Знания в области проектирования антенн для базовых станций 4G и 5G и сценариев их применения.

1 Обзор антенн базовой станции

В этой главе рассматривается классификация антенн базовых станций и появление различных типов антенн в мобильной связи.

1.1 Классификация антенн базовой станции

Всенаправленная антенна:В горизонтальной диаграмме направленности она представляет собой равномерное излучение на 360°, обычно называемое ненаправленным. В вертикальной диаграмме направленности она представляет собой луч определенной ширины. Как правило, чем меньше ширина луча, тем больше коэффициент усиления. Всенаправленные антенны обычно используются в системах мобильной связи на станциях пригородного и районного типа с большими зонами покрытия.

Направленная антенна:В горизонтальной диаграмме направленности излучение проявляется в определенном диапазоне углов, что обычно называется направленностью. В вертикальной диаграмме направленности оно проявляется в виде луча определенной ширины. Как и в случае всенаправленной антенны, чем меньше ширина луча, тем больше коэффициент усиления. Направленные антенны обычно используются в городских сотовых станциях в системах мобильной связи, где мало зоны покрытия, высокая плотность пользователей и высокая частота использования.

В зависимости от требований сети создаются различные типы базовых станций, и для разных типов базовых станций могут выбираться разные типы антенн в соответствии с потребностями. Выбор основывается на вышеуказанных технических параметрах. Например, всенаправленная станция использует всенаправленную антенну с практически одинаковым коэффициентом усиления в каждом горизонтальном направлении, в то время как направленная станция использует направленную антенну со значительными изменениями коэффициента усиления в горизонтальном направлении. Как правило, в городских районах выбираются антенны с горизонтальной шириной луча 65°. В пригородах могут быть выбраны антенны с горизонтальной шириной луча 65°, 90° или 120° (в зависимости от конфигурации станции и местной географической обстановки). В сельской местности наиболее экономичным является выбор всенаправленной антенны, обеспечивающей широкое покрытие.

Механическая антенна:Речь идёт о мобильной антенне, использующей механическую регулировку угла наклона. После вертикальной установки механической антенны на землю, если требуется оптимизация сети, необходимо отрегулировать положение кронштейна на задней части антенны и изменить угол наклона антенны. В процессе регулировки, несмотря на значительное изменение дальности действия в направлении главного лепестка диаграммы направленности антенны, амплитуды вертикальной и горизонтальной составляющих остаются неизменными, поэтому диаграмма направленности легко деформируется.

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.

Электронно регулируемая антенна:Речь идёт о мобильной антенне, использующей электронную регулировку угла наклона. Принцип электронной регулировки наклона заключается в наклоне вертикальной диаграммы направленности антенны вниз за счёт изменения фазы генератора коллинеарной антенной решетки, изменения амплитуды вертикальной и горизонтальной составляющих, а также изменения напряженности поля составной составляющей. Поскольку напряженность поля во всех направлениях антенны одновременно увеличивается и уменьшается, обеспечивается незначительное изменение диаграммы направленности после изменения угла наклона, сокращение дальности покрытия в направлении главного лепестка и одновременно уменьшение зоны покрытия всей диаграммы направленности в пределах сектора обслуживающей соты без возникновения помех. Практика показала, что при изменении угла наклона электрически регулируемой антенны от 1° до 5° её диаграмма направленности примерно такая же, как у механической антенны; при изменении угла наклона от 5° до 10° её диаграмма направленности немного улучшается по сравнению с механической антенной. При изменении угла наклона вниз с 10° до 15° диаграмма направленности антенны становится лучше, чем у механической антенны. Изменение более значительное; при наклоне механической антенны вниз на 15° ее диаграмма направленности существенно отличается от механической антенны. В это время форма диаграммы направленности практически не меняется, дальность покрытия в направлении главного лепестка значительно сокращается, и вся диаграмма направленности находится в пределах сектора базовой станции. Увеличение угла наклона вниз может уменьшить зону покрытия сектора без возникновения помех. Поэтому использование электрически регулируемой антенны может уменьшить потери связи и уменьшить помехи. Кроме того, электронно регулируемая антенна позволяет системе регулировать нижний угол наклона вертикальной диаграммы направленности без отключения и отслеживать эффект регулировки в реальном времени. Точность шага регулировки угла наклона также высока (0.1°), поэтому сеть может быть точно настроена. Индекс интермодуляции третьего порядка электрически регулируемой антенны составляет -150 дБн, что на 30 дБн отличается от показателя механической антенны, и это способствует устранению помех от соседних каналов и паразитных помех.

