如果要问一个年轻人生活中最不能缺少什么东西,我想,这个答案十之八九都是手机。

 

手机作为现在年轻人社交、娱乐的工具,如果失去了通信能力,那就是一块“板砖”,而手机能够正常通信,离不开信号接收 / 发射组件 - 天线

 

按照业界的定义,天线是一种变换器,它把传输线上传播的导行波变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波,或者进行相反的变换,也就是发射或接收电磁波。显然,没了天线,你手中的手机就失去了最核心的功能,随着通信技术的不断发展,天线设计也开始变得越来越复杂。

 

就拿现阶段最火热的 5G 技术来说,它拥有比 4G 快十倍的传输速率,毋庸置疑,5G 将给用户带来全新的体验,但是它对天线系统也提出了新的要求。

 

5G 的关键技术包括毫米波、大规模 MIMO、小基站技术、波束成形、非正交多址接入、信道编码、SDN/NFV 等等,这些技术能够帮助实现高速、低时延、高容量的 5G 网络,那么它们会对天线设计造成哪些挑战?下面就一起来看看笔者的分析。

 

毫米波

3GPP 为 5G 定义了一套全新的空中接口标准,名为 5G NR(new radio),而这项规格细分成了两种不同的频段,即 FR1 和 FR2,FR1 也就是我们常说的 Sub 6GHz,顾名思义,该频段的频率范围小于 6GHz。目前我国的三大运营商获得的频段均属于 FR1,例如中国电信获得的是 3400MHz~3500MHz 的频段,联通获得的是 3500MHz~3600MHz 频段,移动则获得了额 4800MHz~4900MHz 频段。但是 5G 要想实现高速率、高容量和低时延,还得 FR2 的配合。

 

 

FR2 的频率范围为 24GHz~300GHz,这就涉及到毫米波了。在 24GHz 到 50GHz 的频段中,连接带宽可达到数千兆级,相比在 Sub 6GHz 的 100MHz 带宽,其在速率和时延特性上将会有质的提升,就这为部分 eMBB、URLLC 业务提供了可能性,例如工业物联网由于处于固定区域,又对网络品质有着高要求,使用毫米波频段来部署无疑是个不错的选择。

 

但是毫米波移动通信存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。因此,打造出具有高增益、有自适应波束形成和波束控制能力的天线阵列,成为毫米波天线设计的首要任务,此外,由于毫米波的传输距离短,要达到良好的覆盖效果,必须用大量的毫米波天线实现覆盖,如何降低毫米波天线的成本也是一个急需解决的问题。

 

大规模 MIMO

大规模 MIMO(多输入和多输出)使用了大量天线和多用户 MIMO (MU-MIMO) 来提高扇区吞吐量和容量密度,传统的 TDD 网络的天线基本是 2 天线、4 天线或 8 天线,而大规模 MIMO 的天线将达到 64/128/256 个。

 

我们可以很明显看到,大规模 MIMO 的带来的最明显的挑战便是天线数量的增加。所以,寻找行之有效的改善空间受限的大规模 MIMO 天线阵列的性能的理论和设计方法,即缩小天线阵体积,又保持原有的天线阵性能,是大规模 MIMO 给天线设计出的第一个难题。

 

 

当然,大规模 MIMO 并没有这么容易“搞定”。实现大规模 MIMO 还需要考虑如下几点:

 

1. 将波束对准用户

系统必须用非常复杂的数学模型来解决通道对准的问题,传统的 2 天线、4 天线和 8 天线系统的模型还不算复杂,但是一旦拥有大规模 MIMO 的天线数量,这个 3D 模型将变得非常复杂。

 

2. 大规模 MIMO 在 FDD(频分复用)上的应用

为了执行最佳波束成形,需要获得不断变化的通道的准确信息。为了获得此类信息,需要从用户终端获取有关下行链路信道质量的报告。为此,下行链路参考信号需要分配大量资源,这将导致严重的资源浪费。在 FDD 中,目前并没有好办法在不使用基于参考信号的这种信道质量报告的情况下获得信道信息。

