Conoscenze di ingegneria delle antenne per stazioni base 4G e 5G e scenari applicativi

1 Panoramica dell'antenna della stazione base

Questo capitolo introduce la classificazione delle antenne delle stazioni base e la presenza di diverse tipologie di antenne nelle comunicazioni mobili.

1.1 classificazione delle antenne delle stazioni base

Antenna omnidirezionale:Nella configurazione orizzontale, l'emissione si presenta come una radiazione uniforme a 360°, comunemente nota come non direzionale. Nella configurazione verticale, si presenta come un fascio di una certa ampiezza. Generalmente, minore è l'ampiezza del fascio, maggiore è il guadagno. Le antenne omnidirezionali sono generalmente utilizzate nei sistemi di comunicazione mobile in stazioni suburbane e provinciali, con ampie aree di copertura.

Antenna direzionale:Nel diagramma di radiazione orizzontale, si manifesta come una radiazione entro un determinato intervallo angolare, comunemente nota come direttività. Nel diagramma di radiazione verticale, si manifesta come un fascio di una certa ampiezza. Come per un'antenna omnidirezionale, minore è l'ampiezza del fascio, maggiore è il guadagno. Le antenne direzionali sono generalmente utilizzate nelle stazioni base urbane dei sistemi di comunicazione mobile, caratterizzate da una copertura limitata, un'elevata densità di utenti e un elevato utilizzo delle frequenze.

A seconda delle esigenze della rete, vengono installate diverse tipologie di stazioni base, e a ciascuna tipologia si possono scegliere antenne diverse in base alle necessità. La selezione si basa sui parametri tecnici sopra menzionati. Ad esempio, una stazione omnidirezionale utilizza un'antenna omnidirezionale con un guadagno sostanzialmente costante in entrambe le direzioni orizzontali, mentre una stazione direzionale utilizza un'antenna direzionale con variazioni significative di guadagno in direzione orizzontale. Generalmente, nelle aree urbane si scelgono antenne con un'ampiezza del fascio orizzontale di 65°. Nelle aree suburbane, a seconda della configurazione della stazione e dell'ambiente geografico locale, si possono scegliere antenne con un'ampiezza del fascio orizzontale di 65°, 90° o 120°. Nelle aree rurali, la soluzione più economica è optare per un'antenna omnidirezionale in grado di garantire un'ampia copertura.

Antenna meccanica:Si riferisce a un'antenna mobile che utilizza la regolazione meccanica dell'angolo di inclinazione verso il basso. Dopo aver installato l'antenna meccanica verticalmente rispetto al terreno, se è necessaria l'ottimizzazione della rete, è necessario regolare la posizione della staffa sul retro dell'antenna e modificarne l'inclinazione. Durante il processo di regolazione, sebbene la distanza di copertura nella direzione del lobo principale dell'antenna cambi significativamente, le ampiezze delle componenti verticale e orizzontale dell'antenna rimangono invariate, pertanto il diagramma di radiazione dell'antenna si deforma facilmente.

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.

Antenna regolabile elettronicamente:Si riferisce a un'antenna mobile che utilizza la regolazione elettronica dell'angolo di inclinazione. Il principio dell'inclinazione elettronica consiste nell'inclinare verso il basso il diagramma di radiazione verticale dell'antenna modificando la fase dell'oscillatore dell'array collineare, variando l'ampiezza della componente verticale e orizzontale e modificando l'intensità del campo della componente composita. Poiché l'intensità del campo in tutte le direzioni dell'antenna aumenta e diminuisce simultaneamente, si garantisce che il diagramma di radiazione cambi poco dopo la variazione dell'angolo di inclinazione, riducendo la distanza di copertura nella direzione del lobo principale e, allo stesso tempo, diminuendo l'area di copertura dell'intero diagramma all'interno del settore della cella servita senza causare interferenze. L'esperienza ha dimostrato che quando l'angolo di inclinazione di un'antenna regolabile elettronicamente varia da 1° a 5°, il suo diagramma di radiazione è pressoché identico a quello di un'antenna meccanica; quando l'angolo di inclinazione varia da 5° a 10°, il suo diagramma di radiazione migliora leggermente rispetto a quello di un'antenna meccanica; quando l'angolo di inclinazione varia da 10° a 15°, il suo diagramma di radiazione è migliore di quello di un'antenna meccanica. La variazione è maggiore; quando l'antenna meccanica è inclinata verso il basso di 15°, il suo diagramma di radiazione è significativamente diverso da quello dell'antenna meccanica. In questo caso, la forma del diagramma di radiazione non cambia molto, la distanza di copertura della direzione del lobo principale è notevolmente ridotta e l'intero diagramma di radiazione si trova all'interno del settore della stazione base. Aumentando l'angolo di inclinazione verso il basso è possibile ridurre l'area di copertura del settore senza causare interferenze. Pertanto, l'utilizzo di un'antenna regolabile elettricamente può ridurre la perdita di chiamate e le interferenze. Inoltre, l'antenna regolabile elettricamente consente al sistema di regolare l'angolo di inclinazione inferiore del diagramma di direttività verticale senza spegnerlo e di monitorare l'effetto della regolazione in tempo reale. La precisione del passo di regolazione dell'angolo di inclinazione è elevata (0.1°), quindi la rete può essere regolata con precisione; l'indice di intermodulazione di terzo ordine dell'antenna regolabile elettricamente è di -150 dBc, che è diverso di 30 dBc dall'antenna meccanica, il che è vantaggioso per eliminare le interferenze di canale adiacenti e le interferenze spurie.

