干貨好文 | 5G MM的振子、天線通道等之間有何關(guān)系？

Massive MIMO（簡稱作 M-MIMO 或者 MM），作為 5G 的核心技術(shù)，是承載在 AAU 之上的，而 AAU 內(nèi)部的天線陣列，則是實(shí)現(xiàn) Massive MIMO 的最重要的載體。

本期，蜉蝣君將介紹其中的幾個基本概念：振子，天線，通道，流，MU-MIMO，SU-MIMO，及其之間的關(guān)聯(lián)。

1、什么是振子？

天線最基本的作用是進(jìn)行能量傳播方式的轉(zhuǎn)換。對于基站發(fā)射的信號來說，天線把發(fā)射機(jī)的高頻振蕩電流轉(zhuǎn)換為可以在自由空間傳播的電磁波。

天線往外發(fā)射電磁波是通過內(nèi)部的振子來完成的。單個振子的能力有限，發(fā)射方向也難以集中，因此天線一般是由多個振子疊加而成。

如上圖所示，天線打開外罩之后，就能看到其內(nèi)排布著若干的 X 形狀的器件，這些就是振子，也叫天線單元（Antenna Elements）。一個 X 代表了+45°和 -45°極化方向的兩個振子。

2、振子怎樣組成天線 / 天線陣列？

對于一般的天線來說，其內(nèi)部是由多個振子組成的，通過這些振子上發(fā)射能量的疊加，天線增益可達(dá) 13 到 17dBi。我們在畫天線示意圖時，總會在上面畫上一些 X 形符號，用來表示里面的振子。

對于 5G AAU 來說，由于廣泛采用了 M-MIMO 技術(shù)，其內(nèi)部集成的天線采用的振子數(shù)量更多，多個振子整整齊齊地排列著，嚴(yán)陣以待，因此也稱作天線陣列。對于 Sub6G 頻段的 AAU 來說，業(yè)界一般采用 192 個振子。

天線振子雖多，但單個振子的能力太過弱小，并且如果每個振子都和 AAU 內(nèi)部的功放連接獨(dú)立發(fā)送信號的話，實(shí)現(xiàn)上也過于復(fù)雜，因此業(yè)界一般 3 個振子或者 6 個振子劃為一組，成為邏輯上的單個天線。

以下圖的 M-MIMO 天線振子排布圖為例，水平方向共 12 行，垂直方向有 8 列振子，再加上±45°雙極化，一共就有 12x8x2=192 個振子。

每三個振子為一組，稱為一副天線，因此該 M-MIMO AAU 共有 192/3=64 個天線。如果每 6 個振子組成一個天線的話，該 AAU 就有 192/6=32 個天線。

目前業(yè)界主流的 5G AAU 均為 192 振子，有 64 天線和 32 天線這兩種型號，其中 64 天線的產(chǎn)品性能要更好一些。

既然如此，那為什么不都做 64 天線呢？這就要涉及到通道數(shù)和成本相關(guān)的考量了。

3、什么是通道？

天線數(shù)再多，也是無源器件，沒法直接發(fā)射信號。

因此，AAU 需要將這些天線跟其內(nèi)部的射頻鏈路相連，最終就形成了 64 或者 32 個可發(fā)射信號的通道。

Sub6G 頻段的 AAU 采用全數(shù)字波束賦形，可以認(rèn)為其天線數(shù)，發(fā)射通道數(shù)，功放（PA）數(shù)是一樣的。

顯而易見，天線數(shù)和通道數(shù)越多，AAU 內(nèi)部的功放數(shù)也就越多，對基帶資源的消耗也會越大，設(shè)備的成本也就越高。

因此，64 天線的設(shè)備主要用于密集城區(qū)，在普通城區(qū)和郊區(qū)使用 32 天線就可以滿足需求了。

對于更為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，對容量的要求不高，主要解決覆蓋問題，這時甚至連 Massive MIMO 都不用了，直接上 8 端口 RRU 接上天線就行。

4、AAU 內(nèi)部采用了這么多振子、天線和通道，到底天線增益如何呢？

下面我們分為通道增益，波束賦形增益，以及業(yè)務(wù)增益這三個方面來說。

上面已經(jīng)說過，單個通道一般是由 3 個或者 6 個振子組成的，這些振子產(chǎn)生的合成增益，就叫做通道增益。

波束賦形增益也叫陣列增益，通道數(shù)越多，波束賦形能力也就越強(qiáng)，增益相應(yīng)的也就越大。其算法為：陣列增益=10Log（通道數(shù) /2）,之所以除以二，是因為這些通道的極化方向是不同的，一半+45°極化，另一半 -45°極化，而極化是不能產(chǎn)生增益疊加的，因此只能按一半的通道數(shù)來算。

業(yè)務(wù)增益其實(shí)就是天線整體的最大增益，由通道增益和波束賦形增益相加得出。

一般來說，Massive MIMO 的業(yè)務(wù)增益比普通天線要高 3dB 左右。下文將說到的由多發(fā)射通道，以及波束賦形帶來的多用戶多流傳輸能力，是 M-MIMO 的核心競爭力所在。

5、多用戶及空分流數(shù)

多用戶的空分流，直觀來說，是在空間中給不同的用戶使用不同波束來發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流。

舉例來說，如果基站支持 16 流，就是基站能使用相同的資源，在空間中發(fā)送 16 路不同的數(shù)據(jù)。這 16 路數(shù)據(jù)可以分給 8 個用戶，每個用戶兩流（也就是 2x2 MIMO），也可以分給 16 個用戶，每個用戶只有一流。這樣一來，雖然每用戶體驗的速率差別較大，但整個小區(qū)的吞吐量是可以達(dá)到峰值的。

這種多個用戶之間配對來復(fù)用相同的時頻資源來實(shí)現(xiàn)多流的技術(shù)就叫做 MU-MIMO（多用戶 MIMO），而一個用戶內(nèi)部的多流則為傳統(tǒng)的 SU-MIMO（單用戶 MIMO）。目前主流的 5G 手機(jī)能支持 4 天線接收，因此可以和基站形成最多 4 條獨(dú)立的傳播路徑，也就是對于單個手機(jī)來說，SU-MIMO 最多可支持 4 流傳輸。

5G AAU 可以同時實(shí)現(xiàn) MU-MIMO 和 SU-MIMO 這兩種方式，最大化整個小區(qū)的流量。

好了，本期的內(nèi)容就到這里，希望對大家有所幫助。