 

但是在 TDD(时分复用)中,我们可以使用一些可能不需要这种用户终端报告的替代技术。在 TDD 中,下行链路和上行链路使用的是相同的频带。因此,如果网络可以从用户终端传输信号估计上行链路信道质量,则可以推算出下行链路信道质量。因此,在 TDD 中,无需从用户终端获得明确的信道质量报告,就可以创建非常优化的波束。

 

因此,如果不能解决大规模 MIMO 在 FDD 中的应用问题,那么大规模 MIMO 就只能在 TDD 中应用。

 

3. 大型阵列生成宽波束

大规模 MIMO 背后的一个关键思想是通过多个天线输出叠加到单个波束上来增加天线增益,通过此过程,生成的波束的宽度趋于变窄。这种窄波束的能量密度性能非常优异,但这也意味着波束覆盖的区域会非常狭窄。所以波束成形和定向必须做到快速准确,才能正确聚焦目标用户终端,但这并不简单,尤其是当用户终端处于快速移动状态时。因此,如何在不牺牲超大 MIMO 性能的前提下,扩大波束宽度也是一大难点。

 

4. 天线系统的校准

任何具有射频 / 毫米波设计或测试经验的人都会明白,随着信号路径的增加,设计 / 测试的复杂性和难度将呈指数级增长。即使假设设计正确完成,也必须确保所有信号路径和天线都正确校准,以便天线系统按预期工作。校准这些大量的天线路径绝对是具有挑战性的任务。

 

5. 处理计划编制和预编码的复杂性

大规模 MIMO 的最大目的是增加指定目标设备的直接性和增益。另一个目的是实现 MU-MIMO(多用户 MIMO)。但是,随着使用更多的天线和更多的用户的目标,调度和预编码将变得更加复杂,如何处理这种情况也是一个大问题。

 

小基站技术

小基站主要专注热点区域的容量吸收和弱覆盖区的信号增强,信号覆盖范围从十几米到几百米。小基站在在 3G 时代就已开始应用,以家庭基站是作为 3G 网络室内覆盖和业务分流的重要方案。

 

 

在 2G 时代,由于宏基站覆盖范围较广,室内主要采用室分系统为主,小基站应用场景相对有限。在 3G 时代,由于仍然以采取宏基站覆盖为主,加上 3G 时代过度至 4G 时代迅速,所以小基站应用并不多。在 4G 时代,业务以移动业务和数据为主,并在解决接入速率和吞吐量等技术大幅提升,因此小基站发展也有限。

 

等到了 5G 时代,小基站必须提供更大容量和多个服务频段、输出功率和载波,同时还要保持当前尺寸、功率,这样才能满足 5G 网络的连接数密度、毫秒级的端到端时延等技术和服务需求,因此,同大规模 MIMO 和毫米波对天线的需求类似,只是小基站还要满足对功率的需求。

 

波束成形

在大规模 MIMO 中其实已经有提到波束成形的概念,顾名思义,波束成形用于将无线电波定向到目标。这种方式使特定角度的信号受到结构干涉,而其他信号则受到相消干涉,以此来提高信号质量和数据传输速度。

 

 

而实现波束成形,则可以使用相控阵天线技术。

 

 

相控阵原本是用于雷达的技术,它是从阵列天线发展起来的,主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描,亦称电子扫描阵列(ESA)天线。天线单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。

 

相控阵天线在雷达上的应用已经很成熟,5G 只需拿现成的天线过来用即可,唯一要解决的的问题就是成本以及散热。

 

写在最后

5G 的一些其他技术,诸如非正交多址接入(NOMA)、信道编码(极化码、LDPC)与天线的关联较小,笔者在此便不多赘述。

 

总体看来,5G 天线朝着小型化、阵列化、感知化、定制化等方向发展,成本也是 5G 天线密切关注的点,5G 天线未来会以何种形式展现在我们面前,就看天线厂商们怎么“大显神通”吧。

 

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