Conocimientos de ingeniería de antenas para estaciones base 4G y 5G y escenarios de aplicación.

1 Descripción general de la antena de la estación base

Este capítulo presenta la clasificación de las antenas de estación base y la aparición de diferentes tipos de antenas en las comunicaciones móviles.

1.1 Clasificación de antenas de estaciones base

Antena omnidireccional:En el patrón horizontal, se presenta como una radiación uniforme de 360°, comúnmente conocida como omnidireccional. En el patrón vertical, se presenta como un haz con un ancho determinado. Generalmente, cuanto menor sea el ancho del haz, mayor será la ganancia. Las antenas omnidireccionales se utilizan habitualmente en sistemas de comunicación móvil en estaciones suburbanas y de condado, con amplias áreas de cobertura.

Antena direccional:En el patrón horizontal, la radiación se presenta dentro de un rango angular determinado, conocido como directividad. En el patrón vertical, se presenta como un haz con un ancho específico. Al igual que en una antena omnidireccional, cuanto menor sea el ancho del haz, mayor será la ganancia. Las antenas direccionales se utilizan generalmente en estaciones base urbanas de sistemas de comunicación móvil, donde la cobertura es reducida, la densidad de usuarios es alta y se requiere un uso intensivo de la frecuencia.

Se establecen diferentes tipos de estaciones base según los requisitos de la red, y cada tipo de estación base puede elegir diferentes tipos de antenas según sus necesidades. La selección se basa en los parámetros técnicos mencionados anteriormente. Por ejemplo, una estación omnidireccional utiliza una antena omnidireccional con prácticamente la misma ganancia en cada dirección horizontal, mientras que una estación direccional utiliza una antena direccional con variaciones significativas de ganancia en la dirección horizontal. Generalmente, en áreas urbanas se seleccionan antenas con un ancho de haz horizontal de 65°. En áreas suburbanas, se pueden seleccionar antenas con un ancho de haz horizontal de 65°, 90° o 120° (dependiendo de la configuración de la estación y el entorno geográfico local). En áreas rurales, lo más económico es elegir una antena omnidireccional que permita una amplia cobertura.

Antena mecánica:Se refiere a una antena móvil que utiliza un ajuste mecánico del ángulo de inclinación. Una vez instalada la antena mecánica verticalmente al suelo, si se requiere optimizar la red, es necesario ajustar la posición del soporte en la parte posterior de la antena y modificar su inclinación. Durante el proceso de ajuste, si bien la distancia de cobertura en la dirección del lóbulo principal de la antena cambia significativamente, las amplitudes de las componentes vertical y horizontal permanecen inalteradas, por lo que el diagrama de radiación de la antena se deforma fácilmente.

Practice proves:The optimal downtilt angle of the mechanical antenna is 1°-5°; when the downtilt angle changes between 5°-10°, its antenna pattern is slightly deformed but not much; when the downtilt angle changes between 10°-15°, its antenna pattern changes greatly; when the mechanical antenna changes After tilting down 15°, the shape of the antenna pattern changes greatly, from a pear shape without tilting to a spindle shape. At this time, although the coverage distance in the main lobe direction is significantly shortened, the entire antenna pattern is not within the sector of the base station. The base station's signal will also be received in the sectors of adjacent base stations, causing serious intra-system interference. In addition, during daily maintenance, if you want to adjust the downtilt angle of the mechanical antenna, the entire system must be shut down, and monitoring cannot be performed while adjusting the antenna inclination. Adjusting the downtilt angle of the mechanical antenna is very troublesome, and maintenance personnel generally need to climb to the place where the antenna is placed to make adjustments. The downtilt angle of the mechanical antenna is a theoretical value calculated through computer simulation analysis software, and there is a certain deviation from the actual best downtilt angle. The number of steps for adjusting the tilt angle of the mechanical antenna is 1°, and the third-order intermodulation index is -120dBc.

