5G,最關鍵的技術是天線!
2021-01-21 5G通信說到天線，大家一定不會陌生。
在無線技術非常普及的現代社會，天線在我們生活中隨處可見。
其中最常見的，當然是我們移動通信網絡所使用的基站天線。
基站天線對我們的生活至關重要。如果沒有它，我們的手機就沒有信號，我們也就無法愉快地網購、追劇和吃雞。
如果大家細心觀察，就會發現，不同設備的天線，有著不同的外型和尺寸。
沒錯！從理論上來說，天線的理想長度通常是電磁波波長的1/4。
所以，我們會看到，模擬電視拉杆天線長度一般是0.175~0.5米、FM收音機的天線長度是0.675~0.85米。
而我們的移動通信網絡，工作頻率主要在700M~3500MHz之間，所以天線的尺寸要小得多。
小得都已經看不見了（藏到了手機裡）
但是，無線信號的工作頻率更高、波長更短，導致了一個不好的結果——它的抗幹擾能力和繞射能力明顯減弱了。尤其在城市複雜環境下，信號質量更容易受影響。
因此，工程師們需要不斷研發新技術，用於提升移動通信系統的容量和覆蓋。
天線，作為移動通信的關鍵一環，自然而然成為工程師們大開腦洞的首要對象。
接下來，我們就來康康，咱們的基站天線到底玩了哪些神操作。
在移動通信最早期的1G時代，基站所使用的幾乎都是全向天線。當時的用戶數量很少，傳輸的速率也比較低。
到了2G時代，天線逐漸演變成了定向天線，比如天線覆蓋角度為120°，一個小區會有三個扇區，演變為蜂窩通信。
3G時代，智能天線誕生，單一的天線發展成多天線，也就是我們常說的MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多入多出）多天線技術。
MIMO增加了天線個數，也就增加了信號傳輸的通道數量。
那麼，該怎樣利用多出來的通道數量呢？
最開始的時候，工程師們想到的是把它用於增強覆蓋。
他們基於MIMO，提出了一種新的傳輸模式，叫做「傳輸分集」。簡單來說，就是「把相同的內容通過不同的天線發送出去」。
「傳輸分集」：分散發射、集中處理
這種模式，可以緩解信道質量不穩定帶來的性能下降，從而增強覆蓋。
後來，MIMO又發展出另一種模式，叫做「空間復用」。
空間復用是將要傳送的數據分成幾個數據流，然後在不同的天線上進行傳輸，從而提高系統的傳輸速率。
這種模式，主要用於提升小區容量。
在實際應用中，同一部分天線不可能既用於傳輸分集，又用於空間復用。所以，MIMO天線需要在上述兩種模式中進行權衡。權衡的結果，直接影響到頻率資源的利用率。
到了5G時代，情況又發生了變化。
在4G到5G演進的過程中，隨著頻率的增加，天線尺寸進一步縮小，天線數量進一步增加。
於是，MIMO就變成了Massive MIMO ，也就是「大規模MIMO」。傳統的MIMO通常有2天線、4天線、8天線，Massive MIMO的天線數量可以超過100個。
比如，當前5G主流選擇之一的64T64R天線，即64通道Massive MIMO天線，就是由192個天線振子組成。
Massive MIMO的出現，讓傳輸模式又有了新的玩法。
Massive MIMO系統可以控制每一個天線單元發射（或接收）信號的相位和信號幅度，通過對多個天線單元進行調節，產生具有指向性的波束。
這樣一來，可以使無線信號能量在手機位置形成電磁波的疊加，從而提高接收信號強度。
這種技術，就是傳說中的波束賦型。
波束賦型讓波束的能量向指定的方向集中，不僅可以增強覆蓋距離，還可以降低相鄰波束間的幹擾，讓更多的用戶可以同時通信，提升小區容量。
也就是說，它將分集和復用的優點集於一身。
值得一提的是，波束賦型的效果取決於天線的數量，還有算法的質量。算法是根據手機的位置和狀態信息，進行實時計算，通過天線形成理想的波束。
相比之下，分集和復用的工作方式比較寬鬆，當手機信息不充分的時候（例如手機移動太快），還是可以發揮很大作用。
除了增強覆蓋和提升容量之外，Massive MIMO還有一個秘技——當天線振子數量足夠多時，Massive MIMO能夠打破空間的限制。
16T16R以下的Massive MIMO天線陣列，只能提供水平維度的2D波束賦型。32T32R和64T64R的Massive MIMO天線陣列，可以實現水平和垂直方向上的3D波束賦型，進而有效增強對高層住宅的覆蓋。
由此可見，Massive MIMO將多天線技術推向了一個更高的高度。Massive MIMO和波束賦型這對史上最強CP，讓天線更智能、更強大，被稱為5G關鍵技術是名至實歸。
「Massive MIMO+波束賦型」強大能量的背後，是對廠商軟硬體研發能力的嚴峻考驗。
在研發的過程中，天線系統的濾波特性、增益作用、抗幹擾效果，都是工程師們需要深思熟慮的問題。而且天線數量和手機終端數量越多，天線的複雜度就越高，對算法和晶片處理能力的要求也越高。
只有強大的算法，才能讓波束賦型產生像舞臺追光一樣的理想效果。
目前，只有少部分廠商具備高階（64T64R及以上）Massive MIMO天線的研發和製造能力。
而華為，就是其中之一。從華為公布的5G天線發展趨勢來看，高集成度的Massive MIMO是5G關鍵技術，具備超強的波束賦型能力，為5G帶來可觀的性能提升。
好啦，關於5G天線的故事，今天就講到這裡。感謝大家的觀看，我們下期再見！
—— 全文完 ——
文章作者：小棗君
漫畫繪製：小洋同學
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