Antenna a doppia polarizzazione:L'antenna a doppia polarizzazione è una nuova tecnologia che combina due antenne con direzioni di polarizzazione ortogonali di +45° e -45° e funziona simultaneamente in modalità duplex di trasmissione e ricezione. Il suo vantaggio principale è quindi quello di ridurre il numero di antenne necessarie per una singola stazione base direzionale. Generalmente, una stazione base direzionale (a tre settori) della rete di comunicazione mobile digitale LTE utilizza 9 antenne, di cui 3 per settore (diversità spaziale, una per la trasmissione e due per la ricezione). Utilizzando antenne a doppia polarizzazione, ogni settore richiede solo 1 antenna; inoltre, grazie all'ortogonalità di polarizzazione di ±45° tra le due antenne, si garantisce che l'isolamento tra le antenne a +45° e -45° soddisfi i requisiti di intermodulazione (≥30 dB), riducendo la distanza spaziale tra le due antenne polarizzate a soli 20-30 cm. Infine, le antenne a doppia polarizzazione presentano il vantaggio di essere regolabili elettricamente. L'utilizzo di antenne a doppia polarizzazione nelle reti di comunicazione mobile, come le antenne a regolazione elettrica, può ridurre la perdita di chiamate, minimizzare le interferenze e migliorare la qualità del servizio dell'intera rete. L'impiego di antenne a doppia polarizzazione, inoltre, non richiede particolari accorgimenti per l'installazione, eliminando la necessità di espropriare terreni per la costruzione di torri. È sufficiente erigere un palo di ferro con un diametro di 20 cm e fissarvi l'antenna a doppia polarizzazione orientandola nella direzione di copertura desiderata. Questo consente di risparmiare sugli investimenti infrastrutturali, semplifica la disposizione delle stazioni base e ne facilita la scelta del sito.

Per la selezione delle antenne, è necessario scegliere antenne mobili adatte alle esigenze delle reti mobili della regione, tenendo conto di fattori quali la copertura di rete, il volume di traffico, le interferenze e la qualità del servizio di rete.

· Nelle aree ad alto traffico con un'elevata densità di stazioni base, è opportuno utilizzare il più possibile antenne a doppia polarizzazione e antenne regolabili elettricamente;

· Le antenne meccaniche tradizionali possono essere utilizzate in aree come confini e periferie, dove il volume di traffico non è elevato, le stazioni base non sono densamente popolate e si richiede solo una copertura.

1.2 Struttura interna e tipologie di antenne delle stazioni base di comunicazione mobile

1.2.1 Antenna a schiera di elementi direzionali a piastra

L'antenna direzionale a piastra è il tipo più comunemente utilizzato come antenna di fondamentale importanza per le stazioni base. I vantaggi di questo tipo di antenna sono: elevato guadagno, buon diagramma di radiazione settoriale, lobo posteriore ridotto, facile controllo dell'angolo di depressione del diagramma verticale, affidabile tenuta stagna e lunga durata. L'aspetto dell'antenna è illustrato nella figura seguente:

Figura 1-1 Schema dell'aspetto di un'antenna direzionale a piastra

1.2.1.1 Formazione di un'antenna a piastra ad alto guadagno

Figura 1-2 Utilizzare più oscillatori a semionda per formare una matrice lineare verticale

Figura 1-3 Il principio di aggiunta di una piastra riflettente a un lato dell'array lineare per ottenere un orientamento orizzontale (prendendo come esempio l'array verticale di due oscillatori a semionda con una piastra riflettente)

Attualmente, i progetti di antenne direzionali per stazioni base dei produttori di antenne adottano praticamente tutti strutture ad array di oscillatori a piastra. Esistono due tipi di oscillatori selezionati, come descritto nelle due sezioni seguenti.

