5G天線設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn) 適應(yīng)5G頻率范圍的全頻譜

第五代新無(wú)線 (5G NR) 通信框架帶來(lái)了蜂窩通信的全新方法。得益于更大的帶寬，5G新無(wú)線能夠支持可擴(kuò)展波形、多種接入機(jī)制以及業(yè)務(wù)復(fù)用，并且可以在支持現(xiàn)有服務(wù)的同時(shí)向前兼容將來(lái)的需求。

雖然5G無(wú)線需要采用比以往的協(xié)議更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，其數(shù)據(jù)傳輸速度也顯著高于以往的協(xié)議，但其成功的關(guān)鍵之一在于天線設(shè)計(jì)。本文回顧了5G用例和5G規(guī)范如何改變天線設(shè)計(jì)，以及這些新設(shè)計(jì)如何克服實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
5G新無(wú)線規(guī)范及其對(duì)天線設(shè)計(jì)的意義

5G在其構(gòu)想中是一種能實(shí)現(xiàn)以下功能的規(guī)范：
●? ? ? ? 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶 (eMBB)：適用于數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR)、3D視頻會(huì)議、2D流視頻、固定的無(wú)線Internet訪問(wèn)接入點(diǎn)以及其他高帶寬應(yīng)用
●? ? ? ? 大規(guī)模機(jī)器類通信 (mMTC)：適用于大規(guī)模直接物聯(lián)網(wǎng) (loT) 連接，包括互聯(lián)城市和互聯(lián)家庭中的高密度傳感器和設(shè)備陣列、用于監(jiān)控復(fù)雜全球供應(yīng)鏈的設(shè)備以及高速移動(dòng)的互聯(lián)設(shè)備
●? ? ? ? 低時(shí)延高可靠通信 (URLLC)：適用于關(guān)鍵任務(wù)實(shí)時(shí)應(yīng)用，例如工業(yè)控制系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛汽車，以及諸如遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)手術(shù)等需要高帶寬、高可靠性和低延遲的應(yīng)用

要滿足這些要求，就必須使用新的頻譜。分配給5G通信的新頻譜分為中低頻 (6GHz以下) 和高頻 (24GHz以上的毫米波) 兩部分，因而5G天線設(shè)計(jì)面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)就是部分設(shè)備需要在多個(gè)頻帶上運(yùn)行。另一個(gè)問(wèn)題則源自毫米波信號(hào)的傳輸特性，因?yàn)樵谕瑯拥姆涓C網(wǎng)絡(luò)功率下，毫米波相比中低波段而言更容易受到建筑、植物、雨滴的阻礙，導(dǎo)致毫米波通信被限制在視線可及范圍內(nèi)，因而需要將蜂窩設(shè)置得更小，但這樣做會(huì)使蜂窩之間更容易發(fā)生邊緣干擾。
此外，天線的體積大小也是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。雖然較高頻率的信號(hào)只需較小的天線就可以實(shí)現(xiàn)相同的增益水平，但天線面積小就意味著捕獲的能量少，其有效的信號(hào)覆蓋范圍也會(huì)小于使用低頻信號(hào)的情況。但是，在天線物理面積固定的情況下，隨著頻率提高、波束寬度減小，其收發(fā)增益都會(huì)增大。對(duì)于各種天線實(shí)施方式而言，都需要在尺寸和增益之間做出權(quán)衡，才能找出最合適的尺寸。

5G天線技術(shù)和設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)5G新無(wú)線的目標(biāo)，就需要在新的天線設(shè)計(jì)中采用有源天線陣列，以擴(kuò)大覆蓋范圍、減少干擾并提高數(shù)據(jù)承載能力。

適應(yīng)5G頻率范圍的全頻譜

為了能夠在分配給5G通信的所有頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，5G新無(wú)線使用了可擴(kuò)展框架，該框架可在450MHz至6GHz之間 (即頻率范圍1［FR1］) 以及24.25GHz至52.6GHz之間 (即頻率范圍2［FR2］) 運(yùn)行。

