Conhecimento em engenharia de antenas para estações base 4G e 5G e cenários de aplicação.

1 Visão geral da antena da estação base

Este capítulo apresenta a classificação das antenas de estações base e a descrição dos diferentes tipos de antenas em comunicações móveis.

1.1 Classificação de antenas de estação base

Antena omnidirecional:No padrão horizontal, a radiação aparece uniforme em 360°, comumente conhecida como não direcional. No padrão vertical, ela aparece como um feixe com uma determinada largura. Geralmente, quanto menor a largura do feixe, maior o ganho. As antenas omnidirecionais são geralmente usadas em sistemas de comunicação móvel em estações suburbanas e regionais, com grandes áreas de cobertura.

Antena direcional:No padrão horizontal, a radiação aparece dentro de uma determinada faixa angular, conhecida como diretividade. No padrão vertical, ela aparece como um feixe com uma determinada largura. Assim como em uma antena omnidirecional, quanto menor a largura do feixe, maior o ganho. Antenas direcionais são geralmente utilizadas em estações base urbanas em sistemas de comunicação móvel, com pequena área de cobertura, alta densidade de usuários e alta utilização de frequência.

Diferentes tipos de estações base são instalados de acordo com as necessidades da rede, e cada tipo de estação base pode escolher diferentes tipos de antenas, conforme a demanda. A seleção é baseada nos parâmetros técnicos mencionados anteriormente. Por exemplo, uma estação omnidirecional utiliza uma antena omnidirecional com ganho praticamente igual em todas as direções horizontais, enquanto uma estação direcional utiliza uma antena direcional com variações significativas de ganho na direção horizontal. Geralmente, em áreas urbanas, são selecionadas antenas com largura de feixe horizontal de 65°. Em áreas suburbanas, podem ser selecionadas antenas com largura de feixe horizontal de 65°, 90° ou 120° (dependendo da configuração da estação e das características geográficas locais). Em áreas rurais, a opção mais econômica é uma antena omnidirecional que proporcione ampla cobertura.

Antena mecânica:Refere-se a uma antena móvel que utiliza ajuste mecânico do ângulo de inclinação. Após a instalação da antena mecânica na vertical em relação ao solo, caso seja necessária a otimização da rede, é preciso ajustar a posição do suporte na parte traseira da antena e alterar sua inclinação. Durante o processo de ajuste, embora a distância de cobertura na direção do lóbulo principal da antena mude significativamente, as amplitudes das componentes vertical e horizontal da antena permanecem inalteradas, de modo que o padrão de radiação da antena pode ser facilmente deformado.

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 ajustável eletronicamente:Refere-se a uma antena móvel que utiliza ajuste eletrônico do seu ângulo de inclinação. O princípio da inclinação eletrônica consiste em inclinar o padrão vertical da antena para baixo, alterando a fase do oscilador da antena colinear, a amplitude das componentes vertical e horizontal e a intensidade do campo da componente composta. Como a intensidade do campo em todas as direções da antena aumenta e diminui simultaneamente, garante-se que o padrão da antena sofra pouca alteração após a mudança do ângulo de inclinação, reduzindo a distância de cobertura na direção do lóbulo principal e, ao mesmo tempo, diminuindo a área de cobertura de todo o padrão dentro do setor da célula de serviço, sem causar interferência. A prática comprovou que, quando o ângulo de inclinação de uma antena eletricamente ajustável varia de 1° a 5°, seu padrão de radiação é praticamente o mesmo que o de uma antena mecânica; quando o ângulo de inclinação varia de 5° a 10°, seu padrão de radiação é ligeiramente melhorado em comparação com o de uma antena mecânica; quando o ângulo de inclinação varia de 10° a 15°, seu padrão de radiação é melhor do que o de uma antena mecânica. A mudança é significativa; quando a antena mecânica é inclinada 15° para baixo, seu padrão de radiação difere consideravelmente do da antena mecânica convencional. Nesse caso, o formato do padrão de radiação não se altera muito, a distância de cobertura do lóbulo principal é significativamente reduzida e todo o padrão de radiação permanece dentro do setor da estação base. Aumentar o ângulo de inclinação para baixo pode reduzir a área de cobertura do setor sem causar interferência. Portanto, o uso de uma antena eletronicamente ajustável pode reduzir a perda de chamadas e a interferência. Além disso, a antena eletronicamente ajustável permite que o sistema ajuste o ângulo de inclinação inferior do padrão de diretividade vertical sem ser desligado, monitorando o efeito do ajuste em tempo real. A precisão do ajuste do ângulo de inclinação também é alta (0.1°), permitindo ajustes finos na rede. O índice de intermodulação de terceira ordem da antena eletronicamente ajustável é de -150 dBc, 30 dBc diferente da antena mecânica, o que é benéfico para eliminar interferências de canal adjacente e interferências espúrias.