Antena ajustable electrónicamente:Se refiere a una antena móvil que utiliza el ajuste electrónico de su ángulo de inclinación. El principio de la inclinación electrónica consiste en inclinar el patrón vertical de la antena hacia abajo mediante la modificación de la fase del oscilador de la antena de matriz colineal, la variación de la amplitud de los componentes vertical y horizontal, y la modificación de la intensidad de campo del componente compuesto. Dado que la intensidad de campo en todas las direcciones de la antena aumenta y disminuye simultáneamente, se garantiza que el patrón de la antena cambie poco tras modificar el ángulo de inclinación, lo que reduce la distancia de cobertura en la dirección del lóbulo principal y, al mismo tiempo, disminuye el área de cobertura del patrón completo dentro del sector de la celda de servicio sin causar interferencias. La práctica ha demostrado que cuando el ángulo de inclinación de una antena ajustable eléctricamente varía de 1° a 5°, su patrón de antena es prácticamente el mismo que el de una antena mecánica; cuando el ángulo de inclinación varía de 5° a 10°, su patrón de antena mejora ligeramente en comparación con el de una antena mecánica; y cuando el ángulo de inclinación varía de 10° a 15°, su patrón de antena es mejor que el de una antena mecánica. El cambio es mayor; cuando la antena mecánica se inclina 15° hacia abajo, su patrón de radiación es significativamente diferente al de la antena mecánica. En este caso, la forma del patrón de radiación no cambia mucho, la distancia de cobertura de la dirección del lóbulo principal se reduce significativamente y todo el patrón de radiación se encuentra dentro del sector de la estación base. Aumentar el ángulo de inclinación hacia abajo puede reducir el área de cobertura del sector sin causar interferencias. Por lo tanto, el uso de una antena ajustable electrónicamente puede reducir la pérdida de llamadas y la interferencia. Además, la antena ajustable electrónicamente permite que el sistema ajuste el ángulo de inclinación inferior del patrón de directividad vertical sin apagarse y supervise el efecto del ajuste en tiempo real. La precisión de ajuste del ángulo de inclinación también es alta (0.1°), por lo que la red puede ajustarse con precisión; el índice de intermodulación de tercer orden de la antena ajustable electrónicamente es de -150 dBc, que es 30 dBc diferente al de la antena mecánica, lo que es beneficioso para eliminar la interferencia de canal adyacente y la interferencia espuria.

Antena de doble polarización:La antena de doble polarización es un nuevo tipo de tecnología de antena que combina dos antenas con direcciones de polarización ortogonales de +45° y -45° y funciona en modo dúplex de transmisión y recepción simultáneamente. Por lo tanto, su principal ventaja es que ahorra la cantidad de antenas de una estación base unidireccional. Cantidad; Generalmente, la estación base direccional (tres sectores) de la red de comunicación móvil digital LTE utiliza 9 antenas, y cada sector utiliza 3 antenas (diversidad espacial, una transmisora ​​y dos receptoras). Si se utilizan antenas de doble polarización, cada sector solo requiere 1 antena; al mismo tiempo, debido a la doble polarización entre las antenas, la ortogonalidad de polarización de ±45° puede garantizar que el aislamiento entre las antenas de +45° y -45° cumpla con los requisitos de intermodulación para el aislamiento entre antenas (≥30dB), por lo que la distancia espacial entre las antenas de doble polarización solo necesita 20-30 cm; además, las antenas de doble polarización tienen la ventaja de ser antenas ajustables eléctricamente. El uso de antenas de doble polarización en redes de comunicación móvil, como las antenas ajustables eléctricamente, puede reducir la pérdida de llamadas, disminuir las interferencias y mejorar la calidad del servicio de toda la red. Si se utiliza una antena de doble polarización, dado que no requiere una instalación compleja, no es necesario adquirir terreno para construir una torre. Basta con erigir una columna de hierro de 20 cm de diámetro y fijar la antena de doble polarización a dicha columna según la dirección de cobertura correspondiente. Esto ahorra inversión en infraestructura, optimiza la distribución de las estaciones base y facilita la selección de su ubicación.

Para la selección de antenas, se deben elegir antenas móviles que se adapten a las necesidades de las redes móviles de la región, teniendo en cuenta las condiciones reales, como la cobertura de la red, el volumen de actividad, las interferencias y la calidad del servicio de red:

· En zonas de mucho tráfico con estaciones base densas, se deben utilizar en la medida de lo posible antenas de doble polarización y antenas ajustables eléctricamente;

· Las antenas mecánicas tradicionales pueden utilizarse en zonas como fronteras y suburbios, donde el volumen de tráfico no es elevado, las estaciones base no están densamente pobladas y solo se requiere cobertura.

