【導讀】有源天線(xiàn)系統、波束成形、波束控制、固定無(wú)線(xiàn)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實(shí)現 5G 基站和網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵 RF 通信技術(shù)。
本博文節選自電子書(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(xiàn)系統 (AAS) 的功能，以應對增強型移動(dòng)寬帶 (eMBB)、大規模機器類(lèi)型通信 (mMTC) 和超可靠低延遲通信 (uRLLC) 的挑戰。
其中的第一大應用將是有源天線(xiàn)系統 (AAS) 在毫米波 (mmWave) 頻段中提供固定無(wú)線(xiàn)接入 (FWA)。FWA 是在毫米波頻段中實(shí)現 5G 的基礎。運營(yíng)商和基礎設施制造商都一直在進(jìn)行試驗，并計劃通過(guò)這項服務(wù)，以更具擴展性和經(jīng)濟性的方式提供寬帶。盡管該服務(wù)的受眾是游牧式用戶(hù)和固定用戶(hù)，但在設計中考慮到了真正的移動(dòng)性。因此，運營(yíng)商得以涉足將成為移動(dòng) 5G 基礎的全新毫米波技術(shù)(比如相控陣天線(xiàn)和混合式波束成形)。
3GPP 標準定義中最近的一個(gè)轉變 — 增加加速路徑，稱(chēng)為非獨立 (NSA) 5G — 作為一種經(jīng)濟高效的方式，可將早期的 5G 優(yōu)勢帶入市場(chǎng)，而無(wú)需增建獨立 (SA) 5G 所需的 5G 網(wǎng)絡(luò )核心。NSA 使用現有 4G 3GPP 頻段作為 LTE 控制平面錨來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。
有源天線(xiàn)系統 (AAS)/全維度多路輸入/多路輸出 (FD-MIMO)
有源天線(xiàn)系統 (AAS) 是先進(jìn)的基站平臺，其成本、結構和性能均經(jīng)過(guò)優(yōu)化。4G 版本 12 增強功能顯著(zhù)影響了設計增強型 NodeB (eNodeB) 無(wú)線(xiàn)電的方式。版本 12 項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)的空間復用增強功能以及 AAS 中所需的 RF 要求。第一張圖概述了具有相應特點(diǎn)和優(yōu)勢的版本 12 項目的部分內容。
LTE Advanced eNodeB 無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)的演進(jìn)
MIMO 技術(shù)使用安裝在源(發(fā)射器)和目標(接收器)上的多個(gè)天線(xiàn)來(lái)提高容量和效率。如前面的圖片所示，天線(xiàn)越多，數據流層越多。這使得單個(gè)用戶(hù)的數據管道增大或不同用戶(hù)使用多個(gè)數據管道(也稱(chēng)為多用戶(hù) (MU) MIMO)。
大規模 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(xiàn)以及接收器上的一到兩個(gè)天線(xiàn)組成。因此，基站可以同時(shí)將八個(gè)數據流發(fā)送到八個(gè)不同的用戶(hù)或雙重發(fā)送兩個(gè)數據流到四個(gè)用戶(hù)。大規模 MIMO 可擴展到數十或數百個(gè)天線(xiàn)(理論上可達數千個(gè))，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
● 更高的數據速率和更低的延遲
● 更好的連接(特別是對于 5G 所使用的具有挑戰性的較高頻率)
● 更少的小區間干擾
● 通過(guò)波束成形實(shí)現更高的效率和更好的信號覆蓋
下圖說(shuō)明了有源天線(xiàn)系統 (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(xiàn)方向圖，為每個(gè)相應的用戶(hù)提供更好的鏈路和更高的容量。這樣，用戶(hù)就能實(shí)現流量分流，更快速地釋放無(wú)線(xiàn)電資源以供他人使用，使整個(gè)小區的總容量獲得凈增。
【下圖說(shuō)明了有源天線(xiàn)系統如何使用波束控制為商業(yè)建筑和住宅內的用戶(hù)端設備 (CPE) 提供端到端的固定無(wú)線(xiàn)接入 (FWA) 連接?！?/div>
5G FWA 的一個(gè)明顯優(yōu)勢是支持極高的峰值數據速率，每位用戶(hù)因此無(wú)需具備專(zhuān)用的固定設施。為了實(shí)現更高的峰值數據速率和更高的系統容量，FWA 無(wú)線(xiàn)電將使用 24GHz 到 42GHz(可能更高)的全新頻段。
使用更大的天線(xiàn)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遇到的更嚴峻的傳播挑戰。這些陣列可能具有數百個(gè)元件，但是由于波長(cháng)短，因此極其緊湊。例如，30GHz 的 64 元件天線(xiàn)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)獨立的子陣列，指引獨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(xiàn)陣列(含 AAS 基站塔)的按天線(xiàn) RF 子系統中 2x2 RF 前端模塊的框圖。
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