Antena de dupla polarização:A antena de dupla polarização é uma nova tecnologia que combina duas antenas com polarizações ortogonais de +45° e -45°, operando simultaneamente em modo duplex de transmissão e recepção. Sua principal vantagem é a redução na quantidade de antenas necessárias para uma estação base direcional. Geralmente, uma estação base direcional (com três setores) em uma rede de comunicação móvel digital LTE utiliza 9 antenas, sendo 3 antenas por setor (diversidade espacial, uma para transmissão e duas para recepção). Com antenas de dupla polarização, cada setor requer apenas 1 antena. Além disso, a ortogonalidade de ±45° entre as antenas de dupla polarização garante que o isolamento entre as antenas de +45° e -45° atenda aos requisitos de intermodulação (≥30dB), reduzindo a distância espacial entre as antenas de dupla polarização para apenas 20-30 cm. As antenas de dupla polarização também oferecem a vantagem de serem eletricamente ajustáveis. A utilização de antenas de dupla polarização em redes de comunicação móvel, como as antenas eletricamente ajustáveis, pode reduzir a perda de chamadas, minimizar interferências e melhorar a qualidade do serviço em toda a rede. Com o uso de antenas de dupla polarização, como estas não exigem grandes esforços de montagem e instalação, não há necessidade de adquirir terrenos para a construção de torres. Basta erguer uma coluna de metal com 20 cm de diâmetro e fixar a antena de dupla polarização nela, de acordo com a direção de cobertura desejada. Isso economiza investimentos em infraestrutura, torna o layout da estação base mais racional e facilita a seleção do local ideal para a instalação.

Para a seleção de antenas, devem ser escolhidas antenas móveis que atendam às necessidades das redes móveis na região, com base em condições reais como cobertura da rede, volume de negócios, interferência e qualidade do serviço de rede:

· Em áreas de alto tráfego com alta densidade de estações base, antenas de dupla polarização e antenas com ajuste elétrico devem ser utilizadas sempre que possível;

· As antenas mecânicas tradicionais podem ser usadas em áreas como fronteiras e subúrbios, onde o volume de tráfego não é alto, as estações base não são densamente povoadas e apenas a cobertura é necessária.

1.2 Estrutura interna e tipos de antenas de estações base de comunicação móvel

1.2.1 Antena de matriz de elementos de placa direcional

A antena direcional plana é o tipo mais comum de antena para estações base, sendo extremamente importante nesse tipo de instalação. As vantagens dessa antena são: alto ganho, bom padrão de radiação setorial, pequeno lóbulo traseiro, fácil controle do ângulo de depressão vertical do padrão, vedação confiável e longa vida útil. A aparência da antena é mostrada na figura abaixo:

Figura 1-1 Diagrama esquemático da aparência de uma antena direcional plana

1.2.1.1 Formação de alto ganho da antena de placa

Figura 1-2: Utilize múltiplos osciladores de meia onda para formar um arranjo linear vertical.

Figura 1-3 O princípio de adicionar uma placa refletora a um dos lados do arranjo linear para obter orientação horizontal (tomando como exemplo o arranjo vertical de dois osciladores de meia onda com uma placa refletora)

Atualmente, os projetos de antenas direcionais para estações base dos fabricantes de antenas adotam, basicamente, estruturas de arranjo de osciladores do tipo placa. Existem dois tipos de osciladores selecionados, conforme descrito nas duas seções seguintes.

