Kiến thức kỹ thuật về anten trạm gốc 4G và 5G và các kịch bản ứng dụng

1 Tổng quan về ăng-ten trạm gốc

Chương này giới thiệu về phân loại ăng-ten trạm gốc và sự xuất hiện của các loại ăng-ten khác nhau trong truyền thông di động.

1.1 Phân loại ăng-ten trạm gốc

Ăng ten đa hướng:Ở dạng bức xạ ngang, nó thể hiện bức xạ đồng đều 360°, thường được gọi là không định hướng. Ở dạng bức xạ dọc, nó thể hiện một chùm tia có độ rộng nhất định. Nói chung, độ rộng chùm tia càng nhỏ thì độ lợi càng lớn. Ăng-ten đa hướng thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động tại các trạm vùng ngoại ô và nông thôn, với vùng phủ sóng rộng.

Anten định hướng:Ở dạng bức xạ ngang, nó xuất hiện dưới dạng bức xạ trong một phạm vi góc nhất định, thường được gọi là tính định hướng. Ở dạng bức xạ dọc, nó xuất hiện dưới dạng một chùm tia có độ rộng nhất định. Giống như ăng-ten đa hướng, độ rộng chùm tia càng nhỏ thì độ lợi càng lớn. Ăng-ten định hướng thường được sử dụng trong các trạm di động đô thị trong hệ thống thông tin di động, với vùng phủ sóng nhỏ, mật độ người dùng cao và sử dụng tần số cao.

Các loại trạm gốc khác nhau được thiết lập theo yêu cầu của mạng, và các loại trạm gốc khác nhau có thể lựa chọn các loại anten khác nhau tùy theo nhu cầu. Việc lựa chọn dựa trên các thông số kỹ thuật nêu trên. Ví dụ, một trạm đa hướng sử dụng anten đa hướng với độ lợi về cơ bản là như nhau ở mỗi hướng ngang, trong khi một trạm định hướng sử dụng anten định hướng với sự thay đổi đáng kể về độ lợi theo hướng ngang. Nói chung, anten có độ rộng chùm tia ngang 65° được lựa chọn ở khu vực đô thị. Anten có độ rộng chùm tia ngang 65°, 90° hoặc 120° có thể được lựa chọn ở khu vực ngoại ô (tùy thuộc vào cấu hình trạm và môi trường địa lý địa phương). Ở khu vực nông thôn, việc lựa chọn anten đa hướng có thể đạt được vùng phủ sóng rộng là tiết kiệm nhất.

Anten cơ học:Thuật ngữ này đề cập đến loại ăng-ten di động sử dụng cơ chế điều chỉnh góc nghiêng. Sau khi ăng-ten cơ học được lắp đặt thẳng đứng so với mặt đất, nếu cần tối ưu hóa mạng, cần phải điều chỉnh vị trí của giá đỡ ở phía sau ăng-ten và thay đổi độ nghiêng của ăng-ten. Trong quá trình điều chỉnh, mặc dù khoảng cách phủ sóng theo hướng búp sóng chính của ăng-ten thay đổi đáng kể, nhưng biên độ của các thành phần dọc và ngang của ăng-ten vẫn không thay đổi, do đó mô hình bức xạ của ăng-ten dễ bị biến dạng.

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.

Ăng-ten điều chỉnh điện tử:Thuật ngữ này đề cập đến ăng-ten di động sử dụng điều chỉnh điện tử góc nghiêng xuống. Nguyên lý của việc điều chỉnh điện tử góc nghiêng xuống là nghiêng hình dạng bức xạ thẳng đứng của ăng-ten xuống dưới bằng cách thay đổi pha của bộ dao động ăng-ten mảng thẳng hàng, thay đổi biên độ của thành phần thẳng đứng và thành phần ngang, và thay đổi cường độ trường của thành phần tổng hợp. Vì cường độ trường theo mọi hướng của ăng-ten tăng và giảm đồng thời, nên đảm bảo rằng hình dạng bức xạ của ăng-ten thay đổi rất ít sau khi thay đổi góc nghiêng, rút ​​ngắn khoảng cách phủ sóng theo hướng búp sóng chính, đồng thời giảm diện tích phủ sóng của toàn bộ hình dạng bức xạ trong khu vực ô phục vụ mà không gây nhiễu. Thực tiễn đã chứng minh rằng khi góc nghiêng xuống của ăng-ten điều chỉnh điện tử thay đổi từ 1° đến 5°, hình dạng bức xạ của nó gần giống với ăng-ten cơ học; khi góc nghiêng xuống thay đổi từ 5° đến 10°, hình dạng bức xạ của nó được cải thiện một chút so với ăng-ten cơ học; khi góc nghiêng xuống thay đổi từ 10° đến 15°, hình dạng bức xạ của nó tốt hơn so với ăng-ten cơ học. Sự thay đổi lớn hơn; Khi ăng-ten cơ học được nghiêng xuống 15°, hình dạng ăng-ten của nó khác biệt đáng kể so với ăng-ten cơ học thông thường. Lúc này, hình dạng của mô-đun ăng-ten không thay đổi nhiều, khoảng cách phủ sóng theo hướng búp sóng chính bị rút ngắn đáng kể, và toàn bộ mô-đun ăng-ten nằm trong phạm vi trạm gốc. Tăng góc nghiêng xuống có thể giảm diện tích phủ sóng mà không gây nhiễu. Do đó, sử dụng ăng-ten điều chỉnh điện tử có thể giảm mất cuộc gọi và giảm nhiễu. Ngoài ra, ăng-ten điều chỉnh điện tử cho phép hệ thống điều chỉnh góc nghiêng xuống của mô-đun định hướng thẳng đứng mà không cần tắt máy, và giám sát hiệu quả điều chỉnh trong thời gian thực. Độ chính xác bước điều chỉnh góc nghiêng cũng cao (0.1°), do đó mạng có thể được điều chỉnh chính xác; chỉ số điều chế liên hợp bậc ba của ăng-ten điều chỉnh điện tử là -150dBc, khác với ăng-ten cơ học 30dBc, có lợi cho việc loại bỏ nhiễu kênh liền kề và nhiễu giả.