Двухполяризационная антенна:Двухполяризационная антенна — это новый тип антенной технологии, объединяющий две антенны с ортогональными направлениями поляризации +45° и -45° и работающий одновременно в дуплексном режиме передачи и приема. Поэтому её наиболее существенным преимуществом является экономия антенн на одной направленной базовой станции. Как правило, направленная базовая станция (три сектора) цифровой мобильной сети LTE использует 9 антенн, и каждый сектор использует 3 антенны (пространственное разнесение, одна передающая и две приемные). При использовании двухполяризационных антенн каждому сектору требуется всего 1 антенна; в то же время, благодаря двойной поляризации, ортогональность поляризации ±45° обеспечивает изоляцию между антеннами +45° и -45°, соответствующую требованиям по интермодуляционной изоляции между антеннами (≥30 дБ), поэтому пространственное расстояние между поляризованными антеннами составляет всего 20-30 см; кроме того, двухполяризационные антенны обладают преимуществом электрически регулируемых антенн. Использование двухполяризационных антенн в сетях мобильной связи, подобно электрически регулируемым антеннам, может уменьшить потери связи, снизить помехи и улучшить качество обслуживания всей сети. При использовании двухполяризационной антенны, поскольку к её монтажу и установке не предъявляются высокие требования, нет необходимости приобретать землю для строительства вышки. Достаточно установить железную колонну диаметром 20 см и закрепить на ней двухполяризационную антенну в соответствии с направлением покрытия. Это позволяет сэкономить инвестиции в инфраструктуру, сделать размещение базовой станции более рациональным и упростить выбор места для её размещения.

При выборе антенн следует отдавать предпочтение мобильным антеннам, отвечающим потребностям мобильных сетей в регионе, исходя из реальных условий, таких как зона покрытия сети, объем бизнеса, помехи и качество обслуживания сети.

· В зонах с высокой интенсивностью движения и плотной застройкой базовых станций следует по возможности использовать двухполяризационные антенны и антенны с электрической регулировкой;

· Традиционные механические антенны можно использовать в таких районах, как приграничные зоны и пригороды, где объем трафика невелик, базовые станции расположены неплотно, и требуется лишь ограниченное покрытие.

1.2 Внутренняя структура и типы антенн базовых станций мобильной связи

1.2.1 Направленная пластинчатая антенная решетка

Направленная антенна пластинчатого типа — наиболее распространенный тип антенн базовых станций, имеющих чрезвычайно важное значение. Преимуществами такого типа антенн являются: высокое усиление, хорошая секторная диаграмма направленности, малый задний лепесток, простота управления углом понижения вертикальной диаграммы направленности, надежная герметизация и длительный срок службы. Внешний вид антенны показан на рисунке ниже:

Рисунок 1-1. Схематическое изображение пластинчатой ​​направленной антенны.

1.2.1.1 Формирование высокоэффективной пластинчатой ​​антенны

Рисунок 1-2. Использование нескольких полуволновых генераторов для формирования вертикальной линейной антенной решетки.

Рисунок 1-3. Принцип добавления отражающей пластины к одной стороне линейного массива для достижения горизонтальной ориентации (на примере вертикального массива из двух полуволновых генераторов с отражающей пластиной).

В настоящее время в конструкциях направленных антенн базовых станций, используемых производителями антенн, в основном применяются пластинчатые генераторные установки. Выбираются два типа генераторов, которые описаны в следующих двух разделах.

