與毫米波完美配合的大規(guī)模天線陣列技術(shù):5G通信的殺手锏?

訊石光通訊網(wǎng) 2016/7/21 11:23:54

  ICCSZ訊    這是最好的時代,也是最壞的時代。

  生活在科技大爆發(fā)的時代里,你是否感覺到一絲慶幸? 虛擬現(xiàn)實、自動駕駛,無數(shù)令人血脈僨張的新型應用正在井噴式地爆發(fā),模糊了虛擬和現(xiàn)實的邊界,并深刻地改變著我們觸碰和認知世界的方式。

  而這,對于通信人而言卻是一場艱苦卓絕的戰(zhàn)斗?! ?/p>

  眾說周知,無線通信依托于電磁波傳播,最寶貴的資源莫過于頻帶。為防止移動通信網(wǎng)、無線電視、廣播、軍用頻段等的相互干擾,每個國家都對無線頻段的使用做出了嚴格的劃分。根據(jù)電磁波在空氣中傳播的特性,6G赫茲以下頻段因其在空氣中衰減小、穿透力強等優(yōu)點,被視為優(yōu)質(zhì)頻帶資源,很多依托無線電的應用都集中在這一頻段資源上,因此無比擁擠。

  另一方面,用戶對移動通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)需求正呈現(xiàn)爆發(fā)性的增長,特別是需要實時傳輸大量數(shù)據(jù)的無線應用,如視頻直播、高清電話會議、虛擬現(xiàn)實游戲等,對網(wǎng)絡(luò)容量是嚴峻的考驗。而“關(guān)鍵型任務(wù)機器通信” (mission-critical machine type communication) 又對通信的可靠性和時延提出了極為苛刻的要求,此類應用包括工業(yè)自動化、車輛通信等。1000倍于4G LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量和1毫秒極低時延已逐漸成為業(yè)界對下一代無線通信網(wǎng)要求的共識。

  面對強烈需求,背靠緊缺資源,如何滿足科技爆發(fā)時代最底層速率的需求,為社會架起一條高速信息管道? “5G”正在給出答案。5G (Fifth Generation),即第五代無線通信系統(tǒng),是在走過模擬通信、第二代、第三代和正在經(jīng)歷的第四代LTE系統(tǒng)之后,通信人正在攀登的另一座高峰。

  一個體系的革新?lián)Q代,其中必包含了無數(shù)的創(chuàng)新點,5G也是如此。筆者將與你分享其間的一項關(guān)鍵技術(shù), 大規(guī)模天線陣列。它的應用不單可以大幅度提升網(wǎng)絡(luò)容量和用戶體驗,也將對通信行業(yè)產(chǎn)成深遠的影響,1分鐘下載一部高清電影的時代已經(jīng)離我們不遠了。

  波束成形

  理解大規(guī)模天線首先需要了解波束成形技術(shù)。 傳統(tǒng)通信方式是基站與手機間單天線到單天線的電磁波傳播,而在波束成形技術(shù)中,基站端擁有多根天線,可以自動調(diào)節(jié)各個天線發(fā)射信號的相位,使其在手機接收點形成電磁波的疊加,從而達到提高接收信號強度的目的。

  從基站方面看,這種利用數(shù)字信號處理產(chǎn)生的疊加效果就如同完成了基站端虛擬天線方向圖的構(gòu)造,因此稱為”波束成形” (Beamforming)。通過這一技術(shù),發(fā)射能量可以匯集到用戶所在位置,而不向其他方向擴散,并且基站可以通過監(jiān)測用戶的信號,對其進行實時跟蹤,使最佳發(fā)射方向跟隨用戶的移動,保證在任何時候手機接收點的電磁波信號都處于疊加狀態(tài)。

  打個比方, 傳統(tǒng)通信就像燈泡,照亮整個房間,而波速成形就像手電筒,光亮可以智能地匯集到目標位置上?! ?/p>

普通全向天線,覆蓋所有區(qū)域  

波速成形后的天線,將能量集中到一個方向

  在實際應用中,多天線的基站也可以同時瞄準多個用戶,構(gòu)造朝向多個目標客戶的不同波束,并有效減少各個波束之間的干擾。這種多用戶的波束成形在空間上有效地分離了不同用戶間的電磁波,是大規(guī)模天線的基礎(chǔ)所在。  

  大規(guī)模天線陣列

  大規(guī)模天線陣列正是基于多用戶波束成形的原理,在基站端布置幾百根天線,對幾十個目標接收機調(diào)制各自的波束,通過空間信號隔離,在同一頻率資源上同時傳輸幾十條信號。這種對空間資源的充分挖掘,可以有效利用寶貴而稀缺的頻帶資源,并且?guī)资兜靥嵘W(wǎng)絡(luò)容量。

  大家可以從下圖中美國萊斯大學的大規(guī)模天線陣列原型機中看到由64個小天線組成的天線陣列,這很好地展示了大規(guī)模天線系統(tǒng)的雛形?! ?/p>

美國萊斯大學 Argos 大規(guī)模天線陣列原型機

  大規(guī)模天線陣列為何能動搖通信底層?

  大規(guī)模天線并不只是簡單地擴增天線數(shù)量,因為量變可以引起質(zhì)變。依據(jù)大數(shù)定理和中心極限定理,樣本數(shù)趨向于無窮,均值趨向于期望值,而獨立隨機變量的均值分布趨向于正態(tài)分布。隨機變量趨于穩(wěn)定,這正是“大”的美。

  在單天線對單天線的傳輸系統(tǒng)中,由于環(huán)境的復雜性,電磁波在空氣中經(jīng)過多條路徑傳播后在接收點可能相位相反,互相削弱,此時信道很有可能陷于很強的衰落,影響用戶接收到的信號質(zhì)量。而當基站天線數(shù)量增多時,相對于用戶的幾百根天線就擁有了幾百個信道,他們相互獨立,同時陷入衰落的概率便大大減小,這對于通信系統(tǒng)而言變得簡單而易于處理。

  大規(guī)模天線有哪些好處?

  第一,當然是大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量。

  第二,因為有一堆天線同時發(fā)力,由波速成形形成的信號疊加增益將使得每根天線只需以小功率發(fā)射信號,從而避免使用昂貴的大動態(tài)范圍功率放大器,減少了硬件成本。

  第三,大數(shù)定律造就的平坦衰落信道使得低延時通信成為可能。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)為了對抗信道的深度衰落,需要使用信道編碼和交織器,將由深度衰落引起的連續(xù)突發(fā)錯誤分散到各個不同的時間段上(交織器的目的即將不同時間段的信號揉雜, 從而分散某一短時間內(nèi)的連續(xù)錯誤),而這種揉雜過程導致接收機需完整接受所有數(shù)據(jù)才能獲得信息,造成時延。在大規(guī)模天線下,得益于大數(shù)定理而產(chǎn)生的衰落消失,信道變得良好,對抗深度衰弱的過程可以大大簡化,因此時延也可以大幅降低。

  值得一提的是,與大規(guī)模天線形成完美匹配的是5G的另一項關(guān)鍵技術(shù)——毫米波。毫米波擁有豐富的帶寬,可是衰減強烈,而大規(guī)模天線的波束成形正好補足了其短板。

新聞來源:雷鋒網(wǎng)

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