淺談5G天線技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

?? ? ??摘要：從工信部提出5G的預(yù)商用計(jì)劃開始，5G的發(fā)展日新月異，目前已經(jīng)具備商用部署的條件。但與此同時(shí)，業(yè)內(nèi)仍然還面臨許多技術(shù)及測(cè)試測(cè)量方面的挑戰(zhàn)。金智創(chuàng)新主要分析了5G通信天線方面所面臨的的問(wèn)題，為大規(guī)模天線的進(jìn)一步商用發(fā)展做了探討。

　　目前5G通信天線所使用的技術(shù)中，Massive MIMO毫無(wú)疑問(wèn)是亮點(diǎn)技術(shù)，國(guó)內(nèi)設(shè)備商在這個(gè)技術(shù)點(diǎn)做了非常多的技術(shù)儲(chǔ)備和市場(chǎng)應(yīng)用方案。5G的峰值速率與傳統(tǒng)4G時(shí)代20 MHz帶寬下的150 Mb/s的峰值速率相比，頻譜效率提升了5倍之多。但是從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證到技術(shù)成熟，再到大規(guī)模商用還有很多的問(wèn)題要解決。

　　FDD上下行信道的互易性問(wèn)題

　　首先，大規(guī)模 MIMO天線需要解決如何快速、準(zhǔn)確的捕捉不同終端的信號(hào)，如何將用戶的信道信息反饋至每一個(gè)天線，以及如何降低用于捕捉終端反饋信號(hào)的功耗問(wèn)題。

　　傳統(tǒng)的方式是終端監(jiān)控基站下發(fā)的導(dǎo)頻信號(hào)，然后估計(jì)信道信息再反饋給基站，但這種方法在大規(guī)模天線技術(shù)中變得不再適用。因?yàn)? G基站天線增多，終端向基站反饋信息會(huì)消耗大量的上行鏈路資源，不僅影響了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量還增加了時(shí)延，這是5 G技術(shù)所不能接受的。

　　目前使用較多的技術(shù)方案是基于 TDD(時(shí)分雙工)的上、下行信道的對(duì)稱性，利用終端向基站發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，基站監(jiān)測(cè)上行鏈路，并基于信道對(duì)稱性推斷下行鏈路信息，從而快速、準(zhǔn)確地調(diào)整天線狀態(tài)。此技術(shù)可以在用戶移動(dòng)速度小于500km/h，保持與用戶間的高質(zhì)量通信。

　　但是， FDD技術(shù)的互易特性不好(互易性為在單一激勵(lì)的情形下，激勵(lì)端與響應(yīng)端交換位置時(shí)，響應(yīng)不因這種互換而有所改變的特性)，如何解決 FDD的互易性是需要重點(diǎn)克服的問(wèn)題之一。

　　大規(guī)模MIMO天線波束賦形的算法問(wèn)題

　　大規(guī)模天線波束賦形的算法比較復(fù)雜，當(dāng)連接數(shù)成倍增加時(shí)，導(dǎo)致硬件不能及時(shí)完成實(shí)時(shí)計(jì)算，最終導(dǎo)致時(shí)延增加。而時(shí)延增加將導(dǎo)致實(shí)時(shí)響應(yīng)要求高的業(yè)務(wù)無(wú)法進(jìn)行、用戶快速移動(dòng)中的通信需求無(wú)法滿足。算法的復(fù)雜度問(wèn)題和多用戶連接時(shí)的資源調(diào)度問(wèn)題，是現(xiàn)在亟需解決的問(wèn)題。

　　大規(guī)模天線OTA測(cè)試問(wèn)題

　　無(wú)論是5G基站還是兼容5G的移動(dòng)設(shè)備，都可以擁有數(shù)百個(gè)無(wú)限電信道并同時(shí)進(jìn)行掃描和處理，這讓天線的測(cè)試變得越來(lái)越復(fù)雜。對(duì)于終端測(cè)試而言，5 G毫米波的測(cè)試不能再使用傳統(tǒng)的連線測(cè)試，只能采用 OTA(空中下載技術(shù)測(cè)試)測(cè)試方法，而基于高頻通信的 OTA測(cè)試方法及測(cè)試設(shè)備還在試驗(yàn)發(fā)展當(dāng)中。

　　信道建模及高頻天線選址問(wèn)題

　　天線振子數(shù)量的大幅增加，勢(shì)必帶來(lái)天線尺寸的增大。而要解決這一問(wèn)題，就要使用高頻通信來(lái)降低天線尺寸。眾所周知，天線的尺寸由組成天線的半波振子決定，波長(zhǎng)與頻率成反比，因此提高通信頻率可以降低天線振子的大小。大規(guī)模陣列式天線增加了天線振子數(shù)量，縮小了天線尺寸，傳統(tǒng)以平面波為傳播基礎(chǔ)進(jìn)行的信道建模將不再適用，必須考慮使用多平面或者曲面建模。

　　但高頻通信又要解決毫米波技術(shù)的相關(guān)問(wèn)題，同時(shí)高頻天線的安裝涉及到基站選址問(wèn)題，公眾擔(dān)心高頻輻射拒絕基站就近小區(qū)安裝，這也是要解決的問(wèn)題。

　　大規(guī)模MIMO天線的功耗問(wèn)題

　　5G基站的部署不管是皮基站還是大規(guī)模MIMO系統(tǒng)基站都面臨功耗大、設(shè)備尺寸和重量大、部署成本高等問(wèn)題。比如過(guò)去的小基站只需要滿足單頻段即可，而5 G的皮基站則需要支持三到四個(gè)頻段，大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)也將從普通8 T8 R(8個(gè)發(fā)射器，8個(gè)接收器)擴(kuò)展為64 T64 R或128 T128 R系統(tǒng)，天線尺寸、重量和功耗都可能成倍增長(zhǎng)，功耗與安裝成本問(wèn)題也是規(guī)模部署需要解決的問(wèn)題。

　　結(jié)語(yǔ)

　　在5 G高頻通信中，大規(guī)模天線技術(shù)對(duì)提高通信速率、頻譜利用率、降低時(shí)延方面都有著突出的作用，對(duì)實(shí)現(xiàn)5 G通信也起著至關(guān)重要的作用。雖然目前技術(shù)還未完全成熟，理論到市場(chǎng)還有一段路要走，但隨著相關(guān)技術(shù)研究的不斷深入，這些問(wèn)題有望得到一一解決，早日為5 G商用鋪平道路。