果較好,但價格比較高,比起4G基站,採用陣列天線技術的AAU是5G基站成本增加的主要原因。

5G的天線以64通道為主,不排除用16通道的天線,天線的尺寸與頻率相關

在基站工作的時候,為了保證天線在接收和發送信號時的轉換效率更高,天線振子的距離就要大於無線信號的波長,而無線信號的波長與頻率是成反比,故信號波長越小,信號頻率就越高。從目前5G網絡使用來看,採用64通道技術的天線是通信設備商主流的選擇。雖然通道數量多,網絡的性能就好,但考慮到天線的尺寸以及成本,有的運營商可能會考慮成本更低的16通道天線。如果5G前期64通道的天線成本沒有下降,可能運營商還是會考慮16通道的天線。

5G基站使用64通道的天線,成本也會增加很多

5G時代,對天線的通道增加和設計提出了更高的要求,小基站的發展時代,天線小型化是必然趨勢。在4G的時候,天線基本是採用了4通道或8通道,5G時代,可能就要以64通道的陣列天線為主,通道數量增加了7倍以上,意味著射頻器件也要增加。用戶在使用網絡時,資費也要比4G貴很多。由於5G基站天線將會與RUU整合成新的AAU,天線公司的下游客戶也會將運營商的身份轉為設備商。

總之,在未來的發展中,5G基站對器件的小型化要求越來越高,天線也會朝小型化的設計發展。只有更小的體積,提供更多的通道,有了這些優勢才會成為設備商的主要選擇。


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目前為止,5G的主要有兩大關鍵技術,他們是大規模天線技術和非正交多址接入技術。大規模天線技術如何定義,如何發展即涉及到未來5G通信基站應用什麼樣的基站天線。

5G無線的技術路線演進如下圖:

5G的產生是為了解決三個主要問題:容量不足、能耗高,提升用戶體驗。5G的目的就是為了實現無線網絡廣域覆蓋、熱點覆蓋、低功耗大連接,低時延高可靠性。

談到5G通信需要使用什麼樣的基站天線,就必須談到5G的關鍵技術,大規模天線技術。

一、大規模天線技術(massive MIMO,massive Multiple-Input Multiple-Output)

  1. 技術原理

  • 當基站側天線數遠大於用戶天線數時,基站到各個用戶的信道將趨於正交。

  • 用戶間干擾將趨於消失,而巨大的陣列增益將能夠有效地提升每個用戶的信噪比,從而能夠在相同的時頻資源共同調度更多用戶。

2.技術方案

面向異構和密集組網的massive MIMO(多輸入多輸出)網絡構架與組網方案,Massive MIMO物理層關鍵技術,大規模有源陣列天線技術和大規模天線與高頻段的結合。

3. 功能和優勢

能多維度(空域、時域、頻域、極化域)提升頻譜利用率和能量利用率;通過空間複用技術和擬製干擾技術,進一步提高系統容量。

若基站配置400根天線,在20MHz帶寬的同頻複用TDD系統中,每小區用MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,多用戶多入多出技術)方式服務42個用戶時,即使小區間無協作,且接收/發送只採用簡單的MRC/MRT(最大比傳輸/最大比合並)時,每個小區的平均容量也可高達1800Mbps,這個小區的容量可謂很高。

4. 應用場景

城區宏覆蓋、高層建築、室內外熱點、郊區、無線回傳鏈路。

二、MIMO技術的演進

在4G-LTE中 MIMO是關鍵的技術,在5G的發展中,MIMO技術的也有了進一步的演進。

4G:3GPP LTE最初標準支持SISO,2×2MIMO,4×4MIMO。下行峰值速率100Mb/s。最多支持8×8MIMO,下行峰值速率1Gb/s。

在5G基站使用大規模天線陣列數量可達到幾十甚至上百根天線。

上圖中,什麼叫C-RAN?

就是Centralized RAN,中文意思是集中化無線接入。

基站是由三部分組成:天線,RRU(射頻拉遠單元)和BBU(基帶處理單元)。在C-RAN中基站還是採取BBU和RRU分離的方案,但是RRU無限接近於天線,這樣大大減少了通過饋線(天線與RRU的連接)的衰減;同時BBU遷移並集中於中心機房,形成BBU基帶池;而中心機房與RRU通過前傳網絡連接。這樣非常有利於小區間協同工作。

5G將採用分佈式MIMO天線技術,即由密集站點、MIMO、C-RAN組成。

三、大規模天線技術優勢

使系統容量和能量效率大幅度提升;上行和下行發射能量都將減少 ;用戶間信道正交,干擾和噪聲將被消除 ;信道的統計特性趨於穩定。

基於以上優勢,大規模天線被公認為5G關鍵技術之一。

四、大規模天線技術的設計挑戰

為了設計大規模天線,同時也會面臨許多的挑戰,如發射機和接收機的設計複雜度會升高,信道狀態信息獲取的導頻汙染問題以及天線單元、陣列的高能耗問題。這些都是5G移動通信系統應該考慮的問題。

未來5G網絡將向性能更優質、功能更靈活、運營更智能、網絡更友好的方向發展。 5G的網絡應用架構如下:

無線通信設備中的射頻部分包括射頻前端和天線,射頻前端包括髮射通道和接收通道。無線設備中的射頻部分在無線通訊中扮演著兩個重要的角色,在發射信號的過程中扮演著將二進制信號轉換成高頻率的無線電磁波信號,在接收信號的過程中將收到的電磁波信號轉換成二進制數字信號。

由此可見,天線的地位也是很重要的。目前在5G上投資研發生產天線的廠家有安費諾、Molex、Pulse和泰科等廠家,如下圖:

由於5G的通信基站還在研發當中,眾多廠家也根據5G的技術標準研發生產5G通信系統配套的天線,大規模 MIMO 技術帶來了天線新的需求。待5G商用之時,即是天線上市使用之時。

現在 4G 手機天線多為MIMO2×2。5G 至少為 MIMO4 ×4,移動終端採用 8 根或 16 根天線或將成為標配,有時甚至可能採用更多,比現有主流基於MIMO 2x2 技術的天線配置增加數倍;同時基站天線也多達 128 或者 256 根天線,天線行業即將迎來快速增長階段。

未來5G在業務應用上也有很廣闊的前景,例如最近比較熱門的物聯網的應用,待5G商用之時,物聯網方面的智能家居、智慧農業、環境監測、智慧交通、智能電網等方面也都會伴著5G的發展有巨大的發展潛力和空間,用戶的體驗度也會有質的提高。


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5G的指標中要求達到20Gbps的峰值速率,0.1—1Gbps的用戶體驗速率,空口速率需要提高,目前的天線已經不能滿足這些要求。

基站天線經歷了全向天線,定向單極化天線,定向雙極化天線,電調單極化天線,電調雙極化天線,雙頻電調雙極化天線,到雙頻雙極化天線,以及MIMO天線,有源天線等過程。未來5G,天線將變得越來越複雜,將會更智能化,小型化;目前5G的天線是大規模天線陣列,擁有192個天線陣子,可以實現波束賦形,使信號更加集中。


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