Massive MIMO(简称作 M-MIMO 或者 MM),作为 5G 的核心技术,是承载在 AAU 之上的,而 AAU 内部的天线阵列,则是实现 Massive MIMO 的最重要的载体。

 

本期,蜉蝣君将介绍其中的几个基本概念:振子,天线,通道,流,MU-MIMO,SU-MIMO,及其之间的关联。

 

1、什么是振子?

天线最基本的作用是进行能量传播方式的转换。对于基站发射的信号来说,天线把发射机的高频振荡电流转换为可以在自由空间传播的电磁波。

 

天线往外发射电磁波是通过内部的振子来完成的。单个振子的能力有限,发射方向也难以集中,因此天线一般是由多个振子叠加而成。

 

 

如上图所示,天线打开外罩之后,就能看到其内排布着若干的 X 形状的器件,这些就是振子,也叫天线单元(Antenna Elements)。一个 X 代表了+45°和 -45°极化方向的两个振子。

 

2、振子怎样组成天线 / 天线阵列?

 

 

对于一般的天线来说,其内部是由多个振子组成的,通过这些振子上发射能量的叠加,天线增益可达 13 到 17dBi。我们在画天线示意图时,总会在上面画上一些 X 形符号,用来表示里面的振子。

 

 

对于 5G AAU 来说,由于广泛采用了 M-MIMO 技术,其内部集成的天线采用的振子数量更多,多个振子整整齐齐地排列着,严阵以待,因此也称作天线阵列。对于 Sub6G 频段的 AAU 来说,业界一般采用 192 个振子。

 

 

天线振子虽多,但单个振子的能力太过弱小,并且如果每个振子都和 AAU 内部的功放连接独立发送信号的话,实现上也过于复杂,因此业界一般 3 个振子或者 6 个振子划为一组,成为逻辑上的单个天线。

 

以下图的 M-MIMO 天线振子排布图为例,水平方向共 12 行,垂直方向有 8 列振子,再加上±45°双极化,一共就有 12x8x2=192 个振子。

 

每三个振子为一组,称为一副天线,因此该 M-MIMO AAU 共有 192/3=64 个天线。如果每 6 个振子组成一个天线的话,该 AAU 就有 192/6=32 个天线。

 

 

目前业界主流的 5G AAU 均为 192 振子,有 64 天线和 32 天线这两种型号,其中 64 天线的产品性能要更好一些。

 

既然如此,那为什么不都做 64 天线呢?这就要涉及到通道数和成本相关的考量了。

 

3、什么是通道?

天线数再多,也是无源器件,没法直接发射信号。

 

因此,AAU 需要将这些天线跟其内部的射频链路相连,最终就形成了 64 或者 32 个可发射信号的通道。

 

 

Sub6G 频段的 AAU 采用全数字波束赋形,可以认为其天线数,发射通道数,功放(PA)数是一样的。

 

显而易见,天线数和通道数越多,AAU 内部的功放数也就越多,对基带资源的消耗也会越大,设备的成本也就越高。

 

因此,64 天线的设备主要用于密集城区,在普通城区和郊区使用 32 天线就可以满足需求了。

 

对于更为偏远的地区,对容量的要求不高,主要解决覆盖问题,这时甚至连 Massive MIMO 都不用了,直接上 8 端口 RRU 接上天线就行。

 

4、AAU 内部采用了这么多振子、天线和通道,到底天线增益如何呢?

下面我们分为通道增益,波束赋形增益,以及业务增益这三个方面来说。

 

上面已经说过,单个通道一般是由 3 个或者 6 个振子组成的,这些振子产生的合成增益,就叫做通道增益。

 

波束赋形增益也叫阵列增益,通道数越多,波束赋形能力也就越强,增益相应的也就越大。其算法为:阵列增益=10Log(通道数 /2),之所以除以二,是因为这些通道的极化方向是不同的,一半+45°极化,另一半 -45°极化,而极化是不能产生增益叠加的,因此只能按一半的通道数来算。

 

业务增益其实就是天线整体的最大增益,由通道增益和波束赋形增益相加得出。

 

一般来说,Massive MIMO 的业务增益比普通天线要高 3dB 左右。下文将说到的由多发射通道,以及波束赋形带来的多用户多流传输能力,是 M-MIMO 的核心竞争力所在。

 

5、多用户及空分流数

多用户的空分流,直观来说,是在空间中给不同的用户使用不同波束来发送不同的数据流。

 

举例来说,如果基站支持 16 流,就是基站能使用相同的资源,在空间中发送 16 路不同的数据。这 16 路数据可以分给 8 个用户,每个用户两流(也就是 2x2 MIMO),也可以分给 16 个用户,每个用户只有一流。这样一来,虽然每用户体验的速率差别较大,但整个小区的吞吐量是可以达到峰值的。

 

 

这种多个用户之间配对来复用相同的时频资源来实现多流的技术就叫做 MU-MIMO(多用户 MIMO),而一个用户内部的多流则为传统的 SU-MIMO(单用户 MIMO)。目前主流的 5G 手机能支持 4 天线接收,因此可以和基站形成最多 4 条独立的传播路径,也就是对于单个手机来说,SU-MIMO 最多可支持 4 流传输。

 

5G AAU 可以同时实现 MU-MIMO 和 SU-MIMO 这两种方式,最大化整个小区的流量。


好了,本期的内容就到这里,希望对大家有所帮助。