1.2.1.2 Oscillatore simmetrico

Array simmetrico standard a mezza onda (aggiungere un oscillatore aggiuntivo per ridurre l'altezza dell'oscillatore da terra e ridurre lo spessore dell'antenna)

Figura 1-4 Antenna direzionale a piastra sintetizzata da oscillatori a semionda multipli

1.2.1.3 Oscillatore a microstriscia

La deformazione dell'oscillatore a mezza onda utilizza il principio della linea di trasmissione a 1/4 di lunghezza d'onda per generare radiazione:

Figura 1-5 Antenna direzionale a piastra sintetizzata da oscillatori a microstriscia multipli

1.2.2 Antenna a dipolo omnidirezionale alimentata in serie

L'antenna omnidirezionale utilizza oscillatori a semionda multipli per realizzare la sintesi e l'amplificazione del guadagno di radiazione.

Figura 1-7 Struttura dell'oscillatore alimentato in serie e forma del prodotto dell'antenna omnidirezionale

2GLTETipologie di antenne e analisi comparativa

L'obiettivo principale di questa sezione è presentare un'analisi comparativa della copertura e del traffico tra antenne LTE a doppia polarizzazione e antenne a polarizzazione singola.

2.1 Analisi di correlazione tra antenna LTE a doppia polarizzazione e antenna a polarizzazione singola

L'introduzione della tecnologia multi-antenna LTE aggiunge una dimensione spaziale di libertà alle risorse wireless e impone nuovi requisiti per i modelli di canale wireless. Il modello di canale spaziale (SCM) è proposto nel documento 3GPP TR 25.996. Questo modello è adatto a sistemi con una larghezza di banda di 5 MHz e una frequenza portante di circa 2 GHz. Il numero massimo di percorsi multipli è 6. Il sistema LTE richiede che il canale wireless possa supportare fino a 20 MHz. Pertanto, il modello SCME (SCM Extension) viene utilizzato nel documento tecnico 36.803 per estendere la larghezza di banda del canale a 20 MHz e supportare un numero massimo di percorsi multipli pari a 9. Tra questi, le caratteristiche di trasmissione wireless tra eNB e UE sono una funzione variabile nel tempo, che cambia con le variazioni della configurazione dell'antenna, dell'angolo di direzione dell'antenna, della correlazione dell'antenna e dell'ambiente di scattering, come mostrato nella figura seguente.

Figura 2-1 Diagramma schematico dei parametri angolari SCM

La differenza nelle prestazioni wireless tra antenne a doppia polarizzazione e antenne a polarizzazione singola (spaziatura tra le antenne 10λ) dipende principalmente dal coefficiente di correlazione dell'antenna della stazione base. Quando il coefficiente di correlazione è 0, indica che le antenne sono relativamente indipendenti e la correlazione è bassa. Quando il coefficiente di correlazione è 1, indica che esiste una forte correlazione tra le antenne. Quando il sistema utilizza la modalità di diversità di trasmissione (come SFBC), la diversità di ricezione e la modalità MIMO dual-stream, le prestazioni wireless delle antenne a bassa correlazione sono migliori di quelle delle antenne ad alta correlazione. La figura seguente mostra i risultati della simulazione delle prestazioni SFBC con coefficienti di correlazione pari a 0.25, 0.5, 0.6 e 1 rispettivamente. Dai risultati della simulazione, quando il coefficiente di correlazione è 0.25, le sue prestazioni non subiscono praticamente alcuna variazione (rispetto a un coefficiente di correlazione pari a 0). Le prestazioni di SFBC con coefficienti di correlazione di 0.5 e 0.6 diminuiscono di circa 0.3 dB - 0.4 dB.

Figura 2-2 Confronto delle prestazioni a livello di collegamento SFBC con diversi coefficienti di correlazione

Nel luglio 2008 China Mobile ha testato i coefficienti di correlazione di diverse configurazioni di antenne. I coefficienti di correlazione specifici sono riportati nella tabella seguente:

Tabella 2-1 Coefficienti di correlazione corrispondenti a diverse configurazioni di antenna

Nota: i coefficienti di correlazione nella tabella sopra riportata sono stati ottenuti da China Mobile sulla base di test del modello SCME in aree urbane densamente popolate. In tali aree, questo coefficiente di correlazione è in qualche modo rappresentativo. Tuttavia, ciò non significa che tale coefficiente di correlazione possa essere applicato a un progetto specifico, né che sia applicabile a tutti i modelli di aree urbane densamente popolate.

