5G的天線關(guān)鍵技術(shù)解析

說到天線，大家一定不會(huì)陌生。

在無線技術(shù)非常普及的現(xiàn)代社會(huì)，天線在我們生活中隨處可見。

其中最常見的，當(dāng)然是我們移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所使用的基站天線。

基站天線對我們的生活至關(guān)重要。如果沒有它，我們的手機(jī)就沒有信號，我們也就無法愉快地網(wǎng)購、追劇和吃雞。

如果大家細(xì)心觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，不同設(shè)備的天線，有著不同的外型和尺寸。

沒錯(cuò)！從理論上來說，天線的理想長度通常是電磁波波長的 1/4。

所以，我們會(huì)看到，模擬電視拉桿天線長度一般是 0.175~0.5 米、FM 收音機(jī)的天線長度是 0.675~0.85 米。

而我們的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，工作頻率主要在 700M~3500MHz 之間，所以天線的尺寸要小得多。

小得都已經(jīng)看不見了（藏到了手機(jī)里）

但是，無線信號的工作頻率更高、波長更短，導(dǎo)致了一個(gè)不好的結(jié)果——它的抗干擾能力和繞射能力明顯減弱了。尤其在城市復(fù)雜環(huán)境下，信號質(zhì)量更容易受影響。

因此，工程師們需要不斷研發(fā)新技術(shù)，用于提升移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量和覆蓋。

天線，作為移動(dòng)通信的關(guān)鍵一環(huán)，自然而然成為工程師們大開腦洞的首要對象。

接下來，我們就來康康，咱們的基站天線到底玩了哪些神操作。

在移動(dòng)通信最早期的 1G 時(shí)代，基站所使用的幾乎都是全向天線。當(dāng)時(shí)的用戶數(shù)量很少，傳輸?shù)乃俾室脖容^低。

到了 2G 時(shí)代，天線逐漸演變成了定向天線，比如天線覆蓋角度為 120°，一個(gè)小區(qū)會(huì)有三個(gè)扇區(qū)，演變?yōu)榉涓C通信。

3G 時(shí)代，智能天線誕生，單一的天線發(fā)展成多天線，也就是我們常說的 MIMO（Multiple-Input MulTIple-Output，多入多出）多天線技術(shù)。

MIMO 增加了天線個(gè)數(shù)，也就增加了信號傳輸?shù)耐ǖ罃?shù)量。

那么，該怎樣利用多出來的通道數(shù)量呢？

最開始的時(shí)候，工程師們想到的是把它用于增強(qiáng)覆蓋。

他們基于 MIMO，提出了一種新的傳輸模式，叫做“傳輸分集”。簡單來說，就是“把相同的內(nèi)容通過不同的天線發(fā)送出去”。

“傳輸分集”：分散發(fā)射、集中處理

這種模式，可以緩解信道質(zhì)量不穩(wěn)定帶來的性能下降，從而增強(qiáng)覆蓋。

后來，MIMO 又發(fā)展出另一種模式，叫做“空間復(fù)用”。

空間復(fù)用是將要傳送的數(shù)據(jù)分成幾個(gè)數(shù)據(jù)流，然后在不同的天線上進(jìn)行傳輸，從而提高系統(tǒng)的傳輸速率。

這種模式，主要用于提升小區(qū)容量。

在實(shí)際應(yīng)用中，同一部分天線不可能既用于傳輸分集，又用于空間復(fù)用。所以，MIMO 天線需要在上述兩種模式中進(jìn)行權(quán)衡。權(quán)衡的結(jié)果，直接影響到頻率資源的利用率。

到了5G時(shí)代，情況又發(fā)生了變化。

在 4G 到 5G 演進(jìn)的過程中，隨著頻率的增加，天線尺寸進(jìn)一步縮小，天線數(shù)量進(jìn)一步增加。

英國發(fā)燒友拍攝的沃達(dá)豐設(shè)備?？梢钥闯?，5G 的天線尺寸更加緊湊。

于是，MIMO 就變成了Massive MIMO，也就是“大規(guī)模 MIMO”。傳統(tǒng)的 MIMO 通常有 2 天線、4 天線、8 天線，Massive MIMO 的天線數(shù)量可以超過 100 個(gè)。

比如，當(dāng)前 5G 主流選擇之一的 64T64R 天線，即 64 通道 Massive MIMO 天線，就是由 192 個(gè)天線振子組成。

Massive MIMO 的出現(xiàn)，讓傳輸模式又有了新的玩法。

Massive MIMO 系統(tǒng)可以控制每一個(gè)天線單元發(fā)射（或接收）信號的相位和信號幅度，通過對多個(gè)天線單元進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生具有指向性的波束。

這樣一來，可以使無線信號能量在手機(jī)位置形成電磁波的疊加，從而提高接收信號強(qiáng)度。

這種技術(shù)，就是傳說中的波束賦型。

波束賦型讓波束的能量向指定的方向集中，不僅可以增強(qiáng)覆蓋距離，還可以降低相鄰波束間的干擾，讓更多的用戶可以同時(shí)通信，提升小區(qū)容量。

也就是說，它將分集和復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)集于一身。

值得一提的是，波束賦型的效果取決于天線的數(shù)量，還有算法的質(zhì)量。算法是根據(jù)手機(jī)的位置和狀態(tài)信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，通過天線形成理想的波束。

相比之下，分集和復(fù)用的工作方式比較寬松，當(dāng)手機(jī)信息不充分的時(shí)候（例如手機(jī)移動(dòng)太快），還是可以發(fā)揮很大作用。

除了增強(qiáng)覆蓋和提升容量之外，Massive MIMO 還有一個(gè)秘技——當(dāng)天線振子數(shù)量足夠多時(shí)，Massive MIMO 能夠打破空間的限制。

16T16R 以下的 Massive MIMO 天線陣列，只能提供水平維度的 2D 波束賦型。32T32R 和 64T64R 的 Massive MIMO 天線陣列，可以實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向上的 3D 波束賦型，進(jìn)而有效增強(qiáng)對高層住宅的覆蓋。

由此可見，Massive MIMO 將多天線技術(shù)推向了一個(gè)更高的高度。Massive MIMO 和波束賦型這對史上最強(qiáng) CP，讓天線更智能、更強(qiáng)大，被稱為 5G 關(guān)鍵技術(shù)是名至實(shí)歸。

“Massive MIMO+波束賦型”強(qiáng)大能量的背后，是對廠商軟硬件研發(fā)能力的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

在研發(fā)的過程中，天線系統(tǒng)的濾波特性、增益作用、抗干擾效果，都是工程師們需要深思熟慮的問題。而且天線數(shù)量和手機(jī)終端數(shù)量越多，天線的復(fù)雜度就越高，對算法和芯片處理能力的要求也越高。

只有強(qiáng)大的算法，才能讓波束賦型產(chǎn)生像舞臺(tái)追光一樣的理想效果。

目前，只有少部分廠商具備高階（64T64R 及以上）Massive MIMO 天線的研發(fā)和制造能力。

而華為，就是其中之一。從華為公布的 5G天線發(fā)展趨勢來看，高集成度的 Massive MIMO 是 5G 關(guān)鍵技術(shù)，具備超強(qiáng)的波束賦型能力，為 5G 帶來可觀的性能提升。