1.2 Estructura interna y tipos de antenas de estaciones base de comunicación móvil

1.2.1 Antena de matriz de elementos de placa direccional

La antena direccional de placa es el tipo más común de antena para estaciones base, una característica de suma importancia. Sus ventajas son: alta ganancia, buen patrón de radiación sectorial, lóbulo posterior reducido, fácil control del ángulo de depresión del patrón vertical, sellado fiable y larga vida útil. Su apariencia se muestra en la siguiente figura:

Figura 1-1 Diagrama esquemático de la apariencia de una antena direccional de placa.

1.2.1.1 Formación de alta ganancia de antena de placa

Figura 1-2 Utilice varios osciladores de media onda para formar una matriz lineal vertical.

Figura 1-3 Principio de adición de una placa reflectante a un lado del arreglo lineal para lograr una orientación horizontal (tomando como ejemplo el arreglo vertical de dos osciladores de media onda con una placa reflectante).

Actualmente, los diseños de antenas direccionales para estaciones base de los fabricantes de antenas adoptan prácticamente en su totalidad estructuras de matriz de osciladores de tipo placa. Se seleccionan dos tipos de osciladores, como se describe en las dos secciones siguientes.

1.2.1.2 Oscilador simétrico

Conjunto simétrico de media onda estándar (añadir un oscilador adicional para reducir la altura del oscilador con respecto al suelo y reducir el grosor de la antena).

Figura 1-4 Antena de placa direccional sintetizada por múltiples osciladores de media onda.

1.2.1.3 Oscilador microcinta

La deformación del oscilador de media onda utiliza el principio de la línea de transmisión de 1/4 de longitud de onda para formar radiación:

Figura 1-5 Antena de placa direccional sintetizada por múltiples osciladores de microcinta

1.2.2 Antena dipolo omnidireccional alimentada en serie

La antena omnidireccional utiliza múltiples osciladores de media onda para lograr la síntesis y la mejora de la ganancia de radiación.

Figura 1-7 Estructura del oscilador alimentado en serie y forma del producto de la antena omnidireccional

2 4G LTETipos de antenas y análisis comparativo

El objetivo principal de esta sección es presentar el análisis comparativo de la cobertura y el tráfico entre las antenas LTE de doble polarización y las antenas de polarización simple.

2.1 Análisis de correlación entre antena LTE de doble polarización y antena de polarización simple

La introducción de la tecnología LTE multiantena agrega una dimensión espacial de libertad a los recursos inalámbricos y plantea nuevos requisitos para los modelos de canal inalámbrico. El Modelo de Canal Espacial (SCM) se propone en 3GPP TR 25.996. Este modelo es adecuado para sistemas con un ancho de banda de 5 MHz y una frecuencia portadora de aproximadamente 2 GHz. El número máximo de multitrayectorias es 6. El sistema LTE requiere que el canal inalámbrico pueda soportar hasta 20 MHz. Por lo tanto, el modelo SCME (SCM Extension) se utiliza en el informe técnico 36.803 para extender el ancho de banda del canal a 20 MHz y admitir un número máximo de multitrayectorias de 9. Entre ellos, las características de transmisión inalámbrica entre eNB y UE son una función que varía con el tiempo, que cambia con los cambios en la configuración de la antena, el ángulo de dirección de la antena, la correlación de la antena y el entorno de dispersión, como se muestra en la figura siguiente.

Figura 2-1 Diagrama esquemático de los parámetros angulares del SCM

La diferencia en el rendimiento inalámbrico entre antenas de doble polarización y antenas de polarización simple (espaciado de antenas de 10λ) depende principalmente del coeficiente de correlación de la antena de la estación base. Cuando el coeficiente de correlación es 0, indica que las antenas son relativamente independientes y la correlación es baja. Cuando el coeficiente de correlación es 1, indica que existe una fuerte correlación entre las antenas. Cuando el sistema utiliza el modo de diversidad de transmisión (como SFBC), diversidad de recepción y el modo de doble flujo MIMO, el rendimiento inalámbrico de las antenas de baja correlación es mejor que el de las antenas de alta correlación. La siguiente figura muestra los resultados de la simulación del rendimiento de SFBC con coeficientes de correlación de 0.25, 0.5, 0.6 y 1, respectivamente. Según los resultados de la simulación, cuando el coeficiente de correlación es 0.25, su rendimiento es prácticamente inalterado (en comparación con un coeficiente de correlación de 0). El rendimiento de SFBC con coeficientes de correlación de 0.5 y 0.6 disminuye entre 0.3 dB y 0.4 dB.