Ăng-ten phân cực kép:Ăng-ten phân cực kép là một loại công nghệ ăng-ten mới kết hợp hai ăng-ten có hướng phân cực vuông góc với nhau là +45° và -45°, hoạt động đồng thời ở chế độ song công truyền và nhận. Do đó, ưu điểm nổi bật nhất của nó là tiết kiệm số lượng ăng-ten của một trạm gốc định hướng đơn. Thông thường, trạm gốc định hướng (ba sector) của mạng truyền thông di động kỹ thuật số LTE sử dụng 9 ăng-ten, và mỗi sector sử dụng 3 ăng-ten (đa dạng không gian, một ăng-ten phát và hai ăng-ten thu). Nếu sử dụng ăng-ten phân cực kép, mỗi sector chỉ cần 1 ăng-ten; đồng thời, do tính vuông góc phân cực ±45° giữa các ăng-ten có thể đảm bảo độ cách ly giữa các ăng-ten +45° và -45° đáp ứng yêu cầu về độ nhiễu xuyên điều chế giữa các ăng-ten (≥30dB), do đó khoảng cách không gian giữa các ăng-ten phân cực kép chỉ cần 20-30cm; ngoài ra, ăng-ten phân cực kép còn có ưu điểm là ăng-ten có thể điều chỉnh bằng điện. Việc sử dụng ăng-ten phân cực kép trong mạng thông tin di động, chẳng hạn như ăng-ten điều chỉnh điện, có thể giảm thiểu mất cuộc gọi, giảm nhiễu và cải thiện chất lượng dịch vụ của toàn mạng. Nếu sử dụng ăng-ten phân cực kép, do yêu cầu lắp đặt và dựng cột không cao, nên không cần phải mua đất để xây tháp. Chỉ cần dựng một cột sắt đường kính 20cm và cố định ăng-ten phân cực kép lên cột sắt theo hướng phủ sóng tương ứng. Điều này giúp tiết kiệm chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng, bố trí trạm gốc hợp lý hơn và dễ dàng hơn trong việc lựa chọn vị trí đặt trạm gốc.

Để lựa chọn ăng-ten, cần chọn loại ăng-ten di động phù hợp với nhu cầu của mạng di động trong khu vực dựa trên các điều kiện thực tế như vùng phủ sóng, khối lượng giao dịch, nhiễu sóng và chất lượng dịch vụ mạng:

· Tại các khu vực có lưu lượng truy cập cao và mật độ trạm gốc dày đặc, nên sử dụng tối đa ăng-ten phân cực kép và ăng-ten điều chỉnh điện;

· Các loại ăng-ten cơ khí truyền thống có thể được sử dụng ở những khu vực như biên giới và vùng ngoại ô, nơi lưu lượng giao thông không cao, các trạm gốc không tập trung đông dân cư và chỉ cần vùng phủ sóng là đủ.

1.2 Cấu trúc bên trong và các loại anten trạm gốc thông tin liên lạc di động

1.2.1 Ăng-ten mảng phần tử tấm định hướng

Ăng-ten định hướng dạng tấm là loại ăng-ten trạm gốc cực kỳ quan trọng được sử dụng phổ biến nhất. Ưu điểm của loại ăng-ten này là: độ lợi cao, mô-đun bức xạ tốt, búp sóng phía sau nhỏ, dễ dàng điều chỉnh góc hạ búp sóng theo phương thẳng đứng, khả năng chống thấm nước đáng tin cậy và tuổi thọ cao. Hình dạng của ăng-ten được thể hiện trong hình dưới đây:

Hình 1-1 Sơ đồ cấu tạo của một ăng-ten định hướng dạng tấm.

1.2.1.1 Hình thành ăng-ten dạng tấm có độ lợi cao

Hình 1-2 Sử dụng nhiều bộ dao động bán sóng để tạo thành một mảng tuyến tính thẳng đứng.