在具體實(shí)現(xiàn)上，5G新無(wú)線采用可伸縮正交頻分復(fù)用 (OFDM) 波形來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。該波形可在子載波信號(hào)之間留出不同的間隔，以適應(yīng)不同頻率范圍提供的各種信道寬度。頻率越高，信道就越寬，子載波間隔就越大；頻率越低，信道就越窄，子載波間隔就越小。將子載波間隔縮放到可用的信道寬度，就可以使5G框架在較寬的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，最終便可以在現(xiàn)有的4G長(zhǎng)期演進(jìn) (LTE) 網(wǎng)絡(luò)中部署5G，并且使5G通信系統(tǒng)可以根據(jù)用例或工作負(fù)載要求在中低頻和高頻之間切換。

對(duì)于天線設(shè)計(jì)人員，他們則需要面對(duì)物理定律帶來(lái)的挑戰(zhàn)。FR1中1GHz信號(hào)的波長(zhǎng)約為30cm；FR2中28GHz信號(hào)的波長(zhǎng)為1.07mm。這兩種信號(hào)不能共用同一天線，因此對(duì)于需要在FR1和FR2頻帶均能運(yùn)行的5G設(shè)備來(lái)說(shuō)，將至少需要兩組天線。這在大型設(shè)備和基站中尚可接受，因?yàn)樗鼈冇凶銐虻目臻g容納多個(gè)天線陣列；但對(duì)于小型設(shè)備和手機(jī)而言，這就成為了設(shè)計(jì)中面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。高通公司 (Qualcomm?) 等部分制造商已經(jīng)開(kāi)始發(fā)布緊湊型射頻 (RF) 模塊，這些模塊能夠與多個(gè)5G頻段的天線陣列一起工作。

器件密度、數(shù)據(jù)吞吐量和大規(guī)模MIMO

G規(guī)范帶來(lái)的一大挑戰(zhàn)，是要在支持更高數(shù)據(jù)速率聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的同時(shí)，支持它們以更高的密度連接，這就需要提高蜂窩小區(qū)密度，同時(shí)更加廣泛地使用4G LTE網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)運(yùn)用的多輸入多輸出 (MIMO) 天線技術(shù)。MIMO是由多個(gè)發(fā)射和接收天線組成的天線陣列 (目前LTE網(wǎng)絡(luò)通常采用8×8天線陣列)。MIMO使用空間復(fù)用將信號(hào)分解為編碼流，并同時(shí)通過(guò)陣列中的不同天線進(jìn)行傳輸；發(fā)射和接收設(shè)備都具有多個(gè)天線以及用于編碼和解碼多路復(fù)用信號(hào)的信號(hào)處理機(jī)制。通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)可以做到以下兩點(diǎn)：

●? ? ? ? 同時(shí)與多個(gè)用戶和設(shè)備進(jìn)行通信。
●? ? ? ? 以更高的吞吐量進(jìn)行通信。

MIMO的類型多種多樣，而用于5G的一大重要類型是大規(guī)模MIMO（mMIMO）。與以往的MIMO方案相比，該類型MIMO在天線設(shè)計(jì)上將更多的天線單元封裝到一個(gè)密集的陣列中。低頻天線通常較大，所以在一個(gè)大小可接受的低頻MIMO陣列中，能夠容納的天線單元數(shù)量存在明顯的限制；而毫米波的天線單元往往小得多，因而只需較小的封裝，就可以構(gòu)建mMIMO陣列。部分制造商已經(jīng)開(kāi)始制造包含128個(gè)單元的mMIMO天線。通過(guò)增加數(shù)據(jù)流的數(shù)量，mMIMO可以在無(wú)需增加頻譜的情況下提高信號(hào)容量，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)速率和鏈路可靠性。

