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【世说设计】载波网络将如何实现 5G?

2019-11-26
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有源天线系统、波束成形、波束控制、固定无线接入 (FWA) : 向 5G 的过渡正在为商业领域带来新的术语和技术。5G 始于载波网络,需要载波网络为这些新一代技术提供支撑。本博文解释了一些能够实现 5G 基站和网络的关键 RF 通信技术。


本博文节选自电子书《5G RF For Dummies®》第 4 章。


5G 始于载波网络


5G 网络必须处理许多需要不同有源天线系统 (AAS) 的功能,以应对增强型移动宽带 (eMBB)、大规模机器类型通信 (mMTC) 和超可靠低延迟通信 (uRLLC) 的挑战。


其中的第一大应用将是有源天线系统 (AAS) 在毫米波 (mmWave) 频段中提供固定无线接入 (FWA)。FWA 是在毫米波频段中实现 5G 的基础。运营商和基础设施制造商都一直在进行试验,并计划通过这项服务,以更具扩展性和经济性的方式提供宽带。尽管该服务的受众是游牧式用户和固定用户,但在设计中考虑到了真正的移动性。因此,运营商得以涉足将成为移动 5G 基础的全新毫米波技术(比如相控阵天线和混合式波束成形)。


3GPP 标准定义中最近的一个转变 — 增加加速路径,称为非独立 (NSA) 5G — 作为一种经济高效的方式,可将早期的 5G 优势带入市场,而无需增建独立 (SA) 5G 所需的 5G 网络核心。NSA 使用现有 4G 3GPP 频段作为 LTE 控制平面锚来实现这一点。


有源天线系统 (AAS)/全维度多路输入/多路输出 (FD-MIMO)


有源天线系统 (AAS) 是先进的基站平台,其成本、结构和性能均经过优化。4G 版本 12 增强功能显著影响了设计增强型 NodeB (eNodeB) 无线电的方式。版本 12 项目包括载波聚合的新组合、具有下行链路 MIMO (多路输入/多路输出)的空间复用增强功能以及 AAS 中所需的 RF 要求。第一张图概述了具有相应特点和优势的版本 12 项目的部分内容。



LTE Advanced eNodeB 无线电天线的演进


MIMO 技术使用安装在源(发射器)和目标(接收器)上的多个天线来提高容量和效率。如前面的图片所示,天线越多,数据流层越多。这使得单个用户的数据管道增大或不同用户使用多个数据管道(也称为多用户 (MU) MIMO)。


大规模 MIMO 将 MIMO 提升到一个新的水平。如今的 MIMO 部署通常由基站上的最多八个天线以及接收器上的一到两个天线组成。因此,基站可以同时将八个数据流发送到八个不同的用户或双重发送两个数据流到四个用户。大规模 MIMO 可扩展到数十或数百个天线(理论上可达数千个),提供众多功能和优势,其中包括:


  • 大幅提升的容量和可靠性
  • 更高的数据速率和更低的延迟
  • 更好的连接(特别是对于 5G 所使用的具有挑战性的较高频率)
  • 更少的小区间干扰
  • 通过波束成形实现更高的效率和更好的信号覆盖


下图说明了有源天线系统 (AAS) /全维度 (FD) MIMO 基站如何在水平和垂直方向上指引波束。这一操作动态地指向天线方向图,为每个相应的用户提供更好的链路和更高的容量。这样,用户就能实现流量分流,更快速地释放无线电资源以供他人使用,使整个小区的总容量获得净增。



【下图说明了有源天线系统如何使用波束控制为商业建筑和住宅内的用户端设备 (CPE) 提供端到端的固定无线接入 (FWA) 连接。】



5G FWA 的一个明显优势是支持极高的峰值数据速率,每位用户因此无需具备专用的固定设施。为了实现更高的峰值数据速率和更高的系统容量,FWA 无线电将使用 24GHz 到 42GHz(可能更高)的全新频段。


使用更大的天线阵列可提供额外的波束成形,从而克服在毫米波频率范围内遇到的更严峻的传播挑战。这些阵列可能具有数百个元件,但是由于波长短,因此极其紧凑。例如,30GHz 的 64 元件天线阵列大小只有 40 mm x 40 mm。大型阵列提供非常集中的波束,这些波束可以在不到一微秒的时间内重定向。此外,大型相控阵还可以作为单个阵列或者作为多个独立的子阵列,指引独特的波束在同一频率资源上同时服务多个用户终端。下图显示了 AAS 天线阵列(含 AAS 基站塔)的按天线 RF 子系统中 2x2 RF 前端模块的框图。


原文转自Qorvo半导体


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