Hình 1-3 Nguyên lý thêm tấm phản xạ vào một bên của dãy tuyến tính để đạt được hướng nằm ngang (lấy ví dụ dãy dọc gồm hai bộ dao động bán sóng có tấm phản xạ)

Hiện nay, hầu hết các thiết kế anten định hướng trạm gốc của các nhà sản xuất anten đều sử dụng cấu trúc mảng dao động dạng tấm. Có hai loại bộ dao động được lựa chọn, như được mô tả trong hai phần sau.

1.2.1.2 Bộ dao động đối xứng

Mảng ăng-ten bán sóng đối xứng tiêu chuẩn (thêm một bộ dao động phụ để giảm chiều cao của bộ dao động so với mặt đất và giảm độ dày của ăng-ten)

Hình 1-4 Ăng-ten dạng tấm định hướng được tổng hợp bởi nhiều bộ dao động bán sóng.

1.2.1.3 Bộ tạo dao động vi dải

Sự biến dạng của bộ dao động bán sóng sử dụng nguyên lý đường truyền có bước sóng bằng 1/4 để tạo ra bức xạ:

Hình 1-5 Ăng-ten dạng tấm định hướng được tổng hợp bởi nhiều bộ dao động vi dải

1.2.2 Ăng-ten lưỡng cực cấp nguồn nối tiếp đa hướng

Ăng-ten đa hướng sử dụng nhiều bộ dao động bán sóng để đạt được sự tổng hợp và tăng cường độ lợi bức xạ.

Hình 1-7 Cấu trúc mạch dao động nối tiếp và dạng sản phẩm của anten đa hướng

2 4G LTECác loại anten và phân tích so sánh

Nội dung chính của phần này là giới thiệu phân tích so sánh về vùng phủ sóng và lưu lượng giữa anten phân cực kép LTE và anten phân cực đơn.

2.1 Phân tích tương quan giữa anten phân cực kép LTE và anten phân cực đơn

Việc giới thiệu công nghệ đa anten LTE bổ sung thêm chiều không gian cho tài nguyên không dây và đặt ra những yêu cầu mới đối với các mô hình kênh không dây. Mô hình kênh không gian (SCM) được đề xuất trong báo cáo kỹ thuật 3GPP TR 25.996. Mô hình này phù hợp với các hệ thống có băng thông 5 MHz và tần số sóng mang khoảng 2 GHz. Số lượng đa đường truyền tối đa là 6. Hệ thống LTE yêu cầu kênh không dây có thể hỗ trợ lên đến 20 MHz. Do đó, mô hình SCME (Mở rộng SCM) được sử dụng trong báo cáo kỹ thuật 36.803 để mở rộng băng thông kênh lên 20 MHz và hỗ trợ số lượng đa đường truyền tối đa lên đến 9. Trong đó, đặc tính truyền dẫn không dây giữa eNB và UE là một hàm thay đổi theo thời gian, thay đổi theo sự thay đổi của cấu hình anten, góc hướng anten, tương quan anten và môi trường tán xạ, như thể hiện trong hình dưới đây.

Hình 2-1 Sơ đồ cấu tạo các thông số góc của SCM

Sự khác biệt về hiệu suất không dây giữa anten phân cực kép và anten phân cực đơn (khoảng cách giữa các anten là 10λ) chủ yếu phụ thuộc vào hệ số tương quan của anten trạm gốc. Khi hệ số tương quan bằng 0, điều đó cho thấy các anten tương đối độc lập và độ tương quan thấp. Khi hệ số tương quan bằng 1, điều đó cho thấy có sự tương quan mạnh giữa các anten. Khi hệ thống sử dụng chế độ đa dạng phát (như SFBC), đa dạng thu và chế độ MIMO luồng kép, hiệu suất không dây của các anten có độ tương quan thấp tốt hơn so với hiệu suất của các anten có độ tương quan cao. Hình dưới đây là kết quả mô phỏng hiệu suất SFBC với các hệ số tương quan lần lượt là 0.25, 0.5, 0.6 và 1. Từ kết quả mô phỏng, khi hệ số tương quan là 0.25, hiệu suất của nó về cơ bản không bị ảnh hưởng (so với hệ số tương quan bằng 0). Hiệu suất của SFBC với hệ số tương quan là 0.5 và 0.6 giảm khoảng 0.3dB đến 0.4dB.

Hình 2-2 So sánh hiệu suất liên kết SFBC với các hệ số tương quan khác nhau

China Mobile đã thử nghiệm các hệ số tương quan của các cấu hình ăng-ten khác nhau vào tháng 2008 năm XNUMX. Các hệ số tương quan cụ thể được trình bày trong bảng dưới đây:

Bảng 2-1 Hệ số tương quan tương ứng với các cấu hình anten khác nhau

Lưu ý: Các hệ số tương quan trong bảng trên được China Mobile thu thập dựa trên thử nghiệm mô hình SCME tại các khu vực đô thị đông dân cư. Tại các khu vực đô thị đông dân cư, hệ số tương quan này có tính đại diện nhất định. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là hệ số tương quan này có thể áp dụng cho một dự án cụ thể, cũng như không có nghĩa là hệ số tương quan này có thể áp dụng cho tất cả các mô hình khu vực đô thị đông dân cư.

