广告

解读大规模天线阵列技术,为何能动摇通信底层?

2016-07-15 江南小子 雷锋网 阅读:
大规模天线阵列的应用不单可以大幅度提升网络容量和用户体验,也将对通信行业产成深远的影响,1分钟下载一部高清电影的时代已经离我们不远了。

众说周知,无线通信依托于电磁波传播,最宝贵的资源莫过于频带。为防止移动通信网、无线电视、广播、军用频段等的相互干扰,每个国家都对无线频段的使用做出了严格的划分。根据电磁波在空气中传播的特性,6G赫兹以下频段因其在空气中衰减小、穿透力强等优点,被视为优质频带资源,很多依托无线电的应用都集中在这一频段资源上,因此无比拥挤。pvVednc

另一方面,用户对移动通信网的数据需求正呈现爆发性的增长,特别是需要实时传输大量数据的无线应用,如视频直播、高清电话会议、虚拟现实游戏等,对网络容量是严峻的考验。而“关键型任务机器通信” (mission-critical machine type communication) 又对通信的可靠性和时延提出了极为苛刻的要求,此类应用包括工业自动化、车辆通信等。1000倍于4G LTE系统的网络容量和1毫秒极低时延已逐渐成为业界对下一代无线通信网要求的共识。pvVednc

面对强烈需求,背靠紧缺资源,如何满足科技爆发时代最底层速率的需求,为社会架起一条高速信息管道? “5G”正在给出答案。5G (Fifth Generation),即第五代无线通信系统,是在走过模拟通信、第二代、第三代和正在经历的第四代LTE系统之后,通信人正在攀登的另一座高峰。pvVednc

一个体系的革新换代,其中必包含了无数的创新点,5G也是如此。笔者将与你分享其间的一项关键技术,大规模天线阵列。它的应用不单可以大幅度提升网络容量和用户体验,也将对通信行业产成深远的影响,1分钟下载一部高清电影的时代已经离我们不远了。pvVednc

波束成形pvVednc

理解大规模天线首先需要了解波束成形技术。传统通信方式是基站与手机间单天线到单天线的电磁波传播,而在波束成形技术中,基站端拥有多根天线,可以自动调节各个天线发射信号的相位,使其在手机接收点形成电磁波的叠加,从而达到提高接收信号强度的目的。pvVednc

从基站方面看,这种利用数字信号处理产生的叠加效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造,因此称为“波束成形” (Beamforming)。通过这一技术,发射能量可以汇集到用户所在位置,而不向其他方向扩散,并且基站可以通过监测用户的信号,对其进行实时跟踪,使最佳发射方向跟随用户的移动,保证在任何时候手机接收点的电磁波信号都处于叠加状态。pvVednc

打个比方,传统通信就像灯泡,照亮整个房间,而波速成形就像手电筒,光亮可以智能地汇集到目标位置上。pvVednc

2015071500036pvVednc

在实际应用中,多天线的基站也可以同时瞄准多个用户,构造朝向多个目标客户的不同波束,并有效减少各个波束之间的干扰。这种多用户的波束成形在空间上有效地分离了不同用户间的电磁波,是大规模天线的基础所在。pvVednc

大规模天线阵列pvVednc

大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理,在基站端布置几百根天线,对几十个目标接收机调制各自的波束,通过空间信号隔离,在同一频率资源上同时传输几十条信号。这种对空间资源的充分挖掘,可以有效利用宝贵而稀缺的频带资源,并且几十倍地提升网络容量。pvVednc

大家可以从下图中美国莱斯大学的大规模天线阵列原型机中看到由64个小天线组成的天线阵列,这很好地展示了大规模天线系统的雏形。pvVednc

2015071500037pvVednc

美国莱斯大学 Argos 大规模天线阵列原型机pvVednc

大规模天线阵列为何能动摇通信底层?pvVednc

大规模天线并不只是简单地扩增天线数量,因为量变可以引起质变。依据大数定理和中心极限定理,样本数趋向于无穷,均值趋向于期望值,而独立随机变量的均值分布趋向于正态分布。随机变量趋于稳定,这正是“大”的美。pvVednc

在单天线对单天线的传输系统中,由于环境的复杂性,电磁波在空气中经过多条路径传播后在接收点可能相位相反,互相削弱,此时信道很有可能陷于很强的衰落,影响用户接收到的信号质量。而当基站天线数量增多时,相对于用户的几百根天线就拥有了几百个信道,他们相互独立,同时陷入衰落的概率便大大减小,这对于通信系统而言变得简单而易于处理。pvVednc

大规模天线有哪些好处? pvVednc

第一,当然是大幅度提高网络容量。pvVednc

第二,因为有一堆天线同时发力,由波速成形形成的信号叠加增益将使得每根天线只需以小功率发射信号,从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器,减少了硬件成本。pvVednc

第三,大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能。传统通信系统为了对抗信道的深度衰落,需要使用信道编码和交织器,将由深度衰落引起的连续突发错误分散到各个不同的时间段上(交织器的目的即将不同时间段的信号揉杂, 从而分散某一短时间内的连续错误),而这种揉杂过程导致接收机需完整接受所有数据才能获得信息,造成时延。在大规模天线下,得益于大数定理而产生的衰落消失,信道变得良好,对抗深度衰弱的过程可以大大简化,因此时延也可以大幅降低。
值得一提的是,与大规模天线形成完美匹配的是5G的另一项关键技术——毫米波。毫米波拥有丰富的带宽,可是衰减强烈,而大规模天线的波束成形正好补足了其短板。pvVednc

