芯耀
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隨著容量、覆蓋范圍和連接密度需求的增長，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商已將大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）和波束成形等先進(jìn)技術(shù)融入其網(wǎng)絡(luò)中。與此同時(shí)，有源天線系統(tǒng)（AAS）也不斷發(fā)展，以整合這些技術(shù)，并使其能夠在無線基礎(chǔ)設(shè)施中部署。
部署最適合的AAS變體需要對(duì)AAS技術(shù)有深入了解，同時(shí)也需要了解網(wǎng)絡(luò)的具體需求。
AAS工作原理
有源天線系統(tǒng)（AAS）的運(yùn)作基于矩形天線陣列，該陣列利用波束成形技術(shù)，在不同角度上引導(dǎo)高增益波束。天線陣列的設(shè)計(jì)使得單個(gè)陣元以建設(shè)性方式組合，形成一個(gè)主瓣，該主瓣在給定方向上傳輸能量，而系統(tǒng)的總增益則由陣列中陣元的數(shù)量決定。待傳輸?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%B0%84%E9%A2%91/">射頻（RF）信號(hào)在應(yīng)用于單個(gè)陣列陣元之前，會(huì)分別進(jìn)行預(yù)編碼，包括相位和幅度調(diào)整，從而使波束能夠按照所需方向進(jìn)行引導(dǎo)。采用雙極化陣列陣元，這些陣元能同時(shí)響應(yīng)水平極化和垂直極化的無線電波，從而提高了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理能力。每個(gè)陣元由兩個(gè)獨(dú)立的收發(fā)器供電，一個(gè)負(fù)責(zé)垂直極化，另一個(gè)負(fù)責(zé)水平極化。
圖2 射頻與數(shù)字引導(dǎo)相結(jié)合的混合波束成形示例
在實(shí)際的有源天線系統(tǒng)（AAS）實(shí)現(xiàn)中，多個(gè)天線單元被劃分為子陣列，每個(gè)子陣列配備有獨(dú)立的射頻鏈（如圖2所示）。這種混合實(shí)現(xiàn)方式減少了射頻鏈的數(shù)量，從而降低了整體陣列的復(fù)雜性、成本和功耗。
天線陣列的特性由其被劃分為子陣列陣列（AOSA）的方式?jīng)Q定。當(dāng)所有子陣列的信號(hào)同相相加時(shí)，所獲得的總天線增益取決于子陣列的數(shù)量。例如，兩個(gè)子陣列的增益是單個(gè)子陣列增益的兩倍，即增益增加了3分貝（dB）（如圖3A所示）。同樣地，四個(gè)子陣列會(huì)再增加3dB的增益，但隨著子陣列尺寸的增加，發(fā)射波束會(huì)變得更窄（如圖3B所示）。天線系統(tǒng)的總增益是陣列增益和子陣列增益的乘積，如圖3C所示。
綜上所述，天線的最大增益由陣列中的天線單元數(shù)量決定，而子陣列的劃分方式使得能夠在一定角度范圍內(nèi)引導(dǎo)高增益波束（如圖3C所示）。同時(shí)，子陣列的輻射方向圖決定了發(fā)射波束的包絡(luò)，如圖3C中的虛線所示。
請(qǐng)注意，盡管上述描述主要關(guān)注了一維情況，但實(shí)際上，在水平和垂直維度（使用雙極化天線單元時(shí)）上，同樣的原理同樣適用。
圖3 AOSA分區(qū)支持高天線增益和波束指向性
貼片天線
得益于天線制造技術(shù)的改進(jìn)以及半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，集成天線陣列已成為可能。天線設(shè)計(jì)已從傳統(tǒng)的板狀結(jié)構(gòu)演變?yōu)槭褂觅N片天線作為基本單元的平板配置。貼片天線（見圖4，下文）由一個(gè)平坦的矩形導(dǎo)體（即貼片）構(gòu)成，該導(dǎo)體安裝在一個(gè)更大的平坦導(dǎo)體（即接地平面）之上，而貼片和接地平面之間由一種電介質(zhì)材料隔開。
圖4 貼片天線
有源天線與無源天線
