【導(dǎo)讀】有源天線系統(tǒng)、波束成形、波束控制、固定無(wú)線接入 (FWA) : 向 5G 的過(guò)渡正在為商業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)新的術(shù)語(yǔ)和技術(shù)。5G 始于載波網(wǎng)絡(luò)，需要載波網(wǎng)絡(luò)為這些新一代技術(shù)提供支撐。本博文解釋了一些能夠?qū)崿F(xiàn) 5G 基站和網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵 RF 通信技術(shù)。
本博文節(jié)選自電子書(shū)《5G RF For Dummies®》第 4 章。
5G 始于載波網(wǎng)絡(luò)
5G 網(wǎng)絡(luò)必須處理許多需要不同有源天線系統(tǒng) (AAS) 的功能，以應(yīng)對(duì)增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶 (eMBB)、大規(guī)模機(jī)器類(lèi)型通信 (mMTC) 和超可靠低延遲通信 (uRLLC) 的挑戰(zhàn)。
其中的第一大應(yīng)用將是有源天線系統(tǒng) (AAS) 在毫米波 (mmWave) 頻段中提供固定無(wú)線接入 (FWA)。FWA 是在毫米波頻段中實(shí)現(xiàn) 5G 的基礎(chǔ)。運(yùn)營(yíng)商和基礎(chǔ)設(shè)施制造商都一直在進(jìn)行試驗(yàn)，并計(jì)劃通過(guò)這項(xiàng)服務(wù)，以更具擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性的方式提供寬帶。盡管該服務(wù)的受眾是游牧式用戶(hù)和固定用戶(hù)，但在設(shè)計(jì)中考慮到了真正的移動(dòng)性。因此，運(yùn)營(yíng)商得以涉足將成為移動(dòng) 5G 基礎(chǔ)的全新毫米波技術(shù)(比如相控陣天線和混合式波束成形)。
3GPP 標(biāo)準(zhǔn)定義中最近的一個(gè)轉(zhuǎn)變 — 增加加速路徑，稱(chēng)為非獨(dú)立 (NSA) 5G — 作為一種經(jīng)濟(jì)高效的方式，可將早期的 5G 優(yōu)勢(shì)帶入市場(chǎng)，而無(wú)需增建獨(dú)立 (SA) 5G 所需的 5G 網(wǎng)絡(luò)核心。NSA 使用現(xiàn)有 4G 3GPP 頻段作為 LTE 控制平面錨來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
有源天線系統(tǒng) (AAS)/全維度多路輸入/多路輸出 (FD-MIMO)
有源天線系統(tǒng) (AAS) 是先進(jìn)的基站平臺(tái)，其成本、結(jié)構(gòu)和性能均經(jīng)過(guò)優(yōu)化。4G 版本 12 增強(qiáng)功能顯著影響了設(shè)計(jì)增強(qiáng)型 NodeB (eNodeB) 無(wú)線電的方式。版本 12 項(xiàng)目包括載波聚合的新組合、具有下行鏈路 MIMO (多路輸入/多路輸出)的空間復(fù)用增強(qiáng)功能以及 AAS 中所需的 RF 要求。第一張圖概述了具有相應(yīng)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)的版本 12 項(xiàng)目的部分內(nèi)容。
LTE Advanced eNodeB 無(wú)線電天線的演進(jìn)
MIMO 技術(shù)使用安裝在源(發(fā)射器)和目標(biāo)(接收器)上的多個(gè)天線來(lái)提高容量和效率。如前面的圖片所示，天線越多，數(shù)據(jù)流層越多。這使得單個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)管道增大或不同用戶(hù)使用多個(gè)數(shù)據(jù)管道(也稱(chēng)為多用戶(hù) (MU) MIMO)。
大規(guī)模 MIMO 將 MIMO 提升到一個(gè)新的水平。如今的 MIMO 部署通常由基站上的最多八個(gè)天線以及接收器上的一到兩個(gè)天線組成。因此，基站可以同時(shí)將八個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)送到八個(gè)不同的用戶(hù)或雙重發(fā)送兩個(gè)數(shù)據(jù)流到四個(gè)用戶(hù)。大規(guī)模 MIMO 可擴(kuò)展到數(shù)十或數(shù)百個(gè)天線(理論上可達(dá)數(shù)千個(gè))，提供眾多功能和優(yōu)勢(shì)，其中包括:
● 大幅提升的容量和可靠性
● 更高的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲
● 更好的連接(特別是對(duì)于 5G 所使用的具有挑戰(zhàn)性的較高頻率)
● 更少的小區(qū)間干擾
● 通過(guò)波束成形實(shí)現(xiàn)更高的效率和更好的信號(hào)覆蓋
下圖說(shuō)明了有源天線系統(tǒng) (AAS) /全維度 (FD) MIMO 基站如何在水平和垂直方向上指引波束。這一操作動(dòng)態(tài)地指向天線方向圖，為每個(gè)相應(yīng)的用戶(hù)提供更好的鏈路和更高的容量。這樣，用戶(hù)就能實(shí)現(xiàn)流量分流，更快速地釋放無(wú)線電資源以供他人使用，使整個(gè)小區(qū)的總?cè)萘揩@得凈增。
【下圖說(shuō)明了有源天線系統(tǒng)如何使用波束控制為商業(yè)建筑和住宅內(nèi)的用戶(hù)端設(shè)備 (CPE) 提供端到端的固定無(wú)線接入 (FWA) 連接?！?/div>
5G FWA 的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是支持極高的峰值數(shù)據(jù)速率，每位用戶(hù)因此無(wú)需具備專(zhuān)用的固定設(shè)施。為了實(shí)現(xiàn)更高的峰值數(shù)據(jù)速率和更高的系統(tǒng)容量，F(xiàn)WA 無(wú)線電將使用 24GHz 到 42GHz(可能更高)的全新頻段。
使用更大的天線陣列可提供額外的波束成形，從而克服在毫米波頻率范圍內(nèi)遇到的更嚴(yán)峻的傳播挑戰(zhàn)。這些陣列可能具有數(shù)百個(gè)元件，但是由于波長(zhǎng)短，因此極其緊湊。例如，30GHz 的 64 元件天線陣列大小只有 40 mm x 40 mm。大型陣列提供非常集中的波束，這些波束可以在不到一微秒的時(shí)間內(nèi)重定向。此外，大型相控陣還可以作為單個(gè)陣列或者作為多個(gè)獨(dú)立的子陣列，指引獨(dú)特的波束在同一頻率資源上同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶(hù)終端。下圖顯示了 AAS 天線陣列(含 AAS 基站塔)的按天線 RF 子系統(tǒng)中 2x2 RF 前端模塊的框圖。
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