Figura 2-2 Comparación del rendimiento a nivel de enlace de SFBC con diferentes coeficientes de correlación.

En julio de 2008, China Mobile probó los coeficientes de correlación de diferentes configuraciones de antena. Los coeficientes de correlación específicos se muestran en la tabla a continuación:

Tabla 2-1 Coeficientes de correlación correspondientes a diferentes configuraciones de antena

Nota: Los coeficientes de correlación de la tabla anterior fueron obtenidos por China Mobile mediante pruebas del modelo SCME en zonas urbanas densas. En dichas zonas, este coeficiente de correlación resulta representativo. Sin embargo, esto no implica que pueda aplicarse a un proyecto específico ni que sea válido para todos los modelos de zonas urbanas densas.

2.2 Comparación del rendimiento entre la antena LTE de doble polarización y la antena de polarización simple.

LTE define siete modos de transmisión multiantena, incluyendo diversidad de transmisión, MIMO basado en precodificación, formación de haces, etc. Los siete modos de transmisión definidos por LTE se utilizan principalmente para considerar la selección flexible de modos de transmisión bajo diferentes escenarios y diferentes modelos de canal. Generalmente, los cuellos de botella y las deficiencias del rendimiento de las redes de comunicación móvil inalámbrica se dividen en las siguientes tres categorías:

Sistemas con limitaciones de potencia:

Escenarios de aplicación típicos: El objetivo principal es aumentar la cobertura y superar el desvanecimiento, como por ejemplo en áreas efectivas, cobertura amplia en zonas rurales, etc.

Tipo de tecnología de antena utilizada: diversidad de transmisión, diversidad de recepción

Diferencia de rendimiento: La mejora del rendimiento de la antena de polarización simple de 10λ es inferior al 5 % en comparación con la antena de polarización dual, y la diferencia de rendimiento entre ambas no es grande.

Sistemas con interferencia limitada:

Escenarios de aplicación típicos: Se utiliza principalmente en zonas urbanas densamente pobladas donde la distancia entre estaciones es relativamente pequeña. La interferencia es un factor importante que afecta al rendimiento de la red.

Tipo de tecnología de antena adoptada: RANK=2 MIMO de doble flujo, RANK=1 MIMO de flujo único, RANK adaptativo

Diferencia de rendimiento: El algoritmo adaptativo RANK es significativamente mejor que el MIMO de doble flujo forzado; al mismo tiempo, el rendimiento de las antenas de doble polarización es básicamente el mismo que el de las antenas de polarización simple de 10λ.

Sistemas con ancho de banda limitado:

Escenarios de aplicación típicos: Las condiciones del canal (CQI) son relativamente buenas, no hay cobertura continua entre estaciones base, la distancia entre estaciones base es relativamente grande y el número de usuarios es relativamente bajo. Por ejemplo: cobertura de celda única en la etapa inicial de la red experimental, etc.

Tipo de tecnología de antena: RANK=2 MIMO de doble flujo

Comparación de rendimiento: El rendimiento de la antena de polarización simple de 10λ es mejor que el de la antena de polarización dual, y la mejora del rendimiento es de aproximadamente un 20 %.

Tabla 2-2 Tabla de conclusiones sobre los escenarios de aplicación de antenas

Lo anterior analiza principalmente la diferencia de rendimiento entre las antenas de polarización simple y las de polarización dual. Sin embargo, cabe destacar que las antenas de polarización dual presentan la ventaja de una fácil instalación en ingeniería. Esto incluye la posibilidad de usar un solo polo, ajustar uniformemente el ángulo de inclinación y facilitar la mejora estética de la antena, entre otras ventajas. En la situación actual, donde la selección e instalación de emplazamientos para redes inalámbricas se vuelve cada vez más compleja, las ventajas mencionadas de las antenas de polarización dual son particularmente importantes.

3 4G LTEEscenarios de aplicación y selección de antenas de estación base

El contenido principal de esta sección explica la clasificación de las áreas de cobertura de las redes inalámbricas y la selección de antenas correspondiente en función de los escenarios reales de despliegue de la red.

3.1 Selección de antenas para estaciones base urbanas

Características del entorno de aplicación: Las estaciones base están densamente distribuidas, lo que requiere una pequeña área de cobertura por estación base individual. Se busca minimizar la cobertura entre áreas, reducir la interferencia entre estaciones base y aumentar las velocidades de descarga.