正在解决的瓶颈问题pvVednc

首先,想要发挥所有天线的潜力,基站端需要精确的信道信息,直观理解即需事先知道不同目标客户的位置。如何将与用户间的这一信道信息精准地告诉每一根天线是一件很棘手的事情。pvVednc

传统通信系统通过手机监测基站发送的导频 (导频,即基站和手机端共同知晓的一段序列),估计其信道并反馈给基站的做法在大规模天线中并不可行,因为基站天线数量众多,手机在向基站反馈时所需消耗的上行链路资源过于庞大。目前,最可行的方案是基于时分双工(TDD)的上行和下行链路的信道对称性,即通过手机向基站发送导频,在基站端监测上行链路,基于信道对称性,推断基站到手机端的下行链路信息。pvVednc

其次,为了获得上行链路信息,手机终端需向基站发送导频,可是导频数量总是有限的,这样不可避免地需要在不同小区复用,从而会导致导频干扰。理论推导表明,导频干扰是限制大规模天线一剑破天的最终屏障。pvVednc

另外,很多大规模天线波束成形的算法基于矩阵求逆运算,其复杂度随天线数量和其同时服务的用户数量上升而快速增加,导致硬件不能实时完成波束成形算法。快速矩阵求逆算法是攻克这一难题的一条途径。pvVednc

为了克服这些挑战,世界顶尖的研究机构和各大设备商正加紧原型机的研发。除了上面提到的美国莱斯大学的Argos原型机外,还有三星毫米波大规模天线原型机、瑞典隆德大学LuMaMi原型机、欧洲电信研究院(Eurecom)Open Air Interface大规模天线原型机、英国布里斯托大学原型机等。pvVednc

笔者有幸成为挑战这一科技难题的一员,参与搭建了Open Air Interface 64天线模型机。下图是其微缩版本(微缩为16根天线),旨在展示我们对相关技术瓶颈的解决方案,在上个月的欧洲网络与通信研究大会上收到了良好反响。pvVednc

本文作者江南小子,供职欧洲电信研究院,参与搭建了Open Air Interface 64天线模型机。pvVednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
您可能感兴趣的文章
  • 英特尔推出面向4级自动驾驶的Mobileye EyeQ Ultra RIS 昨日,英特尔在CES 2022上推出了专为自动驾驶打造的 Eye Q Ultra 系统集成芯片,但要注意的是,Mobileye EyeQ Ultra 不包含任何 x86 内核,而是具有 12 个 RISC-V 内核、Arm GPU 和 DSP,旨在带来Level 4 自动驾驶汽车,特别是 176 TOPS AI 加速器。
  • 宝马展出“变色车漆”,“电子墨水”技术还能降能耗 2022年全球最大的消费电子展CES展览期间,宝马集团展出了多款创新数字化成果,其中就包括这两天热议的“变色车漆”(“电子墨水”技术(E-ink)),以及四款全新主题模式(My Modes)、BMW悬浮式巨幕(BMW Theatre Screen)和BMW电动车声浪模拟(BMW IconicSounds Electric)。
  • 爱芯元智沉浸式黑光体验,AI赋能让ISP没有上限 人工智能产业的逐渐成熟,驱动了AI芯片的快速发展,也对人工智能芯片的画质提出了更高的要求,现有的镜头与传感器在物理学上已经接近极限,ISP(Image signal processor)作为SoC中负责画质处理和提升的主要单元,其发展也已经达到‘天花板’,业界迫切需要找到新的方式来提升画质。AI赋能ISP成为画质升级的最优解。
  • 华为或于2022年推出麒麟830/720芯片,工艺上“退”至14n 日前, 外媒消息称,华为有望在2022年更新两款麒麟芯片,分别是麒麟830和麒麟720,均采用14nm制程工艺。此外,有网友认为这则爆料不可信,在该网友看来,海思的这张海报想说的,应该是不会放弃麒麟的设计。他还特别提到,中芯国际好像也因为制裁的缘故没有办法给华为供货吧?这种情况下华为能找哪家代工呢? ​
  • 哪种蓝牙MCU最适合您的设计? 当今的蓝牙微控制器是集成的微小奇迹。即使是空间要求最小的嵌入式设计中也适用,并将CPU、内存资源和外设以及射频功能所需的元件封装在一起。但蓝牙MCU的型号以及其具有的“蓝色色调”多得让人眼花缭乱、无从选择。
  • 小米12 Pro 拆解:屏幕、性能、续航、声音、样样都 Pro? 小米12 Pro发布后,微机分WekiHome与艾奥科技分别在B站发表了拆机视频,微机分WekiHome在视频简介中甚至表示“作为 2021 年度最后一台旗舰手机小米12 Pro,屏幕,系统,相机,续航,声音,样样都 Pro”。感兴趣的小伙伴不妨与EDN小编一起,看看小米12 Pro内部做工用料到底Pro到了什么程度。
相关推荐
    广告
    近期热点
    广告
    广告
    广告
    可能感兴趣的话题
    广告
    向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了