波束成形、方向性和用戶設(shè)備跟蹤

波束成形是一種通過(guò)對(duì)傳輸進(jìn)行整形，從而創(chuàng)建出針對(duì)特定接收天線并且界限清晰的天線方向圖的方法。這一功能是通過(guò)調(diào)整等距天線陣列中不同天線單元的相位和振幅傳輸來(lái)完成的。波束成形可用于減少干擾，還可通過(guò)集中波束能量來(lái)擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍。初期的中頻5G部署采用4×4或8×8的MIMO天線，通過(guò)與運(yùn)行中的LTE網(wǎng)絡(luò)類似的方式實(shí)現(xiàn)波束成形；而高頻（毫米波）5G部署將采用更大的mMIMO天線來(lái)獲得自適應(yīng)陣列的優(yōu)勢(shì)，這種天線中的天線單元更多，并能夠?qū)崿F(xiàn)更緊密的波束成形和實(shí)時(shí)控制。

5G波束成形的效果取決于發(fā)射設(shè)備確定到達(dá)對(duì)應(yīng)接收設(shè)備的最佳信號(hào)路徑。在確定此路徑的過(guò)程中，發(fā)射設(shè)備分析收發(fā)雙方之間發(fā)送的探測(cè)參考信號(hào)（SRS），然后評(píng)估這些信號(hào)以得出信道狀態(tài)。隨后發(fā)射設(shè)備基于信道狀態(tài)信息 (CSI) 應(yīng)用波束成形算法，在接收效果最好的最佳調(diào)度期間向最合適的方向發(fā)射成形處理后的無(wú)線電模式。如果該路徑是通往接收設(shè)備的最佳路徑，則波束成形可以讓信號(hào)通過(guò)建筑物的反射到達(dá)接收設(shè)備。在許多設(shè)備都使用相同mMIMO信道的環(huán)境中，算法將對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行計(jì)時(shí)，以避免數(shù)據(jù)包沖突，最大程度減少信號(hào)干擾。

為了避免出現(xiàn)干擾和信號(hào)中斷，發(fā)射設(shè)備需要不斷跟蹤接收設(shè)備并重新計(jì)算最佳數(shù)據(jù)路徑。這樣一來(lái)，當(dāng)5G設(shè)備（如車輛或手機(jī)）發(fā)生移動(dòng)或者有物體擋住最佳信號(hào)路徑時(shí)，就可以實(shí)時(shí)調(diào)整傳輸，確保數(shù)據(jù)連接一致、不中斷。波束成形是一個(gè)計(jì)算密集型過(guò)程，需要信號(hào)處理能力強(qiáng)大的有源MIMO天線。

對(duì)上下行鏈路的要求

在給定的使用情況下，5G規(guī)范可使最大下行鏈路數(shù)據(jù)速率達(dá)到上行鏈路數(shù)據(jù)速率的兩倍。在頻率低于2.6GHz的當(dāng)前部署階段，5G至少需要采用4×4下行鏈路MIMO，并且建議至少采用2x2上行鏈路MIMO。

針對(duì)不同用例的天線設(shè)計(jì)

部署5G網(wǎng)絡(luò)，需要采用許多適用于室內(nèi)和室外的天線封裝，以小蜂窩廣覆蓋的方式組網(wǎng)，同時(shí)還需要各種類型的終端設(shè)備。以下是一些基于幾種常見(jiàn)部署情況的5G天線設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

基站

當(dāng)今大多數(shù)手機(jī)信號(hào)塔的網(wǎng)絡(luò)資源都非常擁擠。為此，構(gòu)建集成高低頻的緊湊型5G天線是最具成本效益的解決方案。此外，要通過(guò)將天線放置在路燈桿和建筑物拐角處以實(shí)現(xiàn)小蜂窩覆蓋，也離不開(kāi)更緊湊的設(shè)計(jì)。目前，多家電信運(yùn)營(yíng)商已開(kāi)始部署小型4G蜂窩，以解決帶寬和延遲問(wèn)題。在早期5G部署中，需要在現(xiàn)有4G LTE天線旁放置5G天線，或者將現(xiàn)有天線更換為可同時(shí)用作4G LTE天線和低頻5G天線的單元。

