5G通信需要怎样的基站天线?

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5G网络的发展会给用户更好的上网体验,目前三大运营商也在积极的建设当中,5G基站的数量也越来越多。由于5G网络的速度更快,对于信号的接收和传送,天线的灵敏度要求也更高,与4G网络的基站天线会有很大的区别。

5G基站将会引入大量的阵列天线

阵列天线,最显著的特点就是多输入和多输出技术,通过天线的这种技术,大幅度提高网络信号质量,它的原理可以用高速公路增加车道来提高车流量来比喻。采用了阵列天线的5G基站,不但可能提升容量,还可以在发送信号的时候更集中的指向目标终端,来提升网络的覆盖范围。这种天线虽然接收和传送效果较好,但价格比较高,比起4G基站,采用阵列天线技术的AAU是5G基站成本增加的主要原因。

5G的天线以64通道为主,不排除用16通道的天线,天线的尺寸与频率相关

在基站工作的时候,为了保证天线在接收和发送信号时的转换效率更高,天线振子的距离就要大于无线信号的波长,而无线信号的波长与频率是成反比,故信号波长越小,信号频率就越高。从目前5G网络使用来看,采用64通道技术的天线是通信设备商主流的选择。虽然通道数量多,网络的性能就好,但考虑到天线的尺寸以及成本,有的运营商可能会考虑成本更低的16通道天线。如果5G前期64通道的天线成本没有下降,可能运营商还是会考虑16通道的天线。

5G基站使用64通道的天线,成本也会增加很多

5G时代,对天线的通道增加和设计提出了更高的要求,小基站的发展时代,天线小型化是必然趋势。在4G的时候,天线基本是采用了4通道或8通道,5G时代,可能就要以64通道的阵列天线为主,通道数量增加了7倍以上,意味着射频器件也要增加。用户在使用网络时,资费也要比4G贵很多。由于5G基站天线将会与RUU整合成新的AAU,天线公司的下游客户也会将运营商的身份转为设备商。

总之,在未来的发展中,5G基站对器件的小型化要求越来越高,天线也会朝小型化的设计发展。只有更小的体积,提供更多的通道,有了这些优势才会成为设备商的主要选择。


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目前为止,5G的主要有两大关键技术,他们是大规模天线技术和非正交多址接入技术。大规模天线技术如何定义,如何发展即涉及到未来5G通信基站应用什么样的基站天线。

5G无线的技术路线演进如下图:

5G的产生是为了解决三个主要问题:容量不足、能耗高,提升用户体验。5G的目的就是为了实现无线网络广域覆盖、热点覆盖、低功耗大连接,低时延高可靠性。

谈到5G通信需要使用什么样的基站天线,就必须谈到5G的关键技术,大规模天线技术。

一、大规模天线技术(massive MIMO,massive Multiple-Input Multiple-Output)

  1. 技术原理

  • 当基站侧天线数远大于用户天线数时,基站到各个用户的信道将趋于正交。

  • 用户间干扰将趋于消失,而巨大的阵列增益将能够有效地提升每个用户的信噪比,从而能够在相同的时频资源共同调度更多用户。

2.技术方案

面向异构和密集组网的massive MIMO(多输入多输出)网络构架与组网方案,Massive MIMO物理层关键技术,大规模有源阵列天线技术和大规模天线与高频段的结合。

3. 功能和优势

能多维度(空域、时域、频域、极化域)提升频谱利用率和能量利用率;通过空间复用技术和拟制干扰技术,进一步提高系统容量。

若基站配置400根天线,在20MHz带宽的同频复用TDD系统中,每小区用MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output,多用户多入多出技术)方式服务42个用户时,即使小区间无协作,且接收/发送只采用简单的MRC/MRT(最大比传输/最大比合并)时,每个小区的平均容量也可高达1800Mbps,这个小区的容量可谓很高。

4. 应用场景

城区宏覆盖、高层建筑、室内外热点、郊区、无线回传链路。

二、MIMO技术的演进

在4G-LTE中 MIMO是关键的技术,在5G的发展中,MIMO技术的也有了进一步的演进。

4G:3GPP LTE最初标准支持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基站使用大规模天线阵列数量可达到几十甚至上百根天线。

上图中,什么叫C-RAN?

就是Centralized RAN,中文意思是集中化无线接入。

基站是由三部分组成:天线,RRU(射频拉远单元)和BBU(基带处理单元)。在C-RAN中基站还是采取BBU和RRU分离的方案,但是RRU无限接近于天线,这样大大减少了通过馈线(天线与RRU的连接)的衰减;同时BBU迁移并集中于中心机房,形成BBU基带池;而中心机房与RRU通过前传网络连接。这样非常有利于小区间协同工作。

5G将采用分布式MIMO天线技术,即由密集站点、MIMO、C-RAN组成。

三、大规模天线技术优势

使系统容量和能量效率大幅度提升;上行和下行发射能量都将减少 ;用户间信道正交,干扰和噪声将被消除 ;信道的统计特性趋于稳定。

基于以上优势,大规模天线被公认为5G关键技术之一。

四、大规模天线技术的设计挑战

为了设计大规模天线,同时也会面临许多的挑战,如发射机和接收机的设计复杂度会升高,信道状态信息获取的导频污染问题以及天线单元、阵列的高能耗问题。这些都是5G移动通信系统应该考虑的问题。

未来5G网络将向性能更优质、功能更灵活、运营更智能、网络更友好的方向发展。 5G的网络应用架构如下:

无线通信设备中的射频部分包括射频前端和天线,射频前端包括发射通道和接收通道。无线设备中的射频部分在无线通讯中扮演着两个重要的角色,在发射信号的过程中扮演着将二进制信号转换成高频率的无线电磁波信号,在接收信号的过程中将收到的电磁波信号转换成二进制数字信号。

由此可见,天线的地位也是很重要的。目前在5G上投资研发生产天线的厂家有安费诺、Molex、Pulse和泰科等厂家,如下图:

由于5G的通信基站还在研发当中,众多厂家也根据5G的技术标准研发生产5G通信系统配套的天线,大规模 MIMO 技术带来了天线新的需求。待5G商用之时,即是天线上市使用之时。

现在 4G 手机天线多为MIMO2×2。5G 至少为 MIMO4 ×4,移动终端采用 8 根或 16 根天线或将成为标配,有时甚至可能采用更多,比现有主流基于MIMO 2x2 技术的天线配置增加数倍;同时基站天线也多达 128 或者 256 根天线,天线行业即将迎来快速增长阶段。

未来5G在业务应用上也有很广阔的前景,例如最近比较热门的物联网的应用,待5G商用之时,物联网方面的智能家居、智慧农业、环境监测、智慧交通、智能电网等方面也都会伴着5G的发展有巨大的发展潜力和空间,用户的体验度也会有质的提高。


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5G的指标中要求达到20Gbps的峰值速率,0.1—1Gbps的用户体验速率,空口速率需要提高,目前的天线已经不能满足这些要求。

基站天线经历了全向天线,定向单极化天线,定向双极化天线,电调单极化天线,电调双极化天线,双频电调双极化天线,到双频双极化天线,以及MIMO天线,有源天线等过程。未来5G,天线将变得越来越复杂,将会更智能化,小型化;目前5G的天线是大规模天线阵列,拥有192个天线阵子,可以实现波束赋形,使信号更加集中。


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