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5G时代,工程师在基站天线里玩了哪些神操作?

2020-04-15 小枣君 阅读:
5G时代,工程师在基站天线里玩了哪些神操作?
无线信号的工作频率更高、波长更短,导致了一个不好的结果——它的抗干扰能力和绕射能力明显减弱了。尤其在城市复杂环境下,信号质量更容易受影响。因此,工程师们需要不断研发新技术,用于提升移动通信系统的容量和覆盖。天线,作为移动通信的关键一环,自然而然成为工程师们大开脑洞的首要对象。

说到天线,大家一定不会陌生。JgFednc

在无线技术非常普及的现代社会,天线在我们生活中随处可见。JgFednc

其中最常见的,当然是我们移动通信网络所使用的基站天线。JgFednc

基站天线对我们的生活至关重要。如果没有它,我们的手机就没有信号,我们也就无法愉快地网购、追剧和吃鸡。JgFednc

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如果大家细心观察,就会发现,不同设备的天线,有着不同的外型和尺寸。JgFednc

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没错!从理论上来说,天线的理想长度通常是电磁波波长的1/4。JgFednc

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所以,我们会看到,模拟电视拉杆天线长度一般是0.175~0.5米、FM收音机的天线长度是0.675~0.85米。JgFednc

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而我们的移动通信网络,工作频率主要在700M~3500MHz之间,所以天线的尺寸要小得多。JgFednc

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小得都已经看不见了(藏到了手机里)JgFednc

但是,无线信号的工作频率更高、波长更短,导致了一个不好的结果——它的抗干扰能力和绕射能力明显减弱了。尤其在城市复杂环境下,信号质量更容易受影响。JgFednc

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因此,工程师们需要不断研发新技术,用于提升移动通信系统的容量和覆盖。JgFednc

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天线,作为移动通信的关键一环,自然而然成为工程师们大开脑洞的首要对象。JgFednc

接下来,我们就来康康,咱们的基站天线到底玩了哪些神操作。JgFednc

在移动通信最早期的1G时代,基站所使用的几乎都是全向天线。当时的用户数量很少,传输的速率也比较低。JgFednc

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到了2G时代,天线逐渐演变成了定向天线,比如天线覆盖角度为120°,一个小区会有三个扇区,演变为蜂窝通信。JgFednc

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3G时代,智能天线诞生,单一的天线发展成多天线,也就是我们常说的MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多入多出)多天线技术。JgFednc

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MIMO增加了天线个数,也就增加了信号传输的通道数量。JgFednc

那么,该怎样利用多出来的通道数量呢?JgFednc

最开始的时候,工程师们想到的是把它用于增强覆盖。JgFednc

他们基于MIMO,提出了一种新的传输模式,叫做“传输分集”。简单来说,就是“把相同的内容通过不同的天线发送出去”。JgFednc

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“传输分集”:分散发射、集中处理JgFednc

这种模式,可以缓解信道质量不稳定带来的性能下降,从而增强覆盖。JgFednc

后来,MIMO又发展出另一种模式,叫做“空间复用”。JgFednc

空间复用是将要传送的数据分成几个数据流,然后在不同的天线上进行传输,从而提高系统的传输速率。JgFednc

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这种模式,主要用于提升小区容量。JgFednc

在实际应用中,同一部分天线不可能既用于传输分集,又用于空间复用。所以,MIMO天线需要在上述两种模式中进行权衡。权衡的结果,直接影响到频率资源的利用率。JgFednc

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到了5G时代,情况又发生了变化。JgFednc

在4G到5G演进的过程中,随着频率的增加,天线尺寸进一步缩小,天线数量进一步增加。JgFednc

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英国发烧友拍摄的沃达丰设备。可以看出,5G的天线尺寸更加紧凑。JgFednc

于是,MIMO就变成了Massive MIMO ,也就是“大规模MIMO”。传统的MIMO通常有2天线、4天线、8天线,Massive MIMO的天线数量可以超过100个。JgFednc

比如,当前5G主流选择之一的64T64R天线,即64通道Massive MIMO天线,就是由192个天线振子组成。JgFednc

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Massive MIMO的出现,让传输模式又有了新的玩法。JgFednc

Massive MIMO系统可以控制每一个天线单元发射(或接收)信号的相位和信号幅度,通过对多个天线单元进行调节,产生具有指向性的波束。JgFednc

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这样一来,可以使无线信号能量在手机位置形成电磁波的叠加,从而提高接收信号强度。JgFednc

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这种技术,就是传说中的波束赋型。JgFednc

波束赋型让波束的能量向指定的方向集中,不仅可以增强覆盖距离,还可以降低相邻波束间的干扰,让更多的用户可以同时通信,提升小区容量。JgFednc

也就是说,它将分集和复用的优点集于一身。JgFednc

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值得一提的是,波束赋型的效果取决于天线的数量,还有算法的质量。算法是根据手机的位置和状态信息,进行实时计算,通过天线形成理想的波束。JgFednc

相比之下,分集和复用的工作方式比较宽松,当手机信息不充分的时候(例如手机移动太快),还是可以发挥很大作用。JgFednc

除了增强覆盖和提升容量之外,Massive MIMO还有一个秘技——当天线振子数量足够多时,Massive MIMO能够打破空间的限制。JgFednc

16T16R以下的Massive MIMO天线阵列,只能提供水平维度的2D波束赋型。32T32R和64T64R的Massive MIMO天线阵列,可以实现水平和垂直方向上的3D波束赋型,进而有效增强对高层住宅的覆盖。JgFednc

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由此可见,Massive MIMO将多天线技术推向了一个更高的高度。Massive MIMO和波束赋型这对史上最强CP,让天线更智能、更强大,被称为5G关键技术是名至实归。JgFednc

“Massive MIMO+波束赋型”强大能量的背后,是对厂商软硬件研发能力的严峻考验。JgFednc

在研发的过程中,天线系统的滤波特性、增益作用、抗干扰效果,都是工程师们需要深思熟虑的问题。而且天线数量和手机终端数量越多,天线的复杂度就越高,对算法和芯片处理能力的要求也越高。JgFednc

只有强大的算法,才能让波束赋型产生像舞台追光一样的理想效果。JgFednc

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目前,只有少部分厂商具备高阶(64T64R及以上)Massive MIMO天线的研发和制造能力。JgFednc

而华为,就是其中之一。从华为公布的5G天线发展趋势来看,高集成度的Massive MIMO是5G关键技术,具备超强的波束赋型能力,为5G带来可观的性能提升。JgFednc

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好啦,关于5G天线的故事,今天就讲到这里。JgFednc

(本文授权自公众号鲜枣课堂,文章作者:小枣君,漫画绘制:小洋同学,转载请联系鲜枣课堂;责编:Demi Xia)JgFednc

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