2.2 Confronto delle prestazioni tra antenna LTE a doppia polarizzazione e antenna a polarizzazione singola

LTE definisce sette modalità di trasmissione multi-antenna, tra cui la diversità di trasmissione, il MIMO basato sulla precodifica, il beamforming, ecc. Le sette modalità di trasmissione definite da LTE sono principalmente volte a consentire una selezione flessibile delle modalità di trasmissione in diversi scenari e con diversi modelli di canale. Solitamente, i colli di bottiglia e le carenze nelle prestazioni delle reti di comunicazione mobile wireless sono suddivisi nelle seguenti tre categorie:

Sistemi con potenza limitata:

Scenari applicativi tipici: lo scopo principale è aumentare la copertura e contrastare l'attenuazione del segnale, ad esempio ampliando le aree di copertura, estendendo la copertura nelle zone rurali, ecc.

Tipo di tecnologia dell'antenna utilizzata: diversità di trasmissione, diversità di ricezione

Differenza di prestazioni: il miglioramento delle prestazioni dell'antenna a polarizzazione singola da 10λ è inferiore al 5% rispetto all'antenna a doppia polarizzazione e la differenza di prestazioni tra le due non è elevata.

Sistemi con limitazione di interferenza:

Scenari applicativi tipici: Utilizzato principalmente in aree urbane densamente popolate, dove la distanza tra le stazioni è relativamente ridotta. Le interferenze rappresentano un fattore determinante per le prestazioni della rete.

Tipo di tecnologia dell'antenna adottata: RANK=2 MIMO dual stream, RANK=1 MIMO single stream, RANK adattivo

Divario prestazionale: l'algoritmo adattivo RANK è significativamente migliore del MIMO a doppio flusso forzato; allo stesso tempo, le prestazioni delle antenne a doppia polarizzazione sono sostanzialmente le stesse di quelle delle antenne a polarizzazione singola 10λ.

Sistemi con larghezza di banda limitata:

Scenari applicativi tipici: le condizioni del canale (CQI) sono relativamente buone, non c'è copertura continua tra le stazioni base, la distanza tra le stazioni base è relativamente grande e il numero di utenti è relativamente scarso. Ad esempio: copertura di una singola cella nella fase iniziale della rete sperimentale, ecc.

Tipo di tecnologia dell'antenna: RANK=2 MIMO dual stream

Confronto delle prestazioni: le prestazioni dell'antenna a polarizzazione singola da 10λ sono migliori di quelle dell'antenna a doppia polarizzazione, con un miglioramento delle prestazioni di circa il 20%.

Tabella 2-2 Tabella riassuntiva degli scenari di applicazione delle antenne

Quanto sopra analizza principalmente il divario prestazionale tra antenne a polarizzazione singola e antenne a doppia polarizzazione. Tuttavia, va notato che le antenne a doppia polarizzazione presentano il vantaggio di una facile installazione in ambito ingegneristico. Tra i vantaggi si annoverano la possibilità di utilizzare un singolo polo, regolare uniformemente l'angolo di inclinazione verso il basso e semplificare l'aspetto estetico dell'antenna. Nell'attuale contesto, in cui la selezione e l'installazione dei siti per le reti wireless stanno diventando sempre più complesse, i suddetti vantaggi delle antenne a doppia polarizzazione assumono particolare importanza.

3GLTEScenari di applicazione e selezione delle antenne per stazioni base.

Il contenuto principale di questa sezione illustra la classificazione delle aree di copertura delle reti wireless e la corrispondente selezione delle antenne, sulla base di scenari di implementazione di rete reali.

3.1 Selezione dell'antenna per stazione base urbana

Caratteristiche dell'ambiente applicativo: le stazioni base sono distribuite in modo denso, richiedendo una piccola area di copertura per ciascuna stazione. L'obiettivo è minimizzare la copertura inter-area, ridurre le interferenze tra le stazioni base e aumentare le velocità di download.