2.2 So sánh hiệu năng giữa anten phân cực kép và anten phân cực đơn của LTE

LTE định nghĩa bảy chế độ truyền dẫn đa anten, bao gồm đa dạng truyền dẫn, MIMO dựa trên tiền mã hóa, tạo chùm tia, v.v. Bảy chế độ truyền dẫn do LTE định nghĩa chủ yếu nhằm xem xét việc lựa chọn linh hoạt các chế độ truyền dẫn trong các kịch bản khác nhau và các mô hình kênh khác nhau. Thông thường, các điểm nghẽn và thiếu sót về hiệu suất mạng truyền thông di động không dây được chia thành ba loại sau:

Hệ thống hạn chế năng lượng:

Các trường hợp ứng dụng điển hình: Mục đích chính là tăng phạm vi phủ sóng và khắc phục hiện tượng suy giảm tín hiệu, chẳng hạn như các khu vực hiệu quả, vùng phủ sóng rộng ở khu vực nông thôn, v.v.

Loại công nghệ ăng-ten được sử dụng: phân tập phát, phân tập thu

Chênh lệch hiệu năng: Hiệu năng cải thiện của anten đơn phân cực 10λ thấp hơn 5% so với anten phân cực kép, và khoảng cách hiệu năng giữa hai loại không lớn.

Hệ thống bị giới hạn bởi nhiễu:

Các trường hợp ứng dụng điển hình: Chủ yếu được sử dụng trong các khu vực đô thị đông dân cư, nơi khoảng cách giữa các trạm tương đối nhỏ. Nhiễu sóng là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất mạng.

Loại công nghệ anten được áp dụng: RANK=2 MIMO luồng kép, RANK=1 MIMO luồng đơn, RANK thích ứng

Chênh lệch hiệu năng: Thuật toán thích ứng RANK tốt hơn đáng kể so với MIMO luồng kép bắt buộc; đồng thời, hiệu năng của anten phân cực kép về cơ bản tương đương với anten phân cực đơn 10λ.

Hệ thống bị hạn chế băng thông:

Các trường hợp ứng dụng điển hình: Điều kiện kênh (CQI) tương đối tốt, không có vùng phủ sóng liên tục giữa các trạm gốc, khoảng cách giữa các trạm gốc tương đối lớn và số lượng người dùng tương đối thưa thớt. Ví dụ: vùng phủ sóng của một ô mạng duy nhất trong giai đoạn đầu của mạng thử nghiệm, v.v.

Loại công nghệ anten: RANK=2 MIMO luồng kép

So sánh hiệu năng: Hiệu năng của anten đơn phân cực 10λ tốt hơn so với anten phân cực kép, và mức cải thiện hiệu năng khoảng 20%.

Bảng 2-2 Bảng kết luận về các kịch bản ứng dụng anten

Phần trên chủ yếu phân tích sự khác biệt về hiệu năng giữa anten đơn cực và anten lưỡng cực. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng anten lưỡng cực có ưu điểm là dễ lắp đặt trong thực tế. Bao gồm khả năng sử dụng một cột duy nhất, điều chỉnh góc nghiêng xuống một cách đồng đều, giúp dễ dàng thiết kế thẩm mỹ cho anten, v.v. Trong bối cảnh hiện nay, việc lựa chọn và lắp đặt vị trí mạng không dây ngày càng khó khăn, những ưu điểm nêu trên của anten lưỡng cực càng trở nên quan trọng.

3 4G LTECác kịch bản ứng dụng và lựa chọn ăng-ten trạm gốc

Nội dung chính của phần này giải thích về việc phân loại các vùng phủ sóng mạng không dây và lựa chọn ăng-ten tương ứng dựa trên các kịch bản triển khai mạng thực tế.

3.1 Lựa chọn ăng-ten trạm gốc đô thị

Đặc điểm môi trường ứng dụng: Các trạm gốc được phân bố dày đặc, yêu cầu vùng phủ sóng nhỏ của mỗi trạm gốc. Mục tiêu là giảm thiểu vùng phủ sóng chéo, giảm nhiễu giữa các trạm gốc và tăng tốc độ tải xuống.

Nguyên tắc lựa chọn anten:

Lựa chọn chế độ phân cực: Do khó khăn trong việc lựa chọn vị trí đặt trạm gốc ở khu vực đô thị và không gian lắp đặt anten hạn chế, nên khuyến nghị sử dụng anten phân cực kép và anten băng thông rộng;

Lựa chọn kiểu thu phát: Ở khu vực đô thị, yếu tố chính cần xem xét là cải thiện khả năng tái sử dụng tần số, do đó ăng-ten định hướng thường được sử dụng;

Lựa chọn độ rộng chùm tia bán công suất: Để kiểm soát tốt hơn vùng phủ sóng của ô mạng nhằm triệt tiêu nhiễu, độ rộng chùm tia bán công suất theo phương ngang của anten đô thị được chọn là 60~65°;