1.2.1.2 Oscilador simétrico

Conjunto simétrico padrão de meia onda (adicione um oscilador adicional para reduzir a altura do oscilador em relação ao solo e reduzir a espessura da antena)

Figura 1-4 Antena direcional de placa sintetizada por múltiplos osciladores de meia onda

1.2.1.3 Oscilador de microfita

A deformação do oscilador de meia onda utiliza o princípio da linha de transmissão de 1/4 de comprimento de onda para formar radiação:

Figura 1-5 Antena direcional de placa sintetizada por múltiplos osciladores de microfita

1.2.2 Antena dipolo omnidirecional alimentada em série

A antena omnidirecional utiliza múltiplos osciladores de meia onda para sintetizar e aumentar o ganho de radiação.

Figura 1-7 Estrutura do oscilador alimentado em série e forma do produto da antena omnidirecional

2G LTETipos de antenas e análise comparativa

O principal objetivo desta seção é apresentar a análise comparativa de cobertura e tráfego entre antenas LTE de dupla polarização e antenas de polarização única.

2.1 Análise de correlação entre antena LTE de dupla polarização e antena de polarização única

A introdução da tecnologia LTE com múltiplas antenas adiciona uma dimensão espacial de liberdade aos recursos sem fio e impõe novos requisitos para os modelos de canal sem fio. O Modelo de Canal Espacial (SCM) foi proposto no relatório técnico 3GPP TR 25.996. Este modelo é adequado para sistemas com largura de banda de 5 MHz e frequência portadora de aproximadamente 2 GHz. O número máximo de multicaminhos é 6. O sistema LTE exige que o canal sem fio suporte até 20 MHz. Portanto, o modelo SCME (Extensão do SCM) é utilizado no relatório técnico 36.803 para estender a largura de banda do canal para 20 MHz e suportar o número máximo de multicaminhos para 9. Nesse contexto, as características de transmissão sem fio entre o eNB e o UE são uma função variável no tempo, que muda com as alterações na configuração da antena, no ângulo de direção da antena, na correlação entre as antenas e no ambiente de dispersão, conforme ilustrado na figura abaixo.

Figura 2-1 Diagrama esquemático dos parâmetros do ângulo do ECM

A diferença no desempenho sem fio entre antenas de dupla polarização e antenas de polarização única (espaçamento entre antenas de 10λ) depende principalmente do coeficiente de correlação da antena da estação base. Quando o coeficiente de correlação é 0, indica que as antenas são relativamente independentes e a correlação é baixa. Quando o coeficiente de correlação é 1, indica que há uma forte correlação entre as antenas. Quando o sistema utiliza modos de diversidade de transmissão (como SFBC), diversidade de recepção e MIMO de fluxo duplo, o desempenho sem fio de antenas com baixa correlação é melhor do que o desempenho de antenas com alta correlação. A figura abaixo mostra os resultados da simulação de desempenho do SFBC com coeficientes de correlação de 0.25, 0.5, 0.6 e 1, respectivamente. Pelos resultados da simulação, quando o coeficiente de correlação é 0.25, seu desempenho permanece praticamente inalterado (em comparação com um coeficiente de correlação de 0). O desempenho do SFBC com coeficientes de correlação de 0.5 e 0.6 cai em cerca de 0.3 dB a 0.4 dB.

Figura 2-2 Comparação do desempenho do SFBC em nível de enlace com diferentes coeficientes de correlação

Em julho de 2008, a China Mobile testou os coeficientes de correlação de diferentes configurações de antena. Os coeficientes de correlação específicos são mostrados na tabela abaixo:

Tabela 2-1 Coeficientes de correlação correspondentes a diferentes configurações de antena

Nota: Os coeficientes de correlação na tabela acima foram obtidos pela China Mobile com base em testes do modelo SCME em áreas urbanas densas. Em áreas urbanas densas, esse coeficiente de correlação é, em certa medida, representativo. No entanto, isso não significa que esse coeficiente de correlação possa ser mapeado para um projeto específico, nem que seja aplicável a todos os modelos de áreas urbanas densas.