Principios de selección de antenas:

Selección del modo de polarización: Debido a la dificultad para seleccionar emplazamientos de estaciones base en zonas urbanas y al espacio limitado para la instalación de antenas, se recomienda utilizar antenas de doble polarización y antenas de banda ancha;

Selección del patrón de dirección: En las zonas urbanas, la principal consideración es mejorar la reutilización de frecuencias, por lo que generalmente se utilizan antenas direccionales;

Selección del ancho del haz a media potencia: Para controlar mejor la cobertura de la celda y suprimir las interferencias, el ancho del haz horizontal a media potencia de la antena urbana se selecciona entre 60 y 65°.

Selección de la ganancia de la antena: Dado que las estaciones base en áreas urbanas generalmente no requieren una amplia cobertura, se recomienda utilizar una antena de ganancia media. Se recomienda utilizar una antena con una ganancia de 15-18 dBi en áreas urbanas. Si la antena de microcelda se utiliza para cubrir zonas sin cobertura en áreas urbanas, se puede seleccionar una antena de menor ganancia.

Selección del ángulo de inclinación: Dado que el ángulo de inclinación de la antena en zonas urbanas se ajusta con relativa frecuencia, y algunas antenas requieren un ángulo de inclinación mayor, y la inclinación mecánica no favorece el control de interferencias, se recomienda utilizar una antena con ángulo de inclinación preestablecido. Se puede optar por una antena con ángulo de inclinación eléctrico fijo o una antena ajustable eléctricamente, según las condiciones.

3.2 Selección de antenas para estaciones base rurales suburbanas

Características del entorno de aplicación: las estaciones base están dispersas, el volumen de negocio es pequeño, los requisitos de servicio de datos son relativamente bajos y se requiere una amplia cobertura. En algunos lugares, solo hay una estación base, por lo que la cobertura se convierte en la principal preocupación. En este caso, la selección de la antena debe considerarse en función del área que se necesita cubrir alrededor de la estación base.

Principios de selección de antenas:

Selección del patrón de dirección: Si se requiere que la estación base cubra el área circundante, y no hay una direccionalidad obvia, y la distribución del tráfico alrededor de la estación base es relativamente dispersa, se recomienda utilizar cobertura de estación base omnidireccional. Al mismo tiempo, debe tenerse en cuenta que debido a la pequeña ganancia de las estaciones base omnidireccionales, la distancia de cobertura no es tan grande como la de las estaciones base direccionales. Asimismo, al instalar antenas omnidireccionales, preste atención al impacto de la torre en la cobertura, y la antena debe mantenerse perpendicular al plano del suelo. Si la autoridad local tiene requisitos de cobertura más largos para la estación base, se deben utilizar antenas direccionales para lograrlo. En general, se deben utilizar antenas direccionales con anchos de haz de media potencia de 90°, 105° y 120° en el plano horizontal;

Selección de la ganancia de la antena: Seleccione la ganancia de la antena según los requisitos de cobertura. Se recomienda elegir una antena direccional de mayor ganancia (16-18 dBi) o una antena omnidireccional de 9-11 dBi en áreas suburbanas y rurales;

Selección del método de inclinación: En zonas suburbanas y rurales, las posibilidades de ajuste de la inclinación de la antena son limitadas, y el rango y las características de ajuste del ángulo de inclinación son reducidos. Se recomienda utilizar una antena con inclinación mecánica. Asimismo, cuando la antena se instala a más de 50 metros de altura y se requiere una cobertura cercana, se puede dar prioridad a las antenas de relleno de punto cero para evitar problemas de apagón debajo de la torre.

3.3 Selección de antenas para estaciones base con cobertura en autopista

Características del entorno de la aplicación:En este entorno, el volumen de negocios es bajo y los usuarios se mueven a alta velocidad. En este momento, el enfoque está en resolver el problema de cobertura. En términos generales, lo que se busca lograr es una cobertura de franja, por lo que las celdas bidireccionales se utilizan principalmente para la cobertura de autopistas; las celdas omnidireccionales también se utilizan en áreas que atraviesan pueblos y lugares turísticos; luego, se enfatiza la cobertura amplia, y el tipo de antena a utilizar debe determinarse en función de la elección del sitio y el tipo de sitio. Los diferentes entornos de autopista varían mucho. En términos generales, hay autopistas relativamente rectas, como autopistas, ferrocarriles, carreteras nacionales, carreteras provinciales, etc. Se recomienda construir una estación junto a la autopista, utilizando el tipo de estación S1/1/1 o S1/1, con antenas direccionales de alta ganancia para lograr cobertura. Hay carreteras sinuosas y onduladas, como carreteras de montaña sinuosas, carreteras de montaña autoconstruidas a nivel de condado, etc. Debe combinarse con la cobertura rural cerca de la autopista y elegir un lugar elevado para construir la estación.