Principi di selezione delle antenne:

Selezione della modalità di polarizzazione: data la difficoltà di selezionare i siti per le stazioni base nelle aree urbane e lo spazio limitato per l'installazione delle antenne, si consiglia di utilizzare antenne a doppia polarizzazione e antenne a banda larga;

Selezione del diagramma di radiazione: nelle aree urbane, la considerazione principale è quella di migliorare il riutilizzo delle frequenze, quindi si utilizzano generalmente antenne direzionali;

Selezione dell'ampiezza del fascio a metà potenza: per controllare meglio la copertura della cella e sopprimere le interferenze, l'ampiezza del fascio orizzontale a metà potenza dell'antenna urbana è stata scelta tra 60 e 65°;

Selezione del guadagno dell'antenna: Poiché le stazioni base nelle aree urbane generalmente non necessitano di un'ampia copertura, si consiglia di utilizzare un'antenna a guadagno medio. Nelle aree urbane si raccomanda di utilizzare un'antenna con un guadagno di 15-18 dBi. Se si utilizza un'antenna microcella per colmare le zone d'ombra nelle aree urbane, è possibile selezionare un'antenna con un guadagno inferiore;

Selezione dell'angolo di inclinazione: Poiché nelle aree urbane l'angolo di inclinazione dell'antenna viene regolato con una certa frequenza e alcune antenne necessitano di un angolo di inclinazione maggiore, e l'inclinazione meccanica non è adatta al controllo delle interferenze, si consiglia di utilizzare un'antenna con angolo di inclinazione preimpostato. È possibile scegliere un'antenna con angolo di inclinazione elettrico fisso o un'antenna regolabile elettricamente, a seconda delle condizioni.

3.2 Selezione dell'antenna per stazioni base rurali suburbane

Caratteristiche dell'ambiente applicativo: le stazioni base sono distribuite in modo sparso, il volume di traffico è ridotto, i requisiti di servizio dati sono relativamente bassi ed è necessaria un'ampia copertura. In alcune zone è presente una sola stazione base, quindi la copertura diventa la priorità assoluta. In questo caso, la scelta dell'antenna deve essere valutata in base all'area da coprire intorno alla stazione base.

Principi di selezione delle antenne:

Selezione del modello direzionale: se la stazione base deve coprire l'area circostante, non vi è una direzionalità evidente e la distribuzione del traffico intorno alla stazione base è relativamente dispersa, si consiglia di utilizzare una copertura omnidirezionale. Allo stesso tempo, va notato che a causa del basso guadagno delle stazioni base omnidirezionali, la distanza di copertura non è elevata come quella delle stazioni base direzionali. Inoltre, durante l'installazione di antenne omnidirezionali, prestare attenzione all'impatto della torre sulla copertura e assicurarsi che l'antenna sia perpendicolare al piano del terreno. Se l'autorità locale ha requisiti di copertura più ampi per la stazione base, è necessario utilizzare antenne direzionali per raggiungere tale obiettivo. In generale, si dovrebbero utilizzare antenne direzionali con ampiezza del fascio a metà potenza di 90°, 105° e 120° sul piano orizzontale;

Selezione del guadagno dell'antenna: Selezionare il guadagno dell'antenna in base ai requisiti di copertura. Si consiglia di scegliere un'antenna direzionale con guadagno più elevato (16-18 dBi) o un'antenna omnidirezionale da 9-11 dBi nelle aree suburbane e rurali;

Selezione del metodo di inclinazione: nelle aree suburbane e rurali, le possibilità di regolazione dell'inclinazione dell'antenna sono limitate e l'intervallo di regolazione e le caratteristiche dell'angolo di inclinazione non sono elevati. Si consiglia pertanto di utilizzare un'antenna con inclinazione meccanica. Allo stesso tempo, quando l'antenna è installata a un'altezza superiore a 50 metri e sussistono requisiti di copertura nelle zone limitrofe, è preferibile utilizzare antenne con riempimento del punto zero per evitare problemi di oscuramento sotto la torre.

3.3 Selezione dell'antenna della stazione base di copertura autostradale

Caratteristiche dell'ambiente applicativo:In questo contesto, il volume di traffico è basso e gli utenti si muovono ad alta velocità. In questa fase, l'attenzione si concentra sulla risoluzione del problema della copertura. In generale, si cerca di ottenere una copertura a striscia, quindi si utilizzano principalmente celle bidirezionali per la copertura autostradale; le celle omnidirezionali sono utilizzate anche nelle aree che attraversano città e località turistiche; in seguito, si dà priorità alla copertura ampia e il tipo di antenna da utilizzare deve essere determinato in base alla scelta del sito e alla sua tipologia. I diversi ambienti autostradali variano notevolmente. In generale, esistono autostrade relativamente rettilinee, come autostrade, ferrovie, strade statali, strade provinciali, ecc. Si consiglia di costruire una stazione in prossimità dell'autostrada, utilizzando stazioni di tipo S1/1/1 o S1/1, con antenne direzionali ad alto guadagno per ottenere la copertura. Esistono strade tortuose e ondulate, come strade di montagna tortuose, strade di montagna autocostruite a livello di contea, ecc. In questi casi è necessario combinare la copertura rurale in prossimità dell'autostrada e scegliere un luogo elevato per costruire la stazione.