2.2 Comparação de desempenho entre antena LTE de dupla polarização e antena de polarização única

O LTE define sete modos de transmissão com múltiplas antenas, incluindo diversidade de transmissão, MIMO baseado em pré-codificação, formação de feixe, etc. Os sete modos de transmissão definidos pelo LTE visam principalmente a seleção flexível de modos de transmissão em diferentes cenários e modelos de canal. Normalmente, os gargalos e as deficiências de desempenho das redes de comunicação móvel sem fio são divididos nas seguintes três categorias:

Sistemas com restrições de potência:

Cenários de aplicação típicos: O principal objetivo é aumentar a cobertura e superar o desvanecimento do sinal, como áreas efetivas, ampla cobertura em áreas rurais, etc.

Tipo de tecnologia de antena utilizada: diversidade de transmissão, diversidade de recepção

Diferença de desempenho: A melhoria de desempenho da antena de polarização única de 10λ é inferior a 5% em comparação com a antena de polarização dupla, e a diferença de desempenho entre as duas não é grande.

Sistemas com interferência limitada:

Cenários de aplicação típicos: Utilizado principalmente em áreas urbanas densas, onde a distância entre as estações é relativamente pequena. A interferência é um fator importante que afeta o desempenho da rede.

Tipo de tecnologia de antena adotada: RANK=2 MIMO dual stream, RANK=1 MIMO single stream, RANK adaptativa

Diferença de desempenho: O algoritmo adaptativo RANK é significativamente melhor do que o MIMO de fluxo duplo forçado; ao mesmo tempo, o desempenho das antenas de dupla polarização é basicamente o mesmo que o das antenas de polarização única de 10λ.

Sistemas com largura de banda limitada:

Cenários de aplicação típicos: As condições do canal (CQI) são relativamente boas, não há cobertura contínua entre as estações base, a distância entre as estações base é relativamente grande e o número de usuários é relativamente esparso. Por exemplo: cobertura de célula única no estágio inicial da rede experimental, etc.

Tipo de tecnologia de antena: RANK=2 MIMO dual stream

Comparação de desempenho: O desempenho da antena de polarização única de 10λ é melhor do que o da antena de polarização dupla, com uma melhoria de desempenho de cerca de 20%.

Tabela 2-2 Tabela de conclusão dos cenários de aplicação da antena

A análise acima se concentra principalmente na diferença de desempenho entre antenas de polarização única e antenas de polarização dupla. No entanto, é importante ressaltar que as antenas de polarização dupla apresentam a vantagem da facilidade de instalação em projetos de engenharia. Isso inclui a possibilidade de utilizar um único poste, ajustar uniformemente o ângulo de inclinação e facilitar a otimização estética da antena, entre outras vantagens. No cenário atual, em que a seleção e a instalação de locais para redes sem fio estão se tornando cada vez mais complexas, essas vantagens das antenas de polarização dupla são particularmente relevantes.

3G LTECenários de aplicação e seleção de antenas para estações base

O conteúdo principal desta seção explica a classificação das áreas de cobertura de redes sem fio e a seleção de antenas correspondente com base em cenários reais de implantação de rede.

3.1 Seleção de antenas para estação base urbana

Características do ambiente de aplicação: As estações base estão densamente distribuídas, exigindo uma pequena área de cobertura por estação base. Busca-se minimizar a sobreposição de áreas, reduzir a interferência entre as estações base e aumentar as taxas de download.

