5G MM的振子数,天线数,通道数,流数之间到底是什么关系?

无线深海 2020-09-25

Massive MIMO(称作M-MIMO或者MM),作为5G的核心技术,是承载在AAU之上的,而AAU内部的天线阵列,则是实现Massive MIMO的最重要的载体。

本期,蜉蝣君将介绍其中的几个基本概念:振子,天线,通道,流,MU-MIMO,SU-MIMO,及其之间的关联

1、什么是振子?

天线最基本的作用是进行能量传播方式的转换。对于基站发射的信号来说,天线把发射机的高频振荡电流转换为可以在自由空间传播的电磁波。

天线往外发射电磁波是通过内部的振子来完成的。单个振子的能力有限,发射方向也难以集中,因此天线一般是由多个振子叠加而成。

如上图所示,天线打开外罩之后,就能看到其内排布着若干的X形状的器件,这些就是振子,也叫天线单元(Antenna Elements)。一个X代表了+45°和-45°极化方向的两个振子。

2、振子怎样组成天线/天线阵列?

对于一般的天线来说,其内部是由多个振子组成的,通过这些振子上发射能量的叠加,天线增益可达13到17dBi。我们在画天线示意图时,总会在上面画上一些X形符号,用来表示里面的振子。

对于5G AAU来说,由于广泛采用了M-MIMO技术,其内部集成的天线采用的振子数量更多,多个振子整整齐齐地排列着,严阵以待,因此也称作天线阵列。对于Sub6G频段的AAU来说,业界一般采用192个振子。

天线振子虽多,但单个振子的能力太过弱小,并且如果每个振子都和AAU内部的功放连接独立发送信号的话,实现上也过于复杂,因此业界一般3个振子或者6个振子划为一组,成为逻辑上的单个天线。

以下图的M-MIMO天线振子排布图为例,水平方向共12行,垂直方向有8列振子,再加上±45°双极化,一共就有12x8x2=192个振子。

每三个振子为一组,称为一副天线,因此该M-MIMO AAU共有192/3=64个天线。如果每6个振子组成一个天线的话,该AAU就有192/6=32个天线。

目前业界主流的5G AAU均为192振子,有64天线和32天线这两种型号,其中64天线的产品性能要更好一些。

既然如此,那为什么不都做64天线呢?这就要涉及到通道数和成本相关的考量了。

3、什么是通道?

天线数再多,也是无源器件,没法直接发射信号。

因此,AAU需要将这些天线跟其内部的射频链路相连,最终就形成了64或者32个可发射信号的通道。

Sub6G频段的AAU采用全数字波束赋形,可以认为其天线数,发射通道数,功放(PA)数是一样的。

显而易见,天线数和通道数越多,AAU内部的功放数也就越多,对基带资源的消耗也会越大,设备的成本也就越高。

因此,64天线的设备主要用于密集城区,在普通城区和郊区使用32天线就可以满足需求了。

对于更为偏远的地区,对容量的要求不高,主要解决覆盖问题,这时甚至连Massive MIMO都不用了,直接上8端口RRU接上天线就行。

4、AAU内部采用了这么多振子、天线和通道,到底天线增益如何呢?

下面我们分为通道增益,波束赋形增益,以及业务增益这三个方面来说。

上面已经说过,单个通道一般是由3个或者6个振子组成的,这些振子产生的合成增益,就叫做通道增益。

波束赋形增益也叫阵列增益,通道数越多,波束赋形能力也就越强,增益相应的也就越大。其算法为:阵列增益=10Log(通道数/2),之所以除以二,是因为这些通道的极化方向是不同的,一半+45°极化,另一半-45°极化,而极化是不能产生增益叠加的,因此只能按一半的通道数来算。

业务增益其实就是天线整体的最大增益,由通道增益和波束赋形增益相加得出。

一般来说,Massive MIMO的业务增益比普通天线要高3dB左右。下文将说到的由多发射通道,以及波束赋形带来的多用户多流传输能力,是M-MIMO的核心竞争力所在。

5、多用户及空分流数

多用户的空分流,直观来说,是在空间中给不同的用户使用不同波束来发送不同的数据流。

举例来说,如果基站支持16流,就是基站能使用相同的资源,在空间中发送16路不同的数据。这16路数据可以分给8个用户,每个用户两流(也就是2x2 MIMO),也可以分给16个用户,每个用户只有一流。这样一来,虽然每用户体验的速率差别较大,但整个小区的吞吐量是可以达到峰值的。

这种多个用户之间配对来复用相同的时频资 源来实现多流的技术就叫做MU-MIMO(多用户MIMO),而一个用户内部的多流则为传统的SU-MIMO(单用户MIMO)。
目前主流的5G手机能支持4天线接收,因此可以和基站形成最多4条独立的传播路径,也就是对于单个手机来说,SU-MIMO最多可支持4流传输。
5G AAU可以同时实现MU-MIMO和SU-MIMO方式,最大化整个小区的流量。
好了,本期的内容就到这里,希望对大家有所帮助。
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