最終，不同的頻率范圍將會(huì)用于不同的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。例如，部分現(xiàn)在使用700MHz頻率范圍的室外大蜂窩和小蜂窩實(shí)現(xiàn)將使用3GHz至5GHz頻率范圍；高帶寬的室內(nèi)和室外應(yīng)用可能會(huì)采用微蜂窩架構(gòu)，這種架構(gòu)使用的是分布式天線系統(tǒng)。隨著更高頻率的5G推出，帶有許多天線單元的mMIMO陣列將有助于減少網(wǎng)絡(luò)擁塞并增加基站容量。

用戶和終端設(shè)備

數(shù)據(jù)、通信要求、工作頻率和設(shè)備的設(shè)計(jì)將決定各種5G應(yīng)用所采用的天線設(shè)計(jì)。5G連接的傳感器和控制設(shè)備有許多用途，它們尤其有望在制造業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)視和控制、農(nóng)業(yè)和固定的無(wú)線Internet接入點(diǎn)中取代電纜連接。針對(duì)低數(shù)據(jù)速率和低延遲優(yōu)化的傳感器和控制器需要在特定頻率下運(yùn)行。固定的無(wú)線Internet接入點(diǎn)可能會(huì)結(jié)合使用6GHz以下頻率和毫米波頻率，前者用于控制平面信號(hào)，后者用于為最終用戶設(shè)備提供高吞吐量和低延遲。其他應(yīng)用，例如自動(dòng)駕駛汽車，則會(huì)提出更加復(fù)雜的要求，諸如“車聯(lián)萬(wàn)物”(V2X) 通信之類的技術(shù)就需要實(shí)現(xiàn)低延遲控制功能和高帶寬。對(duì)于車輛而言，天線陣列可以靈活地嵌入到車體中。

手機(jī)

手機(jī)本身就已經(jīng)裝有天線，因此要通過(guò)增加天線來(lái)支持全部5G頻率，這會(huì)是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。許多手機(jī)的內(nèi)部空間極為有限，但它們需要采用MIMO天線來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能，并且需要將天線放在邊緣和角落的位置，因?yàn)橹挥羞@些位置才能補(bǔ)償阻擋毫米波的物體，例如用戶的手，從而實(shí)現(xiàn)波束成形。

5G天線設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

5G天線在5G通信的正常工作中起著關(guān)鍵作用，但它們也帶來(lái)了工程上的挑戰(zhàn)。天線設(shè)計(jì)人員通常是從天線仿真軟件開(kāi)始的，這些軟件可以根據(jù)某些假設(shè)條件投射信號(hào)場(chǎng)。但這只是設(shè)計(jì)天線的第一步。

在5G天線設(shè)計(jì)中，天線測(cè)試是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。5G天線并不是靜態(tài)的全向設(shè)備；它們是活動(dòng)的，并且會(huì)將信號(hào)傳輸?shù)教囟ㄔO(shè)備。將5G天線放在測(cè)試室中進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，并不能展示其在嘈雜RF環(huán)境中與上千臺(tái)不斷移動(dòng)的設(shè)備同時(shí)通信的性能。大多數(shù)天線設(shè)計(jì)人員并不確定通過(guò)怎樣的方法才能最有效地測(cè)試使用mMIMO陣列的設(shè)備或驗(yàn)證其性能。一些測(cè)試方法還可能涉及基于場(chǎng)景的自動(dòng)化測(cè)試。

5G天線的設(shè)計(jì)很大程度上仍然是一項(xiàng)未竟的事業(yè)。初期的5G部署才剛剛開(kāi)始，涉及安裝低頻5G以與4G LTE協(xié)同工作。只有在現(xiàn)在進(jìn)行更多的試驗(yàn)，才能實(shí)現(xiàn)需要更復(fù)雜天線的未來(lái)部署。


作者簡(jiǎn)介：David Talbott是Mighty Guides的IT和技術(shù)分析師，專注于各種新興技術(shù)，包括深度學(xué)習(xí)、云計(jì)算和邊緣計(jì)算以及海量連接（ubiquitous connectivity），同時(shí)還關(guān)注如何將這些技術(shù)融合，以創(chuàng)建強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)系統(tǒng)。