毫米波/大规模MIMO/波束成形等,5G关键技术给天线设计带来了怎样的挑战?

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毫米波/大规模MIMO/波束成形等,5G关键技术给天线设计带来了怎样的挑战?

发布时间:2019年08月01日      

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。

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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。

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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。

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