In fase di progettazione iniziale, nella scelta dell'antenna, è consigliabile optare per un modello ad alto guadagno con un'ampia portata per ottenere una copertura estesa.

Principi di selezione delle antenne:

Selezione del diagramma di radiazione direzionale: nelle stazioni base destinate a coprire ferrovie e autostrade, è possibile utilizzare antenne direzionali a fascio stretto e ad alto guadagno. La forma dell'antenna può essere selezionata in modo flessibile in base a fattori quali le ondulazioni e le curve del terreno nel sito di installazione;

Selezione del guadagno dell'antenna: il guadagno dell'antenna direzionale può essere selezionato tra 17 dBi e 22 dBi, mentre il guadagno dell'antenna omnidirezionale può essere selezionato a partire da 11 dBi;

Selezione del metodo di inclinazione verso il basso: la copertura autostradale generalmente non prevede un angolo di inclinazione verso il basso. Si consiglia di utilizzare un'antenna con inclinazione meccanica più economica. Quando la distanza è superiore a 50 metri e sussistono requisiti di copertura in prossimità della stazione, si può dare priorità alle antenne con riempimento del punto zero (superiore al 15%) per risolvere il problema delle zone d'ombra sotto la torre;

Rapporto fronte-retro: Poiché la maggior parte degli utenti della copertura autostradale sono utenti in rapido movimento, per garantire un handover normale, il rapporto fronte-retro dell'antenna direzionale non dovrebbe essere troppo elevato.

3.4 Selezione dell'antenna della stazione base per la copertura in montagna

Caratteristiche dell'ambiente applicativo:Nelle zone remote, collinari e montuose, le montagne bloccano fortemente le onde radio, attenuandone la propagazione e rendendo difficile la copertura. Solitamente, la copertura è ampia, con utenti sparsi distribuiti entro un ampio raggio di copertura dalla stazione base, e il volume di traffico è ridotto. La stazione base può essere costruita sulla cima di una montagna, sul suo fianco, ai piedi o in una posizione idonea all'interno dell'area montuosa. È necessario distinguere tra le diverse distribuzioni degli utenti e le caratteristiche del terreno per selezionare la posizione, il modello e le antenne della stazione base. Le seguenti situazioni sono relativamente comuni: realizzare un sito web in un'area montuosa a forma di bacino, in alta montagna, a metà montagna, in una normale area montuosa, ecc.

Principi di selezione delle antenne:

Selezione del diagramma di radiazione direzionale: la scelta del diagramma di radiazione direzionale dipende dalla posizione, dal tipo di stazione e dai requisiti di copertura circostanti della stazione base. È possibile scegliere un'antenna omnidirezionale o un'antenna direzionale. Per le stazioni base costruite in montagna, se la posizione da coprire è relativamente bassa, è opportuno selezionare un diagramma con un angolo di semipotenza verticale maggiore per soddisfare al meglio i requisiti di copertura verticale;

Selezione del guadagno dell'antenna: scegliere un guadagno medio, un'antenna omnidirezionale (9-11 dBi) o un'antenna direzionale (15-18 dBi) a seconda della distanza dell'area da coprire;

Selezione dell'angolo di inclinazione: Quando si costruisce una stazione su una montagna e l'area da coprire si trova alla base della montagna, è necessario selezionare un'antenna con riempimento a punto zero o con un angolo di inclinazione preimpostato. L'entità dell'angolo di inclinazione preimpostato deve essere selezionata in base all'altezza relativa della stazione base e all'area da coprire. Maggiore è l'altezza relativa, maggiore dovrebbe essere l'angolo di inclinazione preimpostato.