盡管本文的討論重點(diǎn)集中在有源的數(shù)字天線陣列上，但無源天線仍然扮演著重要的角色。近年來，無源天線系統(tǒng)也取得了顯著的發(fā)展，現(xiàn)已能夠支持4x4甚至8x8 MIMO（多輸入多輸出）?？紤]到許多初期的5G部署集中在3.5 GHz這一覆蓋和容量的“甜點(diǎn)”頻段，有源天線系統(tǒng)（AAS）的全部功能可能并非必需，尤其是在容量和用戶數(shù)量不構(gòu)成限制的非城市地區(qū)。
在這些場景下，AAS的益處可能無法抵消其成本，而無源系統(tǒng)則可能成為一種可行的替代方案。將與5G共存多年的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也使用較低頻段的頻率，可以部署無源天線來繼續(xù)支持這些網(wǎng)絡(luò)。
此外，在必須同時(shí)提供5G服務(wù)和繼續(xù)支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的基站站點(diǎn)，現(xiàn)代天線尺寸較小，使得在同一雷達(dá)罩下安裝有源和無源系統(tǒng)成為可能，從而有可能節(jié)省站點(diǎn)成本和空間。
部署場景
在為特定基站站點(diǎn)選擇最佳AAS配置時(shí)，應(yīng)考慮其將要服務(wù)的環(huán)境。關(guān)鍵因素包括要服務(wù)的用戶數(shù)量、站點(diǎn)間距離（ISD）以及要覆蓋的建筑物和地點(diǎn)的性質(zhì)。以下三個(gè)場景（如圖5所示）展示了其中一些因素如何影響天線設(shè)計(jì)的選擇。
場景A：密集城市高層建筑
擁有高層建筑和大量人流的密集城市區(qū)域需要大型天線陣列來確保足夠的覆蓋范圍。將陣列劃分為小型子陣列可以產(chǎn)生高增益波束，這些波束可以在大范圍的角度內(nèi)進(jìn)行引導(dǎo)，以滿足用戶的垂直分布。在此環(huán)境中，多用戶MIMO（MU-MIMO）至關(guān)重要，而大量的小型分區(qū)需要足夠數(shù)量的射頻鏈，64條射頻鏈在復(fù)雜性和性能之間取得了良好的平衡。
場景B：城市低層建筑
這代表了世界上許多大城市的情況，交通密度較低，建筑類型混合，用戶垂直分布較少。在此場景中，需要較大的天線區(qū)域來提供所需的小區(qū)數(shù)據(jù)速率，但垂直覆蓋范圍可以減小，因此可以使用較大的垂直子陣列。MU-MIMO在這里仍然很重要；但由于子陣列數(shù)量較少，16到32條射頻鏈最為合適。
場景C：農(nóng)村/郊區(qū)
這些地區(qū)的特點(diǎn)是人口密度低或中等，用戶垂直分布小，站點(diǎn)間距離從一公里到幾公里不等。同樣，需要大型天線陣列來提供覆蓋范圍，但垂直波束成形不是首要考慮因素，因此大型垂直子陣列是理想選擇。由于用戶數(shù)量少，MU MIMO的益處有限，因此8到16條射頻鏈提供了最佳的折衷方案。
圖5 適用于多種網(wǎng)絡(luò)部署場景的AAS配置
AAS的優(yōu)勢、權(quán)衡因素和考慮要點(diǎn)
本文描述了AAS（有源天線系統(tǒng)）的工作原理，以及當(dāng)它們得到適當(dāng)部署時(shí)，能夠給無線網(wǎng)絡(luò)帶來的諸多好處。AAS的大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出）功能最適合用戶密集、流量大的場景，運(yùn)營商必須在這些場景中最大化頻譜利用率。毫米波傳輸?shù)牟ㄩL較短，使得天線尺寸可以進(jìn)一步縮小，非常適合這些區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)密集化。
然而，AAS并非所有網(wǎng)絡(luò)部署的萬能良藥。運(yùn)營商必須專注于其投資，以確保獲得最大回報(bào)。從城市到農(nóng)村，不同規(guī)模的環(huán)境其商業(yè)案例差異顯著。在農(nóng)村等人口稀少的地區(qū)，AAS相對(duì)較高的成本可能并不劃算。此外，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將與5G網(wǎng)絡(luò)共存多年，在這兩種情況下，先進(jìn)的無源天線系統(tǒng)可能是最佳解決方案。在推出5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，這些因素以及其他因素都需要仔細(xì)考慮。