Princípios de seleção de antenas:

Seleção do modo de polarização: Devido à dificuldade em selecionar locais para estações base em áreas urbanas e ao espaço limitado para instalação de antenas, recomenda-se o uso de antenas de dupla polarização e antenas de banda larga;

Seleção do padrão de direcionamento: Em áreas urbanas, a principal consideração é melhorar a reutilização da frequência, portanto, antenas direcionais são geralmente utilizadas;

Seleção da largura do feixe de meia potência: Para melhor controlar a cobertura da célula e suprimir interferências, a largura do feixe horizontal de meia potência da antena urbana é selecionada entre 60° e 65°;

Seleção do ganho da antena: Como as estações base em áreas urbanas geralmente não exigem uma ampla cobertura, recomenda-se o uso de uma antena de ganho médio. Recomenda-se o uso de uma antena com ganho de 15 a 18 dBi em áreas urbanas. Se a antena microcelular for usada para preencher pontos cegos em áreas urbanas, pode-se selecionar uma antena com ganho menor.

Seleção do ângulo de inclinação: Como o ângulo de inclinação da antena em áreas urbanas é ajustado com relativa frequência, e algumas antenas precisam ser configuradas para um ângulo de inclinação maior, e a inclinação mecânica não é adequada para o controle de interferências, recomenda-se o uso de uma antena com ângulo de inclinação predefinido. Você pode optar por uma antena com ângulo de inclinação fixo ou por uma antena com ajuste elétrico, quando as condições forem favoráveis.

3.2 Seleção de antenas para estações base suburbanas e rurais

Características do ambiente de aplicação: estações base distribuídas de forma esparsa, volume de negócios pequeno, requisitos de serviço de dados relativamente baixos e ampla cobertura necessária. Em alguns locais, existe apenas uma estação base, tornando a cobertura a principal preocupação. Nesse caso, a seleção da antena deve ser feita com base na área que precisa ser coberta ao redor da estação base.

Princípios de seleção de antenas:

Seleção do padrão de direcionamento: Se a estação base precisar cobrir a área circundante, não houver direcionalidade óbvia e a distribuição do tráfego ao redor da estação base for relativamente dispersa, recomenda-se o uso de uma estação base com cobertura omnidirecional. Ao mesmo tempo, deve-se observar que, devido ao baixo ganho das estações base omnidirecionais, a distância de cobertura não é tão longa quanto a das estações base direcionais. Além disso, ao instalar antenas omnidirecionais, deve-se atentar para o impacto da torre na cobertura e garantir que a antena seja mantida perpendicular ao plano do solo. Se a autoridade local tiver requisitos de cobertura mais amplos para a estação base, antenas direcionais deverão ser usadas para atingir esse objetivo. Em geral, devem ser utilizadas antenas direcionais com larguras de feixe de meia potência de 90°, 105° e 120° no plano horizontal.

Seleção do ganho da antena: Selecione o ganho da antena de acordo com os requisitos de cobertura. Recomenda-se escolher uma antena direcional com ganho mais alto (16-18 dBi) ou uma antena omnidirecional de 9-11 dBi em áreas suburbanas e rurais;

Seleção do método de inclinação: Em áreas suburbanas e rurais, as possibilidades de ajuste da inclinação da antena são limitadas, e a faixa de ajuste e as características do ângulo de inclinação não são muito amplas. Recomenda-se o uso de uma antena com inclinação mecânica. Ao mesmo tempo, quando a antena é instalada acima de 50 metros e há necessidade de cobertura nas proximidades, antenas com preenchimento do ponto zero podem ser priorizadas para evitar problemas de bloqueio de sinal sob a torre.

3.3 seleção de antenas para estação base com cobertura de rodovias

Características do ambiente de aplicação:Nesse ambiente, o volume de negócios é baixo e os usuários se deslocam em alta velocidade. Nesse momento, o foco está em resolver o problema de cobertura. De modo geral, o objetivo é obter cobertura em faixas, portanto, células bidirecionais são usadas principalmente para cobertura de rodovias; células omnidirecionais também são usadas em áreas que atravessam cidades e pontos turísticos; assim, a ênfase é na ampla cobertura, e o tipo de antena a ser usado deve ser determinado com base na escolha do local e no tipo de local. Os diferentes ambientes rodoviários variam muito. De modo geral, existem rodovias relativamente retas, como rodovias estaduais, ferrovias, rodovias nacionais, rodovias provinciais, etc. Recomenda-se construir uma estação próxima à rodovia, usando estações do tipo S1/1/1 ou S1/1, com antenas direcionais de alto ganho para obter cobertura. Existem estradas sinuosas e onduladas, como estradas de montanha sinuosas, estradas de montanha construídas pelo próprio município, etc. Nesses casos, é necessário combinar a cobertura rural próxima à rodovia e escolher um local elevado para construir a estação.