Lựa chọn độ lợi anten: Vì các trạm gốc ở khu vực đô thị thường không yêu cầu phạm vi phủ sóng rộng, nên khuyến nghị sử dụng anten có độ lợi trung bình. Nên sử dụng anten có độ lợi từ 15-18dBi ở khu vực đô thị. Nếu sử dụng anten microcell để lấp đầy các vùng mù ở khu vực đô thị, có thể chọn anten có độ lợi thấp hơn;

Lựa chọn góc nghiêng xuống: Vì góc nghiêng của anten ở khu vực đô thị thường xuyên được điều chỉnh, và một số anten cần được đặt ở góc nghiêng lớn hơn, trong khi việc điều chỉnh góc nghiêng bằng cơ học lại không thuận lợi cho việc kiểm soát nhiễu, nên khuyến nghị sử dụng anten có góc nghiêng xuống được thiết lập sẵn. Bạn có thể chọn anten có góc nghiêng xuống điện tử cố định, hoặc anten có thể điều chỉnh bằng điện khi đáp ứng đủ điều kiện.

3.2 Lựa chọn ăng-ten cho trạm gốc vùng ngoại ô và nông thôn

Đặc điểm môi trường ứng dụng: các trạm gốc được phân bố thưa thớt, khối lượng giao dịch nhỏ, yêu cầu về dịch vụ dữ liệu tương đối thấp và cần vùng phủ sóng rộng. Ở một số nơi, chỉ có một trạm gốc duy nhất, do đó vùng phủ sóng trở thành mối quan tâm quan trọng nhất. Lúc này, việc lựa chọn anten cần được xem xét dựa trên khu vực cần phủ sóng xung quanh trạm gốc.

Nguyên tắc lựa chọn anten:

Lựa chọn hướng phủ sóng: Nếu trạm gốc cần phủ sóng khu vực xung quanh, và không có hướng phủ sóng rõ ràng, đồng thời lưu lượng truy cập xung quanh trạm gốc tương đối phân tán, thì nên sử dụng trạm gốc phủ sóng đa hướng. Đồng thời, cần lưu ý rằng do độ lợi nhỏ của trạm gốc đa hướng, khoảng cách phủ sóng không xa bằng trạm gốc định hướng. Cùng lúc đó, khi lắp đặt anten đa hướng, cần chú ý đến ảnh hưởng của cột ăng-ten đến vùng phủ sóng, và anten phải được giữ vuông góc với mặt đất. Nếu chính quyền địa phương yêu cầu vùng phủ sóng xa hơn cho trạm gốc, cần sử dụng anten định hướng để đáp ứng yêu cầu này. Nói chung, nên sử dụng anten định hướng với độ rộng chùm tia bán công suất là 90°, 105° và 120° trên mặt phẳng ngang;

Lựa chọn độ lợi anten: Chọn độ lợi anten theo yêu cầu vùng phủ sóng. Nên chọn anten định hướng có độ lợi cao hơn (16-18dBi) hoặc anten đa hướng 9-11dBi ở khu vực ngoại ô và nông thôn;

Lựa chọn phương pháp điều chỉnh góc nghiêng: Ở khu vực ngoại ô và nông thôn, việc điều chỉnh góc nghiêng của ăng-ten không nhiều, và phạm vi điều chỉnh cũng như đặc điểm của góc nghiêng không cao. Do đó, nên sử dụng ăng-ten có thể điều chỉnh góc nghiêng bằng cơ học. Đồng thời, khi ăng-ten được treo ở độ cao trên 50 mét và có yêu cầu phủ sóng gần đầu mút, có thể ưu tiên sử dụng ăng-ten lấp đầy điểm không để tránh vấn đề mất sóng dưới chân cột ăng-ten.

3.3 lựa chọn ăng-ten trạm gốc vùng phủ sóng đường cao tốc

Đặc điểm môi trường ứng dụng:Trong môi trường này, khối lượng giao dịch thấp và người dùng di chuyển với tốc độ cao. Lúc này, trọng tâm là giải quyết vấn đề vùng phủ sóng. Nói chung, mục tiêu là đạt được vùng phủ sóng theo dải, vì vậy các trạm thu phát hai chiều chủ yếu được sử dụng cho vùng phủ sóng đường cao tốc; các trạm thu phát đa hướng cũng được sử dụng ở các khu vực đi qua thị trấn và điểm du lịch; sau đó, vùng phủ sóng rộng được nhấn mạnh, và loại anten cần sử dụng phải được xác định dựa trên việc lựa chọn vị trí và loại vị trí. Môi trường đường cao tốc khác nhau rất nhiều. Nói chung, có những đường cao tốc tương đối thẳng, chẳng hạn như đường cao tốc, đường sắt, quốc lộ, tỉnh lộ, v.v., nên xây dựng trạm thu phát cạnh đường cao tốc, sử dụng loại trạm S1/1/1 hoặc S1/1, với anten định hướng có độ lợi cao để đạt được vùng phủ sóng. Có những con đường quanh co, gập ghềnh như đường núi quanh co, đường núi tự xây dựng ở cấp huyện, v.v., phải kết hợp với vùng phủ sóng nông thôn gần đường cao tốc và chọn vị trí cao để xây dựng trạm thu phát.