1.2.1.2 Симметричный осциллятор

Стандартная полуволновая симметричная антенная решетка (добавьте дополнительный генератор, чтобы уменьшить высоту генератора над землей и уменьшить толщину антенны).

Рисунок 1-4. Направленная пластинчатая антенна, синтезированная с помощью нескольких полуволновых генераторов.

1.2.1.3 Микрополосковый генератор

Деформация полуволнового осциллятора основана на принципе линии передачи длиной в четверть длины волны для формирования излучения:

Рисунок 1-5. Направленная пластинчатая антенна, синтезированная с помощью нескольких микрополосковых генераторов.

1.2.2 Всенаправленная дипольная антенна с последовательным питанием

Всенаправленная антенна использует несколько полуволновых генераторов для синтеза и повышения коэффициента усиления излучения.

Рисунок 1-7. Структура последовательно питаемого генератора и форма изделия всенаправленной антенны.

2 4G ЛТЕТипы антенн и сравнительный анализ

Основная цель этого раздела — представить сравнительный анализ зоны покрытия и трафика между двухполяризационными и однополяризационными антеннами LTE.

2.1 Корреляционный анализ между двухполяризационной и однополяризационной антеннами LTE

Внедрение многоантенной технологии LTE добавляет пространственное измерение свободы к беспроводным ресурсам и предъявляет новые требования к моделям беспроводных каналов. Пространственная модель канала (SCM) предложена в техническом документе 3GPP TR 25.996. Эта модель подходит для систем с полосой пропускания 5 МГц и несущей частотой около 2 ГГц. Максимальное количество многолучевых путей составляет 6. Система LTE требует, чтобы беспроводной канал мог поддерживать до 20 МГц. Поэтому в техническом отчете 36.803 используется модель SCME (SCM Extension) для расширения полосы пропускания канала до 20 МГц и поддержки максимального количества многолучевых путей до 9. При этом характеристики беспроводной передачи между базовой станцией (eNB) и пользовательским устройством (UE) представляют собой изменяющуюся во времени функцию, которая изменяется в зависимости от конфигурации антенны, угла направления антенны, корреляции антенн и рассеивающей среды, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 2-1. Схема параметров угла SCM.

Разница в характеристиках беспроводной связи между двухполяризационными и однополяризационными антеннами (расстояние между антеннами 10λ) в основном зависит от коэффициента корреляции антенн базовой станции. Когда коэффициент корреляции равен 0, это указывает на относительную независимость антенн и низкую корреляцию. Когда коэффициент корреляции равен 1, это указывает на сильную корреляцию между антеннами. При использовании системой режима разнесения при передаче (например, SFBC), разнесения при приеме и двухпотокового режима MIMO, характеристики беспроводной связи с антеннами с низкой корреляцией лучше, чем с антеннами с высокой корреляцией. На рисунке ниже представлены результаты моделирования характеристик SFBC с коэффициентами корреляции 0.25, 0.5, 0.6 и 1 соответственно. Из результатов моделирования следует, что при коэффициенте корреляции 0.25 его характеристики практически не изменяются (по сравнению с коэффициентом корреляции 0). Характеристики SFBC с коэффициентами корреляции 0.5 и 0.6 снижаются примерно на 0.3–0.4 дБ.

Рисунок 2-2. Сравнение производительности SFBC на уровне каналов связи при различных коэффициентах корреляции.

Компания China Mobile протестировала коэффициенты корреляции различных конфигураций антенн в июле 2008 года. Конкретные коэффициенты корреляции показаны в таблице ниже:

Таблица 2-1. Коэффициенты корреляции, соответствующие различным конфигурациям антенн.

Примечание: Коэффициенты корреляции в приведенной выше таблице были получены компанией China Mobile на основе тестирования модели SCME в условиях плотной городской застройки. В условиях плотной городской застройки этот коэффициент корреляции является в некоторой степени репрезентативным. Однако это не означает, что данный коэффициент корреляции применим к конкретному проекту, и не означает, что он применим ко всем моделям плотной городской застройки.

