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 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)部的功放連接獨立發(fā)送信號的話,實現(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,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 手機能支持 4 天線接收,因此可以和基站形成最多 4 條獨立的傳播路徑,也就是對于單個手機來說,SU-MIMO 最多可支持 4 流傳輸。
5G AAU 可以同時實現(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。