Ao selecionar uma antena durante o planejamento inicial, procure escolher uma antena de alto ganho com um amplo alcance para obter uma cobertura abrangente.

Princípios de seleção de antenas:

Seleção do padrão direcional: Em estações base destinadas a cobrir ferrovias e rodovias, podem ser utilizadas antenas direcionais de feixe estreito e alto ganho. O formato da antena pode ser selecionado de forma flexível, levando em consideração fatores como ondulações e curvas do terreno local no local de instalação;

Seleção do ganho da antena: o ganho da antena direcional pode ser selecionado entre 17dBi e 22dBi, e o ganho da antena omnidirecional pode ser selecionado a partir de 11dBi;

Seleção do método de inclinação: A cobertura em rodovias geralmente não requer um ângulo de inclinação. Recomenda-se o uso de uma antena mecânica de inclinação, mais barata. Quando a distância for superior a 50 metros e houver necessidade de cobertura nas proximidades, antenas com preenchimento do ponto zero (superior a 15%) podem ser priorizadas para solucionar o problema de pontos cegos sob a torre.

Relação frente-costas: Como a maioria dos usuários da cobertura de rodovias se desloca rapidamente, para garantir uma transição normal, a relação frente-costas da antena direcional não deve ser muito alta.

3.4 Seleção de antena para estação base em áreas montanhosas.

Características do ambiente de aplicação:Em áreas remotas com colinas e montanhas, o bloqueio severo das ondas de rádio pelas montanhas resulta em atenuação da propagação, dificultando a cobertura. Geralmente, a cobertura é ampla, com usuários dispersos distribuídos dentro de um raio de alcance da estação base, e o volume de tráfego é pequeno. A estação base pode ser construída no topo da montanha, na encosta, ao pé da montanha ou em um local adequado na área montanhosa. É necessário levar em consideração a distribuição dos usuários e as características do terreno para selecionar a localização, o modelo e a antena da estação base. As seguintes situações são relativamente comuns: construção de um site em uma área montanhosa com formato de bacia, construção de um site em uma montanha alta, construção de um site a meio caminho de uma montanha, construção de um site em uma área montanhosa comum, etc.

Princípios de seleção de antenas:

Seleção do padrão de radiação: A escolha do padrão de radiação depende da localização, do tipo de estação e dos requisitos de cobertura da área circundante da estação base. Pode-se optar por uma antena omnidirecional ou uma antena direcional. Para estações base construídas em regiões montanhosas, se a área a ser coberta for relativamente baixa, deve-se selecionar um padrão com um ângulo de meia potência vertical maior para melhor atender aos requisitos de cobertura vertical.

Seleção do ganho da antena: Escolha uma antena com ganho médio, antena omnidirecional (9-11dBi) ou antena direcional (15-18dBi), dependendo da distância da área a ser coberta;

Seleção do ângulo de inclinação: Ao construir uma estação em uma montanha e a área a ser coberta estiver na base da montanha, deve-se selecionar uma antena com preenchimento de ponto zero ou um ângulo de inclinação predefinido. O valor do ângulo de inclinação predefinido deve ser selecionado com base na altura relativa da estação base e da área a ser coberta. Quanto maior a altura relativa, maior deve ser o ângulo de inclinação predefinido.