Khi lựa chọn ăng-ten trong giai đoạn lập kế hoạch ban đầu, hãy cố gắng chọn loại ăng-ten có độ khuếch đại cao và phạm vi phủ sóng rộng để đảm bảo vùng phủ sóng lớn.

Nguyên tắc lựa chọn anten:

Lựa chọn kiểu bức xạ định hướng: Tại các trạm gốc nhằm mục đích phủ sóng đường sắt và đường cao tốc, có thể sử dụng ăng-ten định hướng có chùm tia hẹp và độ lợi cao. Hình dạng ăng-ten có thể được lựa chọn linh hoạt tùy theo các yếu tố như độ gồ ghề của địa hình và các khúc cua tại vị trí triển khai;

Lựa chọn độ lợi anten, độ lợi anten định hướng có thể được chọn từ 17dBi-22dBi, và độ lợi anten đa hướng có thể được chọn từ 11dBi;

Lựa chọn phương pháp nghiêng ăng-ten: Vùng phủ sóng đường cao tốc thường không có góc nghiêng. Nên sử dụng ăng-ten nghiêng cơ học giá rẻ hơn. Khi khoảng cách lớn hơn 50 mét và có yêu cầu phủ sóng gần điểm cuối, có thể ưu tiên các ăng-ten có độ lấp đầy điểm 0 (lớn hơn 15%) để giải quyết vấn đề vùng tối dưới cột ăng-ten;

Tỷ lệ trước-sau: Vì hầu hết người dùng vùng phủ sóng đường cao tốc đều là những người dùng di chuyển nhanh, để đảm bảo quá trình chuyển giao diễn ra bình thường, tỷ lệ trước-sau của ăng-ten định hướng không nên quá cao.

3.4 Lựa chọn ăng-ten trạm gốc cho vùng phủ sóng trên núi

Đặc điểm môi trường ứng dụng:Ở các vùng đồi núi hẻo lánh, núi non cản trở sóng vô tuyến nghiêm trọng, dẫn đến suy giảm tín hiệu, gây khó khăn cho việc phủ sóng. Thông thường, vùng phủ sóng rộng, người dùng phân bố rải rác trong bán kính phủ sóng rộng của trạm gốc, và khối lượng giao dịch nhỏ. Trạm gốc có thể được xây dựng trên đỉnh núi, sườn núi, chân núi, hoặc tại một vị trí thích hợp trong khu vực núi. Cần phải phân biệt sự phân bố người dùng và đặc điểm địa hình khác nhau để lựa chọn vị trí, kiểu dáng và ăng-ten của trạm gốc. Các trường hợp sau đây tương đối phổ biến: xây dựng trang web ở vùng núi dạng lòng chảo, xây dựng trang web trên núi cao, xây dựng trang web lưng chừng núi, xây dựng trang web ở vùng núi bình thường, v.v.

Nguyên tắc lựa chọn anten:

Lựa chọn kiểu bức xạ: Việc lựa chọn kiểu bức xạ phụ thuộc vào vị trí, loại trạm và yêu cầu vùng phủ sóng xung quanh của trạm gốc. Bạn có thể chọn ăng-ten đa hướng hoặc ăng-ten định hướng. Đối với các trạm gốc được xây dựng trên núi, nếu vị trí cần phủ sóng tương đối thấp, nên chọn kiểu bức xạ có góc bán công suất thẳng đứng lớn hơn để đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về vùng phủ sóng theo chiều dọc;

Lựa chọn độ lợi anten: Chọn anten có độ lợi trung bình, anten đa hướng (9-11dBi), anten định hướng (15-18dBi) tùy thuộc vào khoảng cách của khu vực cần phủ sóng;

Lựa chọn góc nghiêng: Khi xây dựng trạm thu phát trên núi và khu vực cần phủ sóng nằm ở chân núi, nên chọn ăng-ten có điểm lấp đầy bằng không hoặc góc nghiêng đặt trước. Kích thước của góc nghiêng đặt trước nên được lựa chọn dựa trên độ cao tương đối của trạm gốc và khu vực cần phủ sóng. Độ cao tương đối càng lớn, góc nghiêng đặt trước càng lớn.