3.5LTERiepilogo degli scenari di applicazione delle antenne delle stazioni base

In base alle scelte sopra indicate e tenendo conto delle particolari condizioni dell'LTE, i principi consigliati per la selezione dell'antenna sono i seguenti:

Tabella 3-1 Riepilogo degli scenari di applicazione delle antenne

In genere, la selezione dei siti LTE si basa su infrastrutture esistenti, quindi i problemi principali riguardano la disponibilità di spazio sufficiente per l'installazione delle antenne LTE e la conformità dell'altezza al progetto LTE. Pertanto, il progetto effettivo adotta parametri tecnici quali il metodo di polarizzazione, l'eventuale utilizzo di un'antenna a banda larga e l'angolo di inclinazione. È necessario condurre un'analisi dettagliata delle infrastrutture esistenti e elaborare un piano adeguato in base alla situazione reale. Grazie alla tecnologia MIMO presente nell'LTE, le configurazioni 2T2R e 4T4R sono attualmente le più utilizzate. Considerando fattori come i costi di costruzione del sito, per le configurazioni 2T2R si utilizzano generalmente antenne a doppia polarizzazione; per le configurazioni 4T4R si utilizzano generalmente due antenne a doppia polarizzazione, con una distanza tra le antenne di 1-2λ, che corrisponde a circa 30-50 cm per la banda 2.6G.

4 5G Massive MIMO AAUe scenari applicativi

Il contenuto principale di questa sezione descrive brevemente la selezione dell'antenna e dello scenario applicativo dell'AAU 5G.

4.1 5G MIMO massiccio AAU

La tecnologia MIMO (Multiple Input and Output), ormai consolidata nell'era del 4G, è in grado di sfruttare efficacemente i molteplici canali spaziali presenti tra le diverse antenne dei sistemi di ricetrasmissione per trasmettere flussi di dati multipli e reciprocamente ortogonali, migliorando così la velocità di trasmissione dei dati e la stabilità della comunicazione senza aumentare la larghezza di banda.

La tecnologia Massive MIMO, sviluppata a partire dal 4G fino al 5G, rappresenta un'evoluzione della tecnologia MIMO. Grazie alle limitate risorse di tempo e frequenza, centinaia di antenne vengono utilizzate contemporaneamente per servire fino a decine di terminali mobili, migliorando ulteriormente la velocità di trasmissione dei dati e l'efficienza energetica. L'elevata frequenza di comunicazione del 5G e le dimensioni ridotte delle antenne consentono di integrarne un numero maggiore nello spazio originariamente disponibile. La tecnologia Massive MIMO ha definito gli standard per le tecnologie di comunicazione nell'era del 5G. Di conseguenza, le antenne sono diventate un altro componente in rapida crescita, dopo il front-end a radiofrequenza, nell'era del 5G. Le antenne delle stazioni base rappresentano il 20% del totale, mentre le antenne dei terminali ne costituiscono l'80%.

A causa dell'ampio utilizzo della tecnologia Massive MIMO nelle stazioni base 5G, l'antenna integrata internamente utilizza un gran numero di oscillatori e integra anche unità ricetrasmittenti, pertanto viene anche chiamata unità di array di antenne attive (AAU). Il suo schema strutturale interno e la forma del prodotto sono mostrati nella figura seguente.

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

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

Per le unità analogiche avanzate (AAU) nella banda di frequenza <6GHz, i produttori di apparecchiature di comunicazione utilizzano generalmente 192 oscillatori. Ci sono 12 file in direzione orizzontale e 8 colonne di oscillatori in direzione verticale. Aggiungendo la doppia polarizzazione a 45°, si arriva a un totale di 12x8x2=192 oscillatori. Ogni gruppo di tre oscillatori è chiamato antenna, quindi l'AAU ha un totale di 192/3=64 antenne. Se ogni 6 oscillatori formano un'antenna, l'AAU ha 192/6=32 antenne.

Figura 4-3 Diagramma degli elementi dell'antenna AAU 65TR e 32TR

Le unità di accesso radio (AAU) nella banda <6GHz utilizzano solitamente il beamforming completamente digitale. Si può considerare che il numero di antenne, il numero di canali di trasmissione e il numero di amplificatori di potenza siano costanti. Il numero di antenne è un fattore importante per la copertura. Maggiore è il numero di elementi, più stretto sarà il fascio e più concentrata sarà l'energia. Un maggior numero di antenne e canali implica un maggior numero di amplificatori di potenza all'interno dell'AAU, un maggiore consumo di risorse in banda base e un costo più elevato dell'apparecchiatura.