2.2 Сравнение характеристик двухполяризационной и однополяризационной антенн LTE

В стандарте LTE определены семь режимов передачи с использованием нескольких антенн, включая разнесение при передаче, MIMO на основе предварительной обработки сигнала, формирование луча и т. д. Семь режимов передачи, определенных в LTE, в основном предназначены для обеспечения гибкого выбора режимов передачи в различных сценариях и при различных моделях каналов. Обычно узкие места и недостатки производительности беспроводных мобильных сетей связи делятся на следующие три категории:

Системы с ограниченными энергетическими ресурсами:

Типичные сценарии применения: Главная цель — расширение зоны покрытия и преодоление затухания сигнала, например, создание эффективных зон, широкое покрытие в сельской местности и т. д.

Тип используемой антенной технологии: разнесение передачи, разнесение приема.

Разница в производительности: улучшение характеристик однополяризованной антенны 10λ составляет менее 5% по сравнению с двухполяризованной антенной, и разница в производительности между ними невелика.

Системы с ограниченным уровнем помех:

Типичные сценарии применения: В основном используется в густонаселенных городских районах, где расстояние между станциями относительно невелико. Помехи являются основным фактором, влияющим на производительность сети.

Используемая технология антенн: RANK=2 MIMO двухпотоковая, RANK=1 MIMO однопотоковая, RANK адаптивная.

Разница в производительности: адаптивный алгоритм RANK значительно превосходит алгоритм MIMO с принудительным двухпотоковым режимом; в то же время, производительность двухполяризационных антенн практически такая же, как у однополяризационных антенн длиной 10λ.

Системы с ограниченной пропускной способностью:

Типичные сценарии применения: относительно хорошие условия канала (CQI), отсутствие непрерывного покрытия между базовыми станциями, относительно большое расстояние между базовыми станциями и относительно небольшое количество пользователей. Например: покрытие одной сотовой сети на начальном этапе экспериментальной сети и т. д.

Тип технологии антенны: RANK=2 MIMO двухпотоковая

Сравнение характеристик: характеристики однополяризованной антенны длиной 10λ лучше, чем у двухполяризованной антенны, улучшение характеристик составляет около 20%.

Таблица 2-2. Заключительная таблица сценариев применения антенн.

Выше в основном анализируется разница в характеристиках между однополяризационными и двухполяризационными антеннами. Однако следует отметить, что двухполяризационные антенны обладают преимуществом простоты монтажа. Это включает в себя возможность использования одной опоры, равномерную регулировку угла наклона, простоту оформления антенны и т. д. В нынешних условиях, когда выбор места для размещения беспроводной сети и ее установка становятся все более сложными, вышеуказанные преимущества двухполяризационных антенн особенно важны.

3 4G ЛТЕСценарии применения и выбор антенн для базовых станций

Основное содержание этого раздела объясняет классификацию зон покрытия беспроводных сетей и соответствующий выбор антенн на основе реальных сценариев развертывания сети.

3.1 Выбор антенн для городской базовой станции

Характеристики среды применения: Базовые станции распределены очень плотно, что требует небольшой зоны покрытия для одной базовой станции. Предполагается минимизировать зоны покрытия, уменьшить помехи между базовыми станциями и увеличить скорость загрузки.

Принципы выбора антенны:

Выбор режима поляризации: Ввиду сложности выбора мест для размещения базовых станций в городских условиях и ограниченного пространства для установки антенн, рекомендуется использовать двухполяризационные и широкополосные антенны;

Выбор диаграммы направленности: В городских условиях основным критерием является повышение эффективности повторного использования частот, поэтому обычно применяются направленные антенны;

Выбор ширины луча на половине мощности: Для лучшего контроля зоны покрытия соты и подавления помех горизонтальная ширина луча на половине мощности городской антенны выбирается в диапазоне 60–65°;