3.5LTETóm tắt các kịch bản ứng dụng ăng-ten trạm gốc

Dựa trên các lựa chọn nêu trên và kết hợp với các điều kiện đặc biệt của LTE, các nguyên tắc lựa chọn anten được khuyến nghị như sau:

Bảng 3-1 Tóm tắt các kịch bản ứng dụng anten

Nhìn chung, việc lựa chọn vị trí lắp đặt LTE thường sử dụng các cơ sở hạ tầng hiện có, vì vậy việc có đủ không gian để lắp đặt anten LTE hay không và chiều cao có đáp ứng được yêu cầu của kế hoạch LTE hay không là những vấn đề lớn nhất. Do đó, các dự án thực tế phải xem xét các thông số kỹ thuật như phương pháp phân cực, có sử dụng anten băng rộng hay không và phương pháp góc nghiêng xuống. Cần phải tiến hành khảo sát chi tiết các cơ sở hạ tầng hiện có và lập kế hoạch hợp lý dựa trên tình hình thực tế. Do sự hiện diện của công nghệ MIMO trong LTE, nên hiện nay 2T2R và 4T4R thường được sử dụng. Xét đến các yếu tố như chi phí xây dựng vị trí, đối với trường hợp 2T2R, thường sử dụng anten phân cực kép; đối với trường hợp 4T4R, thường sử dụng hai anten phân cực kép, và khoảng cách giữa các anten là 1-2λ, tương ứng với khoảng 30-50cm đối với 2.6G.

4 5G MIMO AAU lớnvà các kịch bản ứng dụng

Nội dung chính của phần này mô tả ngắn gọn việc lựa chọn ăng-ten và kịch bản ứng dụng của 5G AAU.

4.1 5G MIMO AAU lớn

Công nghệ MIMO (Multiple Input and Output), vốn đã rất hoàn thiện trong kỷ nguyên 4G, có thể tận dụng hiệu quả nhiều kênh không gian tồn tại giữa nhiều anten giữa bộ thu phát và hệ thống nhận phát để truyền nhiều luồng dữ liệu vuông góc với nhau, từ đó cải thiện thông lượng dữ liệu và độ ổn định truyền thông mà không cần tăng băng thông truyền thông.

Công nghệ Massive MIMO, được phát triển từ kỷ nguyên 4G đến 5G, là phiên bản nâng cấp của công nghệ MIMO. Dựa trên tài nguyên thời gian và tần số hạn chế, hàng trăm đơn vị anten được sử dụng để phục vụ đồng thời hàng chục thiết bị đầu cuối di động, giúp cải thiện hơn nữa thông lượng dữ liệu và hiệu quả sử dụng năng lượng. Tần số truyền thông 5G cao và kích thước anten được thu nhỏ, cho phép tích hợp nhiều anten hơn trong không gian ban đầu. Công nghệ Massive MIMO đã định hình công nghệ truyền thông trong kỷ nguyên 5G. Do đó, anten đã trở thành một thành phần tăng trưởng bùng nổ khác sau bộ phận tiền xử lý tần số vô tuyến trong kỷ nguyên 5G. Anten trạm gốc chiếm 20%, và anten thiết bị đầu cuối chiếm 80%.

Do việc sử dụng rộng rãi công nghệ Massive MIMO trong các trạm gốc 5G, ăng-ten tích hợp bên trong sử dụng một số lượng lớn bộ dao động và cũng tích hợp các bộ thu phát, vì vậy nó còn được gọi là đơn vị mảng ăng-ten chủ động (AAU). Sơ đồ cấu trúc bên trong và hình dạng sản phẩm được thể hiện trong hình dưới đây.

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

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

Đối với AAU trong dải tần <6GHz, các nhà sản xuất thiết bị truyền thông thường sử dụng 192 bộ dao động. Có 12 hàng theo chiều ngang và 8 cột theo chiều dọc. Cộng thêm phân cực kép 45°, tổng cộng có 12x8x2=192 bộ dao động. Mỗi nhóm ba bộ dao động được gọi là một anten, vì vậy AAU có tổng cộng 192/3=64 anten. Nếu cứ 6 bộ dao động tạo thành một anten, thì AAU có 192/6=32 anten.

Hình 4-3 Sơ đồ phần tử anten AAU 65TR và 32TR

Các thiết bị AAU trong dải tần <6GHz thường sử dụng kỹ thuật tạo chùm tia hoàn toàn kỹ thuật số. Có thể coi số lượng anten, số lượng kênh truyền và số lượng bộ khuếch đại công suất là như nhau. Số lượng anten là một yếu tố quan trọng trong phạm vi phủ sóng. Càng nhiều anten, chùm tia càng hẹp và năng lượng càng tập trung. Càng nhiều anten và kênh, càng nhiều bộ khuếch đại công suất bên trong AAU, thì mức tiêu thụ tài nguyên băng tần cơ sở càng lớn và chi phí thiết bị càng cao.

4.2 5GMô hình suy giảm tín hiệu

Tiêu chuẩn 3GPP TR 38.901 đưa ra bốn kịch bản: khu vực văn phòng điểm truy cập trong nhà (InH-Office), đường phố vi mô đô thị (UMi-Street Canyon), trạm macro đô thị (Uma) và trạm macro nông thôn (RMa). Mỗi loại kịch bản được chia thành các kịch bản không nhìn thấy trực tiếp (NLOS) và nhìn thấy trực tiếp (LOS), với tổng cộng tám mô hình truyền sóng. Bài viết này chọn mô hình suy hao đường truyền trong kịch bản trạm macro đô thị Uma-LOS/NLOS. trong đó fcTần số hoạt động (GHz), hBSChiều cao hiệu dụng của anten trạm gốc (m), hUTChiều cao hiệu dụng của anten trạm di động (m), d2DKhoảng cách ngang giữa trạm gốc và trạm di động (m), d3DKhoảng cách đường thẳng giữa ăng-ten trạm gốc và ăng-ten trạm di động (m).

