在5G通讯中,SDMA是大规模MIMO(massive Multiple-Input Multiple-Output,指在发射端和接收端分别使用大规模发射天线和接收天线阵列,使信号通过发射端与接收端的大规模天线阵列传送和接收,从而改善通信质量)技术应用的一个重要例子,而将无线信号(电磁波)只按特定方向传播的技术叫做波束成型(beamforming)。传统使用单一天线形成波束的方法需要机械转动天线才能改变波束的方向,而这在手机上显然不可能。
混合波束成形专栏|基础:深入浅出5G,毫米波,大规模MIMO与波束赋形。波束赋形(波束成形, beamforming)波束成形的数学建模。这一结构的核心用一句话概括:将原本的数字波束成形分割成两部分,一部分由低维的数字波束成形实现,另一部分由高维的模拟波束成形实现,从而大大降低了射频链路数目的需求。总而言之:由于硬件的约束,绝大部分5G前的波束成形算法无法照搬到混合波束成形结构下,因此,新的混合波束成形算法急需提出。
理解大规模天线首先需要了解波束成形技术。传统通信方式是基站与手机间单天线到单天线的电磁波传播,而在波束成形技术中,基站端拥有多根天线,可以自动调节各个天线发射信号的相位,使其在手机接收点形成电磁波的叠加,从而达到提高接收信号强度的目的。大规模天线阵列正是基于多用户波束成形的原理,在基站端布置几百根天线,对几十个目标接收机调制各自的波束,通过空间信号隔离,在同一频率资源上同时传输几十条信号。
技术关联与5G应用:相控阵,自适应天线,智能天线和MIMO.无论是相控阵、自适应天线还是智能天线,其相关的一个重要概念就是“波束形成”,也叫波束成形或波束赋形。图23 大规模MIMO二维波束跟踪示意图。图25 大规模MIMO示意图. (a)大规模MIMO部署示意图,(b)测试中的大规模MIMO. (原图来自:Erik G. Larsson, et al., Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems, IEEE Communications Magazine,February 2014)
雷达的原理。通常可以按照雷达的用途分类,如预警雷达、搜索警戒雷达、无线电测高雷达、气象雷达、航管雷达、引导雷达、炮瞄雷达、雷达引信、战场监视雷达、机载截击雷达、导航雷达以及防撞和敌我识别雷达等。美国"爱国者"防空系统的AN/MPQ-53雷达、舰载"宙斯盾"指挥控制系统中的雷达、B-1B轰炸机上的APQ-164雷达、俄罗斯C-300防空武器系统的多功能雷达等都是典型的相控阵雷达。毫米波雷达工作在毫米波段的雷达称为毫米波雷达。
FR2频段的频率范围是24.25GHz——52.6GHz,也就是我们这里所说的毫米波(mmWave)。美国FCC则建议5G NR使用24-25 GHz (24.25-24.45/24.75-25.25 GHz)、32GHz (31.8-33.4 GHz)、42 GHz (42-42.5 GHz)、48 GHz (47.2-50.2 GHz)、51 GHz (50.4-52.6GHz)、70 GHz (71-76 GHz)和80 GHz(81-86 GHz)这几个频段。前面我们在讲解毫米波波束宽度的时候说到毫米波波长很窄,其实,毫米波波长很短影响了天线增益,也间接影响接收功率功率。
2019-2020年5G天线行业专题报告行研君说。而按功能分类,天线主要包括主天线、GPS 定位天线、Wifi 天线、NFC 天线、FM 天线等。而 5G 手机天线数量预计为 8-10 个,包括 2 个 4G 通信天线,4 个 5G 通信天线,2 个 Wifi 天线,1 个 GPS 天线等。此外,5G 基站天线需要满足高频高速大流量传输等特点,工艺难度与天线材质提升,天线单体价值提升,4G 基站天线成本约 800-1000 元/副,5G 基站天线成本预计为 3000-4000 元/副。
Massive MIMO的主要挑战是减少干扰,但正是因为Massive MIMO技术每个天线阵列集成了更多的天线,如果能有效地控制这些天线,让它发出的每个电磁波的空间互相抵消或者增强,就可以形成一个很窄的波束,而不是全向发射,有限的能量都集中在特定方向上进行传输,不仅传输距离更远了,而且还避免了信号的干扰,这种将无线信号(电磁波)按特定方向传播的技术叫做波束成形(beamforming)。
3. 提高频谱效率-代表技术大规模MIMO、波束成形。大规模MIMO是5G关键技术中非常有潜力的一个,相比4G系统中采用8根(或更少)发送天线,大规模MIMO将在同一个天线阵列上部署上百根天线,将天线阵列增益提升到一个新高度!大规模MIMO尚未在实际中部署和应用,目前都是在实验室或者一些特定环境下进行测试,但通过已有的测试结果可以看到:大规模MIMO只需要采用简单的线性预编码处理(如MRT、ZF)便可以提供极高的下行传输速率。