Выбор коэффициента усиления антенны: Поскольку базовые станции в городских районах, как правило, не требуют широкого охвата, рекомендуется использовать антенну со средним коэффициентом усиления. В городских условиях рекомендуется использовать антенну с коэффициентом усиления 15-18 дБи. Если для заполнения «слепых зон» в городских районах используется микросотовая антенна, можно выбрать антенну с более низким коэффициентом усиления;

Выбор угла наклона вниз: Поскольку в городских условиях угол наклона антенны регулируется довольно часто, и некоторые антенны требуют установки большего угла наклона, а механический наклон вниз не способствует подавлению помех, рекомендуется использовать антенну с предустановленным углом наклона вниз. Вы можете выбрать антенну с фиксированным электрическим углом наклона вниз или антенну с электрической регулировкой угла наклона в зависимости от условий.

3.2 Выбор антенны для базовых станций в пригородах и сельской местности

Характеристики среды применения: базовые станции распределены неравномерно, объем бизнеса невелик, требования к услугам передачи данных относительно невелики, и требуется широкое покрытие. В некоторых местах вокруг находится только одна базовая станция, поэтому покрытие становится наиболее важным фактором. В этом случае выбор антенны следует осуществлять, исходя из площади, которую необходимо покрыть вокруг базовой станции.

Принципы выбора антенны:

Выбор диаграммы направленности: Если требуется, чтобы базовая станция покрывала окружающую территорию, но явной направленности нет, а распределение трафика вокруг базовой станции относительно рассеяно, рекомендуется использовать всенаправленную антенну. При этом следует отметить, что из-за малого коэффициента усиления всенаправленных базовых станций дальность покрытия не так велика, как у направленных. При установке всенаправленных антенн необходимо учитывать влияние вышки на зону покрытия, и антенна должна располагаться перпендикулярно плоскости земли. Если местные власти предъявляют более высокие требования к зоне покрытия, для этого следует использовать направленные антенны. Как правило, следует использовать направленные антенны с шириной луча на уровне половинной мощности 90°, 105° и 120° в горизонтальной плоскости;

Выбор коэффициента усиления антенны: Выберите коэффициент усиления антенны в соответствии с требованиями к зоне покрытия. В пригородных и сельских районах рекомендуется выбирать направленную антенну с более высоким коэффициентом усиления (16-18 дБи) или всенаправленную антенну с коэффициентом усиления 9-11 дБи;

Выбор метода наклона: В пригородных и сельских районах возможности регулировки наклона антенны ограничены, а диапазон регулировки и характеристики угла наклона невелики. Рекомендуется использовать антенну с механическим наклоном. В то же время, когда антенна подвешена на высоте более 50 метров и требуются зоны покрытия вблизи вышки, приоритет отдается антеннам с нулевой точкой заполнения, чтобы избежать проблемы затемнения под вышкой.

3.3 Выбор антенны базовой станции для покрытия автомагистрали

Характеристики среды приложения:В условиях низкой деловой активности и высокой скорости перемещения пользователей основное внимание уделяется решению проблемы покрытия. В целом, цель состоит в обеспечении полосного покрытия, поэтому для покрытия автомагистралей в основном используются двусторонние соты; всенаправленные соты также используются в районах, проходящих через города и туристические места; затем делается акцент на широком покрытии, и тип используемой антенны должен определяться в зависимости от выбора места и типа площадки. Различные условия движения по автомагистралям сильно различаются. Как правило, существуют относительно прямые автомагистрали, такие как шоссе, железные дороги, национальные и провинциальные дороги и т. д. Рекомендуется строить станции рядом с автомагистралью, используя станции типа S1/1/1 или S1/1 с высокоэффективными направленными антеннами для обеспечения покрытия. Существуют извилистые и холмистые дороги, такие как извилистые горные дороги, самодельные горные дороги на уровне уезда и т. д. Необходимо сочетать покрытие сельской местности вблизи автомагистрали и выбирать высокое место для строительства станции.