Al seleccionar una antena durante la planificación inicial, intente elegir una antena de alta ganancia con un amplio alcance para lograr una cobertura amplia.

Principios de selección de antenas:

Selección del patrón direccional: En las estaciones base que pretenden cubrir vías férreas y carreteras, se pueden utilizar antenas direccionales de haz estrecho y alta ganancia. La forma de la antena se puede seleccionar de forma flexible según factores como las ondulaciones y curvas del terreno local en el lugar de despliegue;

Selección de la ganancia de la antena: la ganancia de la antena direccional se puede seleccionar entre 17 dBi y 22 dBi, y la ganancia de la antena omnidireccional se puede seleccionar a partir de 11 dBi;

Selección del método de inclinación descendente: La cobertura en autopistas generalmente no tiene un ángulo de inclinación descendente. Se recomienda utilizar una antena de inclinación descendente mecánica más económica. Cuando la distancia es mayor a 50 metros y existen requisitos de cobertura en el extremo cercano, se puede dar prioridad a las antenas con llenado de punto cero (mayor del 15%) para resolver el problema de los puntos negros debajo de la torre;

Relación frontal-posterior: Dado que la mayoría de los usuarios de la cobertura de autopista son usuarios que se desplazan rápidamente, para garantizar una transferencia normal, la relación frontal-posterior de la antena direccional no debe ser demasiado alta.

3.4 Selección de antena de estación base para cobertura en zonas montañosas

Características del entorno de la aplicación:En zonas montañosas y de colinas remotas, las montañas bloquean severamente las ondas de radio, lo que provoca atenuación en la propagación de las ondas y dificulta la cobertura. Generalmente, la cobertura es amplia, con usuarios dispersos distribuidos dentro de un amplio radio de cobertura de la estación base, y el volumen de negocio es pequeño. La estación base puede construirse en la cima de la montaña, en la ladera, al pie de la montaña o en una ubicación adecuada en la zona montañosa. Es necesario distinguir entre las diferentes distribuciones de usuarios y las características del terreno para seleccionar la ubicación, el modelo y las antenas de la estación base. Las siguientes situaciones son relativamente comunes: construir un sitio web en una zona montañosa de tipo cuenca, construir un sitio web en una montaña alta, construir un sitio web a media ladera de una montaña, construir un sitio web en una zona montañosa común, etc.

Principios de selección de antenas:

Selección del patrón direccional: La elección del patrón direccional depende de la ubicación, el tipo de estación y los requisitos de cobertura circundante de la estación base. Puede elegir una antena omnidireccional o una antena direccional. Para estaciones base construidas en montañas, si la ubicación a cubrir es relativamente baja, se debe seleccionar un patrón con un ángulo de media potencia vertical mayor para satisfacer mejor los requisitos de cobertura vertical;

Selección de ganancia de antena: Elija una ganancia de antena media, una antena omnidireccional (9-11 dBi) o una antena direccional (15-18 dBi) según la distancia del área que se deba cubrir;

Selección del ángulo de inclinación: Al construir una estación en una montaña y cubrir la zona al pie de la misma, se debe seleccionar una antena con relleno de punto cero o un ángulo de inclinación descendente preestablecido. El tamaño de este ángulo debe elegirse en función de la altura relativa de la estación base y la zona a cubrir. Cuanto mayor sea la altura relativa, mayor deberá ser el ángulo de inclinación descendente preestablecido.