早在2015年,高通就成功进行了首次毫米波技术演示,通过智能波束成形和波束追踪技术实现稳健的毫米波移动性。具体而言,QTM052实现双向移动毫米波通信的波束赋形,波束控制和波束跟踪,可大幅改善毫米波信号的范围和覆盖率,并且尺寸非常小巧,在空间和成本允许的情况下,可以在手机的4个边立面上配备4个毫米波天线模组,配合高通同样率先推出的5G调制解调器芯片骁龙X50,可以确保使用者无论如何握住手机,信号也不会被阻挡。
5G背后的关键技术主要有网络切片、毫米波、小基站、Massive MIMO、波束成形及全双工等。4G基站只有十几根天线,但5G基站可以支持上百根天线。全双工技术是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作,使得通信的两端同时在上、下行使用相同的频率,突破了现有的频分双工(FDD)和时分双工(TDD)模式下的半双工缺陷,这是通信节点实现双向通信的关键之一,也是5G所需的高吞吐量和低延迟的关键技术。
5G天线射频发展与投资机会。传统4G天线向4.5G、5G 的AAU演进,无源天线向有源天线演进,同时MASSIVE MIMO 带来海量天线需求,预计5G 天线数量是4G 的8-32倍;图:AAU=RRU+天线。MassiveMIMO 就是在基站侧利用大规模天线阵列(阵子数高达128 或以上)形成多发多收的系统,配置远多于现有的系统的大规模天线阵列的MIMO,可形成更窄波束,基于波束赋形和MU-MIMO,提高频谱效率,降低干扰提升信噪比,服务更多用户,也称为大规模天线。
在移动通信发展的早期,运营商为节约投资,总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域,这就意味着用户的信号在到达BTS(基站收发信设备)前可能经历了较长的传播路径,有较大的路径损耗(path loss),为使接收到的有用信号不至于低于门限,要么增加移动台的发射功率、要么增加基站天线的接收增益,由于移动台(特别是手机)的发射功率通常是有限的,真正可行的是增加天线增益,相对而言用智能天线实现较大增益比用单天线容易。
这种雷达都相控阵雷达,相控阵雷达又分为有源相控阵和无源相控阵雷达。不同于抛物面反射天线(锅盖天线),阵列天线包含若干个阵元,每个阵元其实就是一个小天线,发射信号时所有阵元同时辐射同频率电磁波,电磁波本质上是正弦振荡电磁场,在阵列天线的照射方向,即天线波束方向,所有阵元发射电磁波的正弦相位完全相同,即所有阵元发射信号的瞬时场强完全相同,因此在这个方向所有阵元发射信号在空间中叠加的功率最强;
非得连接“八百里外“的WiFi?试试这把“信号狙击枪”对于WiFi信号来说,两种天线类型均可以采用。对于八木天线来说,一般情况下其引向器(即除了整支天线上的倒数第二根和最后一根“鱼骨”以外的剩余“鱼骨”)数量越多,对于某个方向上的增益效果和接收效果就越好。这个设计为了挑战极限,使用了一支15单元,25dBi增益的八木天线,配合一块大功率的WiFi网卡和WiFi信号放大器,做成了一把“指哪儿打哪儿”的WiFi狙击步枪。
我WiFi怎么又没了???也就是所谓发射天线在不同的方向有不同的增益,在不同方向的不同增益信息叫做天线的波束形状(beamshape)。对于普通的天线波束的形状可以非常复杂:这里需要提到一个定理:天线互易定理,讲的是A天线发射B天线接收得到的信号效果(比如信噪比)和B天线发射A天线接收得到的效果是一模一样的,以下图示可以描述:从这个角度看,除了发射功率,发射天线的波束形状(beam shape)也能影响发出电磁波的强弱。
工程师必须要掌握的常用天线、无源器件原理及功能 (上) – 射频技术研习社。1.1 天线的定义:? 能够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效的接收空间某特定方向来的电磁波的装置。天线旁瓣。增益和天线尺寸及波束宽度的关系。天线增益只是将能量有效集中向某特定方向辐射或接受电磁波的能力。当两个频率f1和f2输入到天线,由于非线性效应,天线辐射的信号除频率f1 和f2 外,还包括有其他频率,如2f1-f2 和2f2-f1 (3阶)等。
用实测揭开天线朝向的奥秘:横竖都有理信号!天线竖直状态下无线信号强度: 天线竖直摆放 无线信号强度为85%一横一竖状态下无线信号强度: 天线横竖分开摆放 无线信号强度为89%经过在同一个测试点的对比测试我们可以看到,天线全部竖直摆放的无线信号强度为85%;我们在家完全可以将无线路由器的天线调整至一横一竖的状态,竖直的天线负责提供全向的无线信号,竖直的天线负责指向移动设备多的区域,为它们增强无线信号。