3.5 LTEResumo dos cenários de aplicação de antenas em estações base

Com base nas opções acima e considerando as condições específicas do LTE, os princípios recomendados para a seleção de antenas são:

Tabela 3-1 Resumo dos cenários de aplicação da antena

Geralmente, a seleção de sites para LTE utiliza infraestruturas existentes, portanto, a disponibilidade de espaço para a instalação de antenas LTE e a adequação da altura ao plano LTE são os principais desafios. Assim, o projeto em si adota parâmetros técnicos como o método de polarização, a utilização de antenas de banda larga e o ângulo de inclinação. É necessário realizar um levantamento detalhado das infraestruturas existentes e elaborar um plano adequado à situação real. Devido à presença da tecnologia MIMO no LTE, as configurações 2T2R e 4T4R são comumente utilizadas. Levando em consideração fatores como os custos de construção do site, para a configuração 2T2R, geralmente são utilizadas antenas de dupla polarização; para a configuração 4T4R, geralmente são utilizadas duas antenas de dupla polarização, com uma distância entre elas de 1 a 2λ, o que corresponde a cerca de 30 a 50 cm para a rede 2.6G.

4 5G MIMO massivo AAUe cenários de aplicação

O conteúdo principal desta seção descreve brevemente a seleção de antenas e cenários de aplicação para AAU 5G.

4.1 5G MIMO massivo AAU

A tecnologia MIMO (Multiple Input and Output), que atingiu um nível de maturidade considerável na era 4G, permite o uso eficaz de múltiplos canais espaciais existentes entre as diversas antenas dos sistemas transceptor e receptor para transmitir múltiplos fluxos de dados mutuamente ortogonais, melhorando assim a taxa de transferência de dados e a estabilidade da comunicação sem aumentar a largura de banda.

A tecnologia Massive MIMO, desenvolvida da era 4G para a 5G, é uma versão aprimorada da tecnologia MIMO. Com base em recursos limitados de tempo e frequência, centenas de unidades de antena são utilizadas para atender até dezenas de terminais móveis simultaneamente, melhorando ainda mais a taxa de transferência de dados e a eficiência no consumo de energia. A alta frequência de comunicação do 5G e o tamanho reduzido das antenas permitem a instalação de mais antenas no mesmo espaço. A tecnologia Massive MIMO ditou o padrão para a tecnologia de comunicação na era 5G. Portanto, as antenas se tornaram outro componente de crescimento exponencial, depois do front-end de radiofrequência, na era 5G. As antenas de estação base representam 20% do mercado, enquanto as antenas de terminais representam 80%.

Devido ao uso extensivo da tecnologia Massive MIMO em estações base 5G, a antena integrada internamente utiliza um grande número de osciladores e também integra unidades de transceptor, sendo por isso também chamada de unidade de antena ativa (AAU). Seu diagrama esquemático de estrutura interna e formato do produto são mostrados na figura abaixo.

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

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

Para AAU na faixa de frequência <6GHz, os fabricantes de equipamentos de comunicação geralmente utilizam 192 osciladores. Há 12 linhas na direção horizontal e 8 colunas de osciladores na direção vertical. Somando-se a isso a polarização dupla de 45°, temos um total de 12x8x2=192 osciladores. Cada grupo de três osciladores é chamado de antena, portanto a AAU possui um total de 192/3=64 antenas. Se cada grupo de 6 osciladores formar uma antena, a AAU terá 192/6=32 antenas.

Figura 4-3 Diagrama do elemento de antena AAU 65TR e 32TR

As Unidades de Análise de Antenas (AAUs) na banda <6GHz geralmente utilizam formação de feixe totalmente digital. Pode-se considerar que o número de antenas, o número de canais de transmissão e o número de amplificadores de potência são iguais. O número de antenas é um fator importante na cobertura. Quanto maior o número de elementos, mais estreito o feixe e mais concentrada a energia. Quanto mais antenas e canais, mais amplificadores de potência dentro da AAU, maior o consumo de recursos de banda base e maior o custo do equipamento.

4.2 5Gmodelo de desvanecimento de sinal

A especificação 3GPP TR 38.901 apresenta quatro cenários: área de escritório com ponto de acesso Wi-Fi interno (InH-Office), rua com microcélula urbana (UMi-Street Canyon), macrocélula urbana (Uma) e macrocélula rural (RMa). Cada tipo de cenário é dividido em cenários sem visada direta (NLOS) e com visada direta (LOS), totalizando oito modelos de propagação. Este artigo seleciona o modelo de perda de percurso no cenário Uma-LOS/NLOS da macrocélula urbana. onde fcFrequência operacional (GHz), hBSAltura efetiva da antena da estação base (m), hUTAltura efetiva da antena da estação móvel (m), d2DDistância horizontal entre a estação base e a estação móvel (m), d3DDistância em linha reta entre a antena da estação base e a antena da estação móvel (m).

