【導(dǎo)讀】有源天線系統(tǒng)、波束成形、波束控制、固定無線接入 (FWA) : 向 5G 的過渡正在為商業(yè)領(lǐng)域帶來新的術(shù)語和技術(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《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)對增強(qiáng)型移動寬帶 (eMBB)、大規(guī)模機(jī)器類型通信 (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)營商和基礎(chǔ)設(shè)施制造商都一直在進(jìn)行試驗(yàn)，并計劃通過這項(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和固定用戶，但在設(shè)計中考慮到了真正的移動性。因此，運(yùn)營商得以涉足將成為移動 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)定義中最近的一個轉(zhuǎn)變 — 增加加速路徑，稱為非獨(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)勢帶入市場，而無需增建獨(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，其成本、結(jié)構(gòu)和性能均經(jīng)過優(yōu)化。4G 版本 12 增強(qiáng)功能顯著影響了設(shè)計增強(qiáng)型 NodeB (eNodeB) 無線電的方式。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)勢的版本 12 項(xiàng)目的部分內(nèi)容。
LTE Advanced eNodeB 無線電天線的演進(jìn)
MIMO 技術(shù)使用安裝在源(發(fā)射器)和目標(biāo)(接收器)上的多個天線來提高容量和效率。如前面的圖片所示，天線越多，數(shù)據(jù)流層越多。這使得單個用戶的數(shù)據(jù)管道增大或不同用戶使用多個數(shù)據(jù)管道(也稱為多用戶 (MU) MIMO)。
大規(guī)模 MIMO 將 MIMO 提升到一個新的水平。如今的 MIMO 部署通常由基站上的最多八個天線以及接收器上的一到兩個天線組成。因此，基站可以同時將八個數(shù)據(jù)流發(fā)送到八個不同的用戶或雙重發(fā)送兩個數(shù)據(jù)流到四個用戶。大規(guī)模 MIMO 可擴(kuò)展到數(shù)十或數(shù)百個天線(理論上可達(dá)數(shù)千個)，提供眾多功能和優(yōu)勢，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
● 通過波束成形實(shí)現(xiàn)更高的效率和更好的信號覆蓋
下圖說明了有源天線系統(tǒng) (AAS) /全維度 (FD) MIMO 基站如何在水平和垂直方向上指引波束。這一操作動態(tài)地指向天線方向圖，為每個相應(yīng)的用戶提供更好的鏈路和更高的容量。這樣，用戶就能實(shí)現(xiàn)流量分流，更快速地釋放無線電資源以供他人使用，使整個小區(qū)的總?cè)萘揩@得凈增。
【下圖說明了有源天線系統(tǒng)如何使用波束控制為商業(yè)建筑和住宅內(nèi)的用戶端設(shè)備 (CPE) 提供端到端的固定無線接入 (FWA) 連接。】
5G FWA 的一個明顯優(yōu)勢是支持極高的峰值數(shù)據(jù)速率，每位用戶因此無需具備專用的固定設(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)百個元件，但是由于波長短，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間內(nèi)重定向。此外，大型相控陣還可以作為單個陣列或者作為多個獨(dú)立的子陣列，指引獨(dú)特的波束在同一頻率資源上同時服務(wù)多個用戶終端。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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