在下行过程中,基站依次使用不同指向的波束发射无线信号,该过程被称作波束扫描(Beam sweeping);与此同时,用户测量不同波束发射出的无线信号(Beam measurement),并向基站报告相关信息(Beam reporting);基站根据用户报告确定对准该用户的最佳发射波束(Beam determination)。如上图所示,在第一阶段宽波束对准的基础上,基站只需继续细化扫描与各用户有关的4个窄波束,比如为用户1扫描波束t1-t4, 为用户2扫描波束t5-t8。
5G新时代,即将到来。未来的5G移动通信将不再依赖大型基站的布建架构,大量的小型基站将成为新的趋势,它可以覆盖大基站无法触及的末梢通讯。波束成形。Massive MIMO主要是减少干扰,但是因为Massive MIMO技术每个天线阵列集成了更多的天线,如果能有效地控制这些天线,让他发出的每个电磁波的空间相互抵消或者增强,就可以形成一个很窄的波束,而且还避免的信号的干扰,将这电磁波按特定方向传播的技术叫做波束成形。
基于FPGA的波束成形技术。波束成形技术可分为自适应波束成形和切换波束成形技术。在切换波束成形中,例如,通信基站从预设的波束中选择波束,每个波束基于接收信号的强度来指向特定方向。由于需要大量的计算负荷,传统的CPU和DSP在自适应波束成形应用中可能会迅速负担过重。FPGA采用先进的数字波束成形技术,可以降低成本,复杂性,功耗和上市时间,因此与采用先进数字波束成形技术的雷达系统中的CPU和GPU选项相比具有巨大的优势。
3D波束赋形使基站针对用户在空间的不同分布,将信号更加精准地指向目标用户,用户始终处于小区内的最佳信号区域。它是一个无线接收器和短程收发器,由天线和模数转换器(ADC)组成,用于转换RF信号5G基站将具有波束成形大规模多输入多输出(MIMO)天线 - 一组天线,可以将多个波束同时聚焦和引导到地面上的不同目标,例如有时这意味着将信号从物体上反射到达目标附近,而不是广泛地在一个区域上广播信号。
通信 | 5G标准的技术路线。随着技术的演进,5G将利用100GHz下的任何频谱资源,包括现存的蜂窝频带,6GHz以下新频带以及毫米波频带。最初的Rel-99中定义了宽带码分多址接入(WCDMA)系统,Rel-8中定义了LTE的频分复用技术:在下行链路中的正交频分复用(OFDM)技术和上行链路中的单载波频分多址接入(SC-FDMA)技术。新的RAT标准将利用6GHz以下传统蜂窝频带和6GHz以上的髙频带(最多至100GHz)资源去满足MT-2020的需求。
什么是大规模天线(Massive MIMO)技术,为何5G要用MIMO天线 ?那什么是Massive MIMO呢?传统的TDD网络的天线基本是2天线、4天线或8天线,而Massive MIMO指的是通道数达到64/128/256个。传统的MIMO我们称之为2D-MIMO,以8天线为例,实际信号在做覆盖时,只能在水平方向移动,垂直方向是不动的,信号类似一个平面发射出去,而Massive MIMO,是信号水平维度空间基础上引入垂直维度的空域进行利用,信号的辐射状是个电磁波束。
而要获得同样的天线增益值,天线有效孔径与波长的平方成正比关系,也就是波长越短,需要的天线有效孔径越小,所以想小型化需要利用更高的频率。由于波长对天线孔径尺寸的影响,也会间接影响到雷达的发射功率,因为雷达的发射功率会在很大程度上受到电压梯度和散热要求的限制。雷达波段代表的是发射的电磁波波长(频率)范围,一般情况下,长波(低频)的波段远程性能好,易获得大功率发射机和巨大尺寸的天线;
毫米波比较主流的频段是28GHz以及39GHz,各个国家和地区会根据历史情况和频谱资源情况来进行毫米波和6GHz以下频谱部署,比如北美可能会先在毫米波频段进行5G部署,国内会先在6GHz以下进行5G部署,日韩可能两种频段都会部署。业内人士预计毫米波在国内的发展可能会很晚,不过相比租用光纤的高成本,毫米波还是有一定优势的,在国内毫米波很难取代光纤做回传,但在国外部部分运营商可能就选择毫米波做基站回传了。
毫米波雷达的探测距离一 般在150m-250m之间,有的高性能毫米波雷达探测距离甚至能达到300m,可以满足汽车在高速运动时探测较大范围的需求。毫米波雷达,顾名思义,就是工作在毫米波频段的雷达。刚才我们讲,毫米波雷达波长几个毫米,由于天线尺寸和波长相当,所以毫米波雷达的天线可以很小,从而可以使用多根天线来构成阵列天线,达到窄波束的目的,随着收发天线个数的增多,这个波束可以很窄很窄。毫米波雷达的两个应用。
顾名思义,有线传输代表透过实体介质传送数据,而无线传输则是透过电磁波传送讯号到基地台,接着转往电信系统商的机房传输。然而在无线传输技术的研发主流上,仍是以电磁波传输为主,其中的频率范围扮演了重要角色,它的公式原理也很简单─频率越低(如特低频VLF,3-30KHz),速度越慢,同时它的波长也就越长(长波,1,000Km-100Km), 传输范围更广,目前主要的应用为远距离通信。控制电磁波的传输方向。