Theo bảng trên, tổn hao đường truyền tối đa cho phép (MAPL) điển hình của các kênh khác nhau của trạm macro đô thị có thể được tính toán theo công thức sau. Có thể thấy rằng, khoảng cách tổn hao đường truyền tối đa cho phép giữa đường lên và đường xuống của 5G NR 3.5GHz đạt 13.65 dB, vùng phủ sóng mạng bị hạn chế ở đường lên và bị giới hạn bởi kênh PUSCH đường lên.

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

nơi PTxCông suất phát của trạm gốc, LfMất trung chuyển, GTxĐộ lợi anten trạm gốc, MfBiên độ mờ dần của bóng và biên độ mờ dần nhanh, MlBiên độ giao thoa, GRxĐộ lợi ăng-ten điện thoại di động, LpTổn thất xuyên tường, LbHao mòn thân xe, SRxĐộ nhạy thu sóng điện thoại di động

4.3 5G AAUKịch bản ứng dụng

Tại các khu vực đô thị đông đúc, môi trường không dây phức tạp dẫn đến nhiễu sóng trầm trọng hơn, và các tòa nhà cao tầng dẫn đến yêu cầu về vùng phủ sóng theo chiều dọc và dung lượng người dùng cao. Thiết bị 64TR có thể cung cấp khả năng tạo chùm tia MIMO đa người dùng tốt hơn, đạt được khả năng truyền tải MIMO đa người dùng lưu lượng cao và cải thiện đáng kể vùng phủ sóng theo chiều dọc. Ở vùng ngoại ô và nông thôn, tỷ lệ thành công ghép nối MU-MIMO giảm và thiết bị 64TR không thể tận dụng hết lợi thế về dung lượng, vì vậy có thể sử dụng thiết bị cấu hình thấp. Sử dụng 32 anten có thể đáp ứng nhu cầu. Đối với các khu vực xa xôi hơn, yêu cầu về dung lượng không cao và vấn đề chính là giải quyết vấn đề vùng phủ sóng. Lúc này, thậm chí không cần đến MIMO đa người dùng. Chỉ cần sử dụng bộ thu phát vô tuyến 8 cổng (RRU) để kết nối anten.

Hình dưới đây minh họa giải pháp phủ sóng mạng dựa trên kịch bản do một nhà sản xuất thiết bị đề xuất. Trạm macro là dạng sản phẩm quan trọng nhất. Thiết bị AAU 64TR giải quyết nhu cầu dung lượng cao liên tục trong giai đoạn 4G/5G, và thiết bị AAU 32TR cấu hình thấp giải quyết nhu cầu xây dựng mạng chi phí thấp ở các khu vực lưu lượng truy cập thấp 4G/5G. Các sản phẩm hệ thống phân phối trong nhà bao gồm thiết bị 2TR và 4TR, sử dụng hệ thống phân phối trong nhà thụ động trên mạng hiện có hoặc mạng xây dựng mới để giải quyết các kịch bản trong nhà có giá trị cao, lưu lượng truy cập cao. Ngoài ra, các sản phẩm trạm gốc micro station 4TR (RRU) được sử dụng rộng rãi trong các kịch bản đông đúc và nóng bức như khu dân cư và phố đi bộ.

Hình 4-4 Giải pháp phủ sóng mạng dựa trên kịch bản từ một nhà sản xuất thiết bị

Từ kết quả tính toán trong Mục 4.2 có thể thấy rằng vùng phủ sóng đường lên 5G NR băng tần 3.5 GHz bị hạn chế, chủ yếu là do công suất thiết bị đầu cuối bị hạn chế. Xét đến việc yêu cầu về tốc độ dịch vụ đường lên và đường xuống vẫn sẽ không đối xứng trong tương lai sau khi ra mắt 5G (yêu cầu tốc độ đường xuống cao hơn nhiều so với đường lên), để giữ nguyên cấu trúc mạng hiện có và giảm chi phí xây dựng mạng, giúp các nhà mạng nhanh chóng chồng lớp và triển khai 5G trên các trạm 4G đang hoạt động, việc tách rời đường lên và đường xuống (SUL) có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề tắc nghẽn vùng phủ sóng đường lên. Cụ thể, thiết bị LTE cũ được sử dụng cho đường lên, một phần băng thông FDD 1.8 GHz được tái sử dụng cho 5G NR để cải thiện vùng phủ sóng, và 5G NR được triển khai trên băng tần 3.5 GHz ở đường xuống.

Hình 4-5 Giải pháp tách tín hiệu sử dụng các dải tần khác nhau cho đường truyền lên và đường truyền xuống.

Bài viết này được sao chép từ " Microwave Radio Frequency Network Để ủng hộ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả khi in lại. Nếu phát hiện vi phạm, vui lòng liên hệ với chúng tôi để gỡ bỏ.