3.5 LTEResumen de los escenarios de aplicación de antenas de estación base

En base a las opciones anteriores y combinadas con las condiciones especiales de LTE, los principios recomendados para la selección de antenas son:

Tabla 3-1 Resumen de escenarios de aplicación de antenas

Generalmente, la selección de emplazamientos LTE utiliza instalaciones existentes, por lo que la disponibilidad de espacio suficiente para instalar antenas LTE y la altura requerida para el plan LTE son los principales problemas. Por lo tanto, el proyecto real adopta parámetros técnicos como el método de polarización, el uso de antenas de banda ancha y el ángulo de inclinación descendente. Es necesario realizar un estudio detallado de las instalaciones existentes y elaborar un plan razonable basado en la situación real. Debido a la presencia de la tecnología MIMO en LTE, actualmente se utilizan comúnmente 2T2R y 4T4R. Teniendo en cuenta factores como los costos de construcción del sitio, para situaciones 2T2R, generalmente se utilizan antenas de doble polarización; para situaciones 4T4R, generalmente se utilizan dos antenas de doble polarización, y la distancia entre las antenas es de 1-2λ, lo que corresponde a unos 30-50 cm para 2.6G.

4 AAU MIMO masiva 5Gy escenarios de aplicación

El contenido principal de esta sección describe brevemente la selección de antenas y escenarios de aplicación de la AAU 5G.

4.1 AAU MIMO masiva 5G

La tecnología de entrada y salida múltiple (MIMO), que ha alcanzado un alto grado de madurez en la era 4G, puede utilizar eficazmente los múltiples canales espaciales existentes entre las múltiples antenas entre los sistemas transceptores para transmitir múltiples flujos de datos mutuamente ortogonales, mejorando así el rendimiento de los datos y la estabilidad de la comunicación sin aumentar el ancho de banda de la comunicación.

La tecnología Massive MIMO, desarrollada desde la era 4G hasta la 5G, es una versión mejorada de la tecnología MIMO. Gracias a la limitación de tiempo y frecuencia, se utilizan cientos de antenas para dar servicio a decenas de terminales móviles simultáneamente, lo que mejora aún más el rendimiento de datos y la eficiencia energética. La alta frecuencia de comunicación de la 5G y la reducción del tamaño de las antenas permiten integrar más antenas en el espacio disponible. La tecnología Massive MIMO ha marcado la pauta en la tecnología de comunicaciones de la era 5G. Por consiguiente, las antenas se han convertido en otro componente de crecimiento exponencial, después del front-end de radiofrecuencia, en la era 5G. Las antenas de las estaciones base representan el 20%, mientras que las antenas de los terminales representan el 80%.

Debido al uso generalizado de la tecnología Massive MIMO en las estaciones base 5G, la antena integrada internamente utiliza un gran número de osciladores e integra unidades transceptoras, por lo que también se la conoce como unidad de matriz de antenas activas (AAU). Su diagrama esquemático de estructura interna y su forma de producto se muestran en la siguiente figura.

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

Figure 4-2 Exploded view of Massive MIMO AAU product form

Para las unidades de antena (AAU) en la banda de frecuencia <6 GHz, los fabricantes de equipos de comunicación suelen utilizar 192 osciladores. Hay 12 filas en la dirección horizontal y 8 columnas de osciladores en la dirección vertical. Con una polarización dual de 45°, hay un total de 12 x 8 x 2 = 192 osciladores. Cada grupo de tres osciladores se denomina antena, por lo que la AAU tiene un total de 192/3 = 64 antenas. Si cada 6 osciladores forman una antena, la AAU tiene 192/6 = 32 antenas.

Figura 4-3 Diagrama de elementos de antena AAU de 65TR y 32TR

Las unidades de antenas (AAU) en la banda de <6 GHz suelen utilizar formación de haces totalmente digital. Se puede considerar que el número de antenas, el número de canales de transmisión y el número de amplificadores de potencia son iguales. El número de antenas es un factor importante en la cobertura. A mayor número de elementos, más estrecho es el haz y más concentrada está la energía. Cuantas más antenas y canales, más amplificadores de potencia dentro de la AAU, mayor es el consumo de recursos de banda base y mayor es el coste del equipo.

4.2 5GModelo de desvanecimiento de señal

3GPP TR 38.901 proporciona cuatro escenarios: área de oficina con punto de acceso interior (InH-Office), calle con microcelda urbana (UMi-Street Canyon), macrocelda urbana (Uma) y macrocelda rural (RMa). Cada tipo de escenario se divide en escenarios sin línea de visión (NLOS) y con línea de visión (LOS), con un total de ocho modelos de propagación. Este artículo selecciona el modelo de pérdida de trayectoria en el escenario de macrocelda urbana Uma-LOS/NLOS. donde fcFrecuencia de funcionamiento (GHz), hBSAltura efectiva de la antena de la estación base (m), hUTAltura efectiva de la antena de la estación móvil (m), d2DDistancia horizontal entre la estación base y la estación móvil (m), d3DDistancia en línea recta entre la antena de la estación base y la antena de la estación móvil (m).