4.2 5GModello di attenuazione del segnale

La norma 3GPP TR 38.901 prevede quattro scenari: area ufficio hotspot interna (InH-Office), microcella urbana in strada (UMi-Street Canyon), macrocella urbana (Uma) e macrocella rurale (RMa). Ogni tipo di scenario è suddiviso in scenari senza linea di vista (NLOS) e con linea di vista (LOS), con un totale di otto modelli di propagazione. Questo articolo seleziona il modello di perdita di percorso nello scenario Uma-LOS/NLOS della macrocella urbana. dove fcFrequenza operativa (GHz), hBSAltezza effettiva dell'antenna della stazione base (m), hUTAltezza effettiva dell'antenna della stazione mobile (m), d2DDistanza orizzontale tra stazione base e stazione mobile (m), d3DDistanza in linea retta tra l'antenna della stazione base e l'antenna della stazione mobile (m).

Secondo la tabella sopra riportata, la perdita di percorso massima consentita (MAPL) tipica dei diversi canali delle macro stazioni urbane può essere calcolata secondo la seguente formula. Si può notare che il gap di perdita di percorso massima consentita tra uplink e downlink del 5G NR a 3.5 GHz raggiunge 13.65 dB, la copertura di rete è limitata in uplink ed è limitata dal canale PUSCH di uplink.

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

dove PTxPotenza di trasmissione della stazione base, LfPerdita dell'alimentatore, GTxGuadagno dell'antenna della stazione base, MfSfumatura dell'ombra e margine in rapida dissolvenza, MlMargine di interferenza, GRxGuadagno dell'antenna del telefono cellulare, LpPerdita di penetrazione dell'edificio, LbUsura della carrozzeria, SRxsensibilità della ricezione del telefono cellulare

4.3 AAU 5GScenari applicativi

Nelle aree urbane densamente popolate, il complesso ambiente wireless porta a un peggioramento delle interferenze, e gli edifici multipiano comportano elevati requisiti di copertura verticale e di capacità utente. Le apparecchiature 64TR possono fornire un beamforming Massive MIMO migliore, consentire la trasmissione MIMO multiutente ad alto traffico e migliorare significativamente la copertura verticale. Nelle aree suburbane e rurali, il tasso di successo dell'accoppiamento MU-MIMO diminuisce e le apparecchiature 64TR non possono sfruttare appieno i loro vantaggi in termini di capacità, pertanto è possibile utilizzare apparecchiature a bassa configurazione. L'utilizzo di 32 antenne può soddisfare le esigenze. Per le aree più remote, i requisiti di capacità non sono elevati e il problema principale è risolvere il problema della copertura. In questo caso, non è nemmeno necessario il Massive MIMO. È sufficiente utilizzare l'RRU a 8 porte per collegare le antenne.

La figura seguente mostra una soluzione di copertura di rete basata su scenari, proposta da un produttore di apparecchiature. La macro-stazione è la tipologia di prodotto più importante. L'unità AAU 64TR soddisfa la continua esigenza di elevata capacità nella fase 4G/5G, mentre l'unità AAU 32TR a bassa configurazione soddisfa l'esigenza di una costruzione di rete a basso costo nelle aree 4G/5G a basso traffico. I prodotti per sistemi di distribuzione indoor includono apparecchiature 2TR e 4TR, che utilizzano sistemi di distribuzione indoor passivi su reti esistenti o di nuova costruzione per risolvere scenari indoor ad alto valore e ad alto traffico. Inoltre, le unità a radiofrequenza (RRU) 4TR per micro-stazioni base sono ampiamente utilizzate in scenari ad alta densità di traffico e con elevato consumo energetico, come aree residenziali e zone pedonali.

Figura 4-4 Una soluzione di copertura di rete basata su scenari offerta da un produttore di apparecchiature

Come si evince dai risultati dei calcoli nella Sezione 4.2, la copertura uplink 5G NR nella banda a 3.5 GHz è limitata, principalmente a causa della potenza limitata dei terminali. Considerando che i requisiti di velocità di servizio uplink e downlink rimarranno asimmetrici anche dopo il lancio del 5G (i requisiti di velocità downlink sono molto più elevati rispetto a quelli uplink), al fine di mantenere inalterata la struttura di rete esistente e ridurre i costi di implementazione, consentendo agli operatori di sovrapporre e implementare rapidamente il 5G sui siti 4G attivi, è possibile utilizzare il disaccoppiamento uplink/downlink (SUL) per risolvere il problema dei colli di bottiglia nella copertura uplink. In altre parole, si utilizzano le vecchie apparecchiature LTE in uplink, si rialloca parte della larghezza di banda FDD a 1.8 GHz per migliorare la copertura del 5G NR e si implementa il 5G NR nella banda a 3.5 GHz in downlink.

Figura 4-5 Soluzione di disaccoppiamento che utilizza bande di frequenza diverse per il collegamento in salita e in discesa

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