При выборе антенны на начальном этапе планирования старайтесь выбирать антенну с высоким коэффициентом усиления и большой дальностью действия для обеспечения широкого охвата.

Принципы выбора антенны:

Выбор диаграммы направленности: В базовых станциях, предназначенных для покрытия железных дорог и автомагистралей, могут использоваться узконаправленные антенны с высоким коэффициентом усиления. Форма антенны может гибко выбираться в зависимости от таких факторов, как неровности местности и повороты в месте установки;

Выбор коэффициента усиления антенны: для направленной антенны коэффициент усиления может быть выбран в диапазоне от 17 дБи до 22 дБи, а для всенаправленной антенны — от 11 дБи;

Выбор метода наклона вниз: Для покрытия автомагистралей, как правило, угол наклона вниз не предусмотрен. Рекомендуется использовать более дешевую механическую антенну с наклоном вниз. Когда расстояние превышает 50 метров и требуются зоны покрытия вблизи вышки, приоритет может быть отдан антеннам с заполнением нулевой точки (более 15%) для решения проблемы «черных зон» под вышкой;

Соотношение передней и задней части антенны: Поскольку большинство пользователей сети, работающей на автомагистралях, являются быстро движущимися пользователями, для обеспечения нормальной передачи сигнала соотношение передней и задней части направленной антенны не должно быть слишком высоким.

3.4 Выбор антенны базовой станции для покрытия в горах

Характеристики среды приложения:В отдаленных холмистых и горных районах горы сильно блокируют радиоволны, что приводит к затуханию распространения радиоволн и затрудняет покрытие. Обычно зона покрытия широкая, пользователи распределены в широком радиусе от базовой станции, а объем бизнеса невелик. Базовая станция может быть построена на вершине горы, на склоне, у подножия горы или в подходящем месте в горной местности. Для выбора мест расположения базовой станции, моделей и антенн необходимо учитывать различное распределение пользователей и особенности рельефа местности. Относительно распространены следующие ситуации: создание веб-сайта в горной местности котловины, создание веб-сайта на высокой горе, создание веб-сайта на полпути к вершине горы, создание веб-сайта в обычной горной местности и т. д.

Принципы выбора антенны:

Выбор диаграммы направленности: Выбор диаграммы направленности зависит от местоположения, типа станции и требований к покрытию окружающей среды базовой станцией. Можно выбрать всенаправленную или направленную антенну. Для базовых станций, расположенных в горах, если покрываемая территория находится на относительно небольшой высоте, следует выбрать диаграмму направленности с большим углом вертикальной половинной мощности для лучшего соответствия требованиям вертикального покрытия;

Выбор коэффициента усиления антенны: в зависимости от необходимой дальности покрытия выбирайте антенну со средним коэффициентом усиления, всенаправленную антенну (9-11 дБи) или направленную антенну (15-18 дБи);

Выбор угла наклона: При строительстве станции на горе, если покрываемая площадь находится у подножия горы, следует выбрать антенну с заполнением нулевой точки или с заданным углом наклона вниз. Величина заданного угла наклона вниз должна выбираться исходя из относительной высоты базовой станции и покрываемой площади. Чем больше относительная высота, тем больше должен быть заданный угол наклона вниз.

3.5 LTEКраткое изложение сценариев применения антенн базовой станции

Исходя из вышеизложенных вариантов и с учетом особых условий LTE, рекомендуемые принципы выбора антенн следующие:

Таблица 3-1. Сводная информация о сценариях применения антенн.

Как правило, при выборе площадки для размещения LTE используются существующие объекты, поэтому наиболее важными проблемами являются наличие достаточного пространства для установки LTE-антенн и соответствие высоты плану размещения. Поэтому в рамках проекта учитываются такие технические параметры, как метод поляризации, использование широкополосной антенны и угол наклона. Необходимо провести детальное обследование существующих объектов и составить разумный план, исходя из реальной ситуации. В связи с наличием технологии MIMO в LTE, в настоящее время широко используются конфигурации 2T2R и 4T4R. С учетом таких факторов, как стоимость строительства, для 2T2R обычно используются двухполяризационные антенны; для 4T4R обычно используются две двухполяризационные антенны, а расстояние между антеннами составляет 1-2λ, что соответствует примерно 30-50 см для 2.6 ГГц.