Según la tabla anterior, la pérdida de trayectoria máxima permitida (MAPL) típica de diferentes canales de estaciones macro urbanas se puede calcular según la siguiente fórmula. Se observa que la diferencia de pérdida de trayectoria máxima permitida entre el enlace ascendente y el descendente de 5G NR de 3.5 GHz alcanza los 13.65 dB, la cobertura de red es limitada en el enlace ascendente y está limitada por el canal PUSCH de enlace ascendente.

PLmax=PTx-Lf+GTx-Mf-Ml+GRx-Lp-Lb-SR

donde PTxPotencia de transmisión de la estación base, LfPérdida del alimentador, GTxGanancia de la antena de la estación base, MfDesvanecimiento de sombras y margen de desvanecimiento rápido, MlMargen de interferencia, GRxGanancia de la antena del teléfono celular, LpPérdida de penetración en edificios, LbDesgaste de la carrocería, SRxSensibilidad de recepción de telefonía móvil

4.3 UAA 5GEscenarios de aplicación

En áreas urbanas densamente pobladas, el complejo entorno inalámbrico genera interferencias más intensas, y los edificios altos imponen altos requisitos de cobertura vertical y capacidad de usuario. El equipo 64TR ofrece una mejor formación de haces MIMO masivo, logra una transmisión MIMO multiusuario de alto tráfico y mejora significativamente la cobertura vertical. En suburbios y zonas rurales, la tasa de éxito de emparejamiento MU-MIMO disminuye y el equipo 64TR no puede aprovechar al máximo sus ventajas de capacidad, por lo que se puede utilizar un equipo de baja configuración. El uso de 32 antenas satisface las necesidades. En áreas más remotas, los requisitos de capacidad no son elevados y el principal problema radica en la cobertura. En este caso, ni siquiera se requiere MIMO masivo. Basta con conectar la antena a la RRU de 8 puertos.

La figura siguiente muestra una solución de cobertura de red basada en escenarios propuesta por un fabricante de equipos. El macrositio es el formato de producto más importante. La AAU de 64 TR satisface la demanda continua de alta capacidad en la etapa 4G/5G, y la AAU de 32 TR de baja configuración satisface la demanda de construcción de red de bajo costo en áreas de bajo tráfico 4G/5G. Los productos de sistemas de distribución interior incluyen equipos de 2 TR y 4 TR, que utilizan sistemas de distribución interior pasivos en la red existente o en nuevas construcciones para resolver escenarios interiores de alto valor y alto tráfico. Además, los productos de unidades de radiofrecuencia (RRU) de 4 TR para estaciones base de microestación se utilizan ampliamente en escenarios concurridos y de alta temperatura, como áreas residenciales y calles peatonales.

Figura 4-4 Solución de cobertura de red basada en escenarios de un fabricante de equipos

Como se puede observar en los resultados de cálculo de la Sección 4.2, la cobertura de enlace ascendente 5G NR en la banda de 3.5 GHz es limitada, principalmente debido a la potencia limitada de los terminales. Considerando que los requisitos de velocidad de servicio de enlace ascendente y descendente seguirán siendo asimétricos en el futuro tras el lanzamiento de 5G (los requisitos de velocidad de enlace descendente son mucho mayores que los de enlace ascendente), para mantener la estructura de red existente sin cambios y reducir los costos de construcción de la red, de modo que los operadores puedan superponer y desplegar rápidamente 5G en sitios 4G activos, se puede utilizar el desacoplamiento de enlace ascendente y descendente (SUL) para resolver el problema de los cuellos de botella de cobertura de enlace ascendente. Es decir, se utiliza equipo LTE antiguo en el enlace ascendente, parte del ancho de banda FDD de 1.8 GHz se reasigna para 5G NR para mejorar la cobertura, y 5G NR se despliega en la banda de 3.5 GHz en el enlace descendente.

Figura 4-5 Solución de desacoplamiento utilizando diferentes bandas de frecuencia para el enlace ascendente y descendente.

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