De acordo com a tabela acima, a perda máxima de percurso permitida (MAPL) típica de diferentes canais de macroestações urbanas pode ser calculada pela seguinte fórmula. Observa-se que a diferença na perda máxima de percurso permitida entre o enlace ascendente e descendente do 5G NR de 3.5 GHz atinge 13.65 dB, a cobertura da rede é limitada no enlace ascendente e é restringida pelo canal PUSCH de enlace ascendente.

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

onde PTxPotência de transmissão da estação base, LfPerda no alimentador, GTxGanho da antena da estação base, MfDesvanecimento de sombras e margem de desvanecimento rápido, MlMargem de interferência, GRxGanho da antena do celular, LpPerda de penetração no edifício, LbDesgaste da carroceria, SRxsensibilidade de recepção do celular

4.3 5G AAUCenários de aplicação

Em áreas urbanas densas, o ambiente sem fio complexo leva a uma piora na interferência, e os edifícios altos exigem alta cobertura vertical e alta capacidade de usuários. O equipamento 64TR pode fornecer melhor formação de feixe MIMO massivo, alcançar transmissão MIMO multiusuário de alto tráfego e melhorar significativamente a cobertura vertical. Em áreas suburbanas e rurais, a taxa de sucesso do pareamento MU-MIMO diminui e o equipamento 64TR não consegue aproveitar totalmente suas vantagens de capacidade, portanto, pode-se usar equipamentos de configuração mais simples. O uso de 32 antenas atende às necessidades. Para áreas mais remotas, os requisitos de capacidade não são altos e o principal problema é resolver a questão da cobertura. Nesse caso, o MIMO massivo nem é necessário. Basta usar uma RRU de 8 portas para conectar as antenas.

A figura abaixo mostra uma solução de cobertura de rede baseada em cenários, proposta por um fabricante de equipamentos. O macrosite é o formato de produto mais importante. A AAU de 64TR atende à demanda contínua de alta capacidade na fase 4G/5G, enquanto a AAU de 32TR, de configuração mais simples, atende à demanda de construção de rede de baixo custo em áreas de baixo tráfego 4G/5G. Os produtos de sistema de distribuição interna incluem equipamentos de 2TR e 4TR, que utilizam sistemas passivos de distribuição interna em redes existentes ou em novas construções para atender a cenários internos de alto valor e alto tráfego. Além disso, as unidades de radiofrequência (RRU) de 4TR para microestações são amplamente utilizadas em cenários de grande movimento e alta demanda, como áreas residenciais e ruas de pedestres.

Figura 4-4 Uma solução de cobertura de rede baseada em cenários, fornecida por um fabricante de equipamentos.

Como pode ser observado nos resultados dos cálculos na Seção 4.2, a cobertura de uplink do 5G NR na banda de 3.5 GHz é limitada, principalmente devido à potência limitada dos terminais. Considerando que os requisitos de taxa de serviço de uplink e downlink continuarão assimétricos mesmo após o lançamento do 5G (os requisitos de taxa de downlink são muito maiores que os de uplink), a fim de manter a estrutura de rede existente inalterada e reduzir os custos de construção da rede, permitindo que as operadoras sobreponham e implantem o 5G rapidamente em sites 4G ativos, o desacoplamento de uplink e downlink (SUL) pode ser usado para resolver o problema dos gargalos de cobertura de uplink. Ou seja, equipamentos LTE antigos são usados ​​no uplink, parte da largura de banda FDD de 1.8 GHz é realocada para o 5G NR para melhorar a cobertura, e o 5G NR é implantado na banda de 3.5 GHz no downlink.

Figura 4-5 Solução de desacoplamento usando diferentes bandas de frequência para enlace ascendente e descendente

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