4 5G Массивный MIMO AAUи сценарии применения

Основное содержание этого раздела кратко описывает выбор антенны и сценариев применения 5G AAU.

4.1 5G Массивный MIMO AAU

Технология множественного ввода-вывода (MIMO), получившая широкое распространение в эпоху 4G, позволяет эффективно использовать множество пространственных каналов, существующих между несколькими антеннами приемопередатчика и приемопередатчика, для передачи нескольких взаимно ортогональных потоков данных, тем самым повышая пропускную способность и стабильность связи без увеличения полосы пропускания.

Технология Massive MIMO, разработанная в эпоху 4G и 5G, представляет собой усовершенствованную версию технологии MIMO. В условиях ограниченного времени и частотных ресурсов используются сотни антенных блоков для одновременного обслуживания десятков мобильных терминалов, что дополнительно повышает пропускную способность данных и эффективность энергопотребления. Высокая частота связи в 5G и уменьшенные размеры антенн позволяют разместить больше антенн на исходной площади. Технология Massive MIMO задала тон развитию коммуникационных технологий в эпоху 5G. Поэтому после радиочастотного интерфейса в эпоху 5G антенны стали еще одним компонентом, демонстрирующим взрывной рост. На базовые станции приходится 20%, а на терминальные антенны — 80%.

В связи с широким использованием технологии Massive MIMO в базовых станциях 5G, внутренне интегрированная антенна использует большое количество генераторов, а также включает в себя приемопередающие блоки, поэтому её также называют активной антенной решеткой (ААР). Схема её внутренней структуры и форма изделия показаны на рисунке ниже.

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

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

Для антенны AAU в диапазоне частот <6 ГГц производители коммуникационного оборудования обычно используют 192 генератора. В горизонтальном направлении имеется 12 рядов, а в вертикальном — 8 столбцов генераторов. Плюс двойная поляризация 45°, итого получается 12x8x2=192 генератора. Каждая группа из трех генераторов называется антенной, поэтому антенна AAU имеет в общей сложности 192/3=64 антенны. Если каждые 6 генераторов образуют антенну, то антенна AAU имеет 192/6=32 антенны.

Рисунок 4-3. Схема антенных элементов 65TR и 32TR AAU.

В диапазонах <6 ГГц антенные блоки обычно используют полностью цифровое формирование луча. Можно считать, что количество антенн, количество каналов передачи и количество усилителей мощности одинаковы. Количество антенн является важным фактором покрытия. Чем больше элементов, тем уже луч и тем выше концентрация энергии. Чем больше антенн и каналов, тем больше усилителей мощности внутри антенного блока, тем больше потребление ресурсов базовой полосы и тем выше стоимость оборудования.

4.2 5GМодель затухания сигнала

В стандарте 3GPP TR 38.901 представлены четыре сценария: офисная зона с точкой доступа внутри помещений (InH-Office), городская микросота на улице (UMi-Street Canyon), городская макросота (Uma) и сельская макросота (RMa). Каждый тип сценария подразделяется на сценарии без прямой видимости (NLOS) и с прямой видимостью (LOS), всего восемь моделей распространения сигнала. В данной статье выбрана модель потерь на трассе распространения в сценарии городской макростанции Uma-LOS/NLOS.cРабочая частота (ГГц), чBSЭффективная высота антенны базовой станции (м), hUTЭффективная высота антенны мобильной станции (м), d2DГоризонтальное расстояние между базовой станцией и мобильной станцией (м), d3DРасстояние по прямой линии между антенной базовой станции и антенной мобильной станции (м).

