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5G Massive MIMO的基础知识

1、什么是振子?

天线最基本的作用是进行能量传播方式的转换。

对于基站发射的信号来说,天线把发射机的高频振荡电流转换为可以在自由空间传播的电磁波。

天线往外发射电磁波是通过内部的振子来完成的。单个振子的能力有限,发射方向也难以集中,因此天线一般是由多个振子叠加而成。

如上图所示,天线打开外罩之后,就能看到其内排布着若干的X形状的器件,这些就是振子,也叫天线单元(Antenna Elements)。一个X,代表了+45°和-45°极化方向的两个振子。

2、振子怎样组成天线/天线阵列?

对于一般的天线来说,其内部是由多个振子组成的。通过这些振子上发射能量的叠加,天线增益可达13到17dBi。

我们在画天线示意图时,总会在上面画上一些X形符号,用来表示里面的振子。

对于5G AAU来说,由于广泛采用了M-MIMO技术,其内部集成的天线采用的振子数量更多。多个振子整整齐齐地排列着,严阵以待,因此也称作天线阵列。

对于Sub6G频段的AAU来说,业界一般采用192个振子。

天线振子虽多,但单个振子的能力太过弱小,并且如果每个振子都和AAU内部的功放连接独立发送信号的话,实现上也过于复杂。

因此,业界一般3个振子或者6个振子划为一组,成为逻辑上的单个天线。

以下图的M-MIMO天线振子排布图为例,水平方向共12行,垂直方向有8列振子,再加上±45°双极化,一共就有12x8x2=192个振子。

每三个振子为一组,称为一副天线。因此,该M-MIMO AAU共有192/3=64个天线。

如果每6个振子组成一个天线的话,该AAU就有192/6=32个天线。

目前业界主流的5G AAU均为192振子,有64天线和32天线这两种型号,其中64天线的产品性能要更好一些。

既然如此,那为什么不都做64天线呢?这就要涉及到通道数和成本相关的考量了。

3、什么是通道?

天线数再多,也是无源器件,没法直接发射信号。

因此,AAU需要将这些天线跟其内部的射频链路相连,最终就形成了64或者32个可发射信号的通道。

Sub6G频段的AAU采用全数字波束赋形,可以认为其天线数,发射通道数,功放(PA)数是一样的。

显而易见,天线数和通道数越多,AAU内部的功放数也就越多,对基带资源的消耗也会越大,设备的成本也就越高。

因此,64天线的设备主要用于密集城区,在普通城区和郊区使用32天线就可以满足需求了。

对于更为偏远的地区,对容量的要求不高,主要解决覆盖问题,这时甚至连Massive MIMO都不用了,直接上8端口RRU接上天线就行。

4、AAU内部采用了这么多振子、天线和通道,到底天线增益如何呢?

下面我们分为通道增益,波束赋形增益,以及业务增益这三个方面来说。

上面已经说过,单个通道一般是由3个或者6个振子组成的,这些振子产生的合成增益,就叫做通道增益。

波束赋形增益也叫阵列增益,通道数越多,波束赋形能力也就越强,增益相应的也就越大。

其算法为:阵列增益=10Log(通道数/2),之所以除以二,是因为这些通道的极化方向是不同的,一半+45°极化,另一半-45°极化,而极化是不能产生增益叠加的,因此只能按一半的通道数来算。

业务增益其实就是天线整体的最大增益,由通道增益和波束赋形增益相加得出。

一般来说,Massive MIMO的业务增益比普通天线要高3dB左右。下文将说到的由多发射通道,以及波束赋形带来的多用户多流传输能力,是M-MIMO的核心竞争力所在。

5、多用户及空分流数

多用户的空分流,直观来说,是在空间中给不同的用户使用不同波束来发送不同的数据流。

举例来说,如果基站支持16流,就是基站能使用相同的资源,在空间中发送16路不同的数据。这16路数据可以分给8个用户,每个用户两流(也就是2x2 MIMO),也可以分给16个用户,每个用户只有一流。这样一来,虽然每用户体验的速率差别较大,但整个小区的吞吐量是可以达到峰值的。

这种多个用户之间配对来复用相同的时频资源来实现多流的技术就叫做MU-MIMO(多用户MIMO),而一个用户内部的多流则为传统的SU-MIMO(单用户MIMO)。

目前主流的5G手机能支持4天线接收,因此可以和基站形成最多4条独立的传播路径,也就是对于单个手机来说,SU-MIMO最多可支持4流传输。

5G AAU可以同时实现MU-MIMO和SU-MIMO这两种方式,最大化整个小区的流量。

好了,本期的内容就到这里,希望对大家有所帮助。

本文分享自微信公众号 - 鲜枣课堂(xzclasscom)

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原始发表时间:2020-09-26

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