Согласно приведенной выше таблице, типичные максимально допустимые потери на трассе распространения (MAPL) для различных каналов городских макростанций можно рассчитать по следующей формуле. Видно, что разница в максимально допустимых потерях на трассе распространения между восходящим и нисходящим каналами 5G NR 3.5 ГГц достигает 13.65 дБ, зона покрытия сети ограничена в восходящем канале и канале PUSCH восходящего канала.

PLМакс=PTx-Lf+GTx-Mf-Ml+GRx-Lp-Lb-SR

где ПTxМощность передачи базовой станции, LfПотери в фидере, ГTxКоэффициент усиления антенны базовой станции, МfЗатухание теней и запас быстрого затухания, MlЗапас помехоустойчивости, ГRxКоэффициент усиления антенны сотового телефона, LpПотери проникновения звука в здание, ЛbИзнос кузова, SRxчувствительность приема сотового сигнала

4.3 5G ААУСценарии применения

В густонаселенных городских районах сложная беспроводная среда приводит к усилению помех, а высотные здания предъявляют высокие требования к вертикальному покрытию и пропускной способности для пользователей. Оборудование 64TR обеспечивает лучшее формирование луча в рамках технологии Massive MIMO, позволяет осуществлять передачу данных в рамках многопользовательской MIMO с высокой интенсивностью трафика и значительно улучшает покрытие по вертикали. В пригородах и сельской местности вероятность успешного сопряжения MU-MIMO снижается, и оборудование 64TR не может в полной мере использовать свои преимущества в пропускной способности, поэтому можно использовать оборудование с низкой конфигурацией. Использование 32 антенн может удовлетворить потребности. Для более удаленных районов требования к пропускной способности невысоки, и основная проблема заключается в решении проблемы покрытия. В этом случае даже технология Massive MIMO не требуется. Достаточно использовать 8-портовый RRU для подключения антенн.

На рисунке ниже представлено предлагаемое производителем оборудования решение для покрытия сети на основе сценариев. Макростакция является наиболее важной формой продукта. 64-транзисторный блок AAU решает проблему постоянно высокой пропускной способности на этапе 4G/5G, а 32-транзисторный блок AAU с низкой конфигурацией решает проблему недорогого строительства сети в зонах с низкой интенсивностью трафика 4G/5G. Продукты для внутренних распределительных систем включают оборудование 2TR и 4TR, которые используют пассивные внутренние распределительные системы в существующих или новых сетях для решения задач в условиях высокой стоимости и высокой интенсивности трафика внутри помещений. Кроме того, микростанционные базовые станции 4TR с радиочастотными блоками (RRU) широко используются в условиях высокой загруженности и перегрева, например, в жилых районах и на пешеходных улицах.

Рисунок 4-4. Решение для оценки покрытия сети на основе сценариев от производителя оборудования.

Как видно из результатов расчетов в разделе 4.2, зона покрытия восходящего канала 5G NR в диапазоне 3.5 ГГц ограничена, главным образом из-за ограниченной мощности терминалов. Учитывая, что требования к скорости передачи данных в восходящем и нисходящем каналах останутся асимметричными и после запуска 5G (требования к скорости нисходящего канала значительно выше, чем к восходящему), для сохранения существующей сетевой структуры без изменений и снижения затрат на строительство сети, чтобы операторы могли быстро накладывать и развертывать 5G на действующих базовых станциях 4G, можно использовать разделение восходящего и нисходящего каналов (SUL) для решения проблемы узких мест в зоне покрытия восходящего канала. То есть, в восходящем канале используется старое оборудование LTE, часть полосы пропускания FDD в диапазоне 1.8 ГГц повторно используется для 5G NR с целью улучшения покрытия, а в нисходящем канале развертывается 5G NR в диапазоне 3.5 ГГц.

Рисунок 4-5. Решение для развязки с использованием различных частотных диапазонов для восходящего и нисходящего каналов.

Эта статья воспроизведена с Microwave Radio Frequency Network «В целях защиты прав интеллектуальной собственности, пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке. В случае обнаружения каких-либо нарушений, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации».