第五代新無線（5G NR）通信框架帶來了蜂窩通信的全新方法。得益于更大的帶寬，5G新無線能夠支持可擴展波形、多種接入機制以及業(yè)務(wù)復(fù)用，并且可以在支持現(xiàn)有服務(wù)的同時向前兼容將來的需求。

雖然5G無線需要采用比以往的協(xié)議更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，其數(shù)據(jù)傳輸速度也顯著高于以往的協(xié)議，但其成功的關(guān)鍵之一在于天線設(shè)計。本文回顧了5G用例和5G規(guī)范如何改變天線設(shè)計，以及這些新設(shè)計如何克服實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

5G新無線規(guī)范及其對天線設(shè)計的意義

5G在其構(gòu)想中是一種能實現(xiàn)以下功能的規(guī)范：

· 增強型移動寬帶（eMBB）：適用于數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，例如增強現(xiàn)實（AR）、3D視頻會議、2D流視頻、固定的無線Internet訪問接入點以及其他高帶寬應(yīng)用

· 大規(guī)模機器類通信（mMTC）：適用于大規(guī)模直接物聯(lián)網(wǎng)（loT）連接，包括互聯(lián)城市和互聯(lián)家庭中的高密度傳感器和設(shè)備陣列、用于監(jiān)控復(fù)雜全球供應(yīng)鏈的設(shè)備以及高速移動的互聯(lián)設(shè)備

· 低時延高可靠通信（URLLC）：適用于關(guān)鍵任務(wù)實時應(yīng)用，例如工業(yè)控制系統(tǒng)、自動駕駛汽車，以及諸如遠程實時手術(shù)等需要高帶寬、高可靠性和低延遲的應(yīng)用

要滿足這些要求，就必須使用新的頻譜。分配給5G通信的新頻譜分為中低頻（6GHz以下）和高頻（24GHz以上的毫米波）兩部分，因而5G天線設(shè)計面臨的一項挑戰(zhàn)就是部分設(shè)備需要在多個頻帶上運行。另一個問題則源自毫米波信號傳輸?shù)奶匦裕驗樵谕瑯拥姆涓C網(wǎng)絡(luò)功率下，毫米波相比中低波段而言更容易受到建筑、植物、雨滴的阻礙，導(dǎo)致毫米波通信被限制在視線可及范圍內(nèi)，因而需要將蜂窩設(shè)置得更小，但這樣做會使蜂窩之間的邊緣干擾更容易發(fā)生。

此外，天線的體積大小也是一個值得關(guān)注的問題。雖然較高頻率的信號只需較小的天線就可以實現(xiàn)相同的增益水平，但天線面積小就意味著捕獲的能量少，其有效的信號覆蓋范圍也會小于使用低頻信號的情況。但是，在天線物理面積固定的情況下，隨著頻率提高、波束寬度減小，其收發(fā)增益都會增大。對于各種天線實施方式而言，都需要在尺寸和增益之間做出權(quán)衡，才能找出最合適的尺寸。 

5G天線技術(shù)和設(shè)計

要實現(xiàn)5G新無線的目標(biāo)，就需要在新的天線設(shè)計中采用有源天線陣列，以擴大覆蓋范圍、減少干擾并提高數(shù)據(jù)承載能力。

適應(yīng)5G頻率范圍全頻譜

為了能夠在分配給5G通信的所有頻率范圍內(nèi)運行，5G新無線使用了可擴展框架，該框架可在450MHz至6GHz之間（即頻率范圍1［FR1］）以及24.25GHz至52.6GHz之間（即頻率范圍2［FR2］）運行。

在具體實現(xiàn)上，5G新無線采用可伸縮正交頻分復(fù)用（OFDM）波形來實現(xiàn)這一目標(biāo)。該波形可在子載波信號之間留出不同的間隔，以適應(yīng)不同頻率范圍提供的各種信道寬度。頻率越高，信道就越寬，子載波間隔就越大；頻率越低，信道就越窄，子載波間隔就越小。將子載波間隔縮放到可用的信道寬度，就可以使5G框架在較寬的頻率范圍內(nèi)運行，最終便可以在現(xiàn)有的4G長期演進（LTE）網(wǎng)絡(luò)中部署5G，并且使5G通信系統(tǒng)可以根據(jù)用例或工作負載要求在中低頻和高頻之間切換。

對于天線設(shè)計人員，他們則需要面對物理定律帶來的挑戰(zhàn)。FR1中1GHz信號的波長約為30cm；FR2中28GHz信號的波長為1.07mm。這兩種信號不能共用同一天線，因此對運行在FR1和FR2頻帶都有需求的5G設(shè)備將至少需要兩組天線。這在大型設(shè)備和基站中尚可接受，因為它們有足夠的空間容納多個天線陣列；但對于小型設(shè)備和手機而言，這就成為了設(shè)計中面臨的一項重大挑戰(zhàn)。高通公司（Qualcomm®）等部分制造商已經(jīng)開始發(fā)布緊湊型射頻（RF）模塊，這些模塊能夠與多個5G頻段的天線陣列一起工作。

適應(yīng)5G頻率范圍全頻譜

5G規(guī)范帶來的一大挑戰(zhàn)，是要在支持更高數(shù)據(jù)速率聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的同時支持它們以更高的密度連接，這就需要提高蜂窩小區(qū)密度，同時更加廣泛地使用4G LTE網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)運用的多輸入多輸出（MIMO）天線技術(shù)。MIMO是由多個發(fā)射和接收天線組成的天線陣列（目前LTE網(wǎng)絡(luò)通常采用8×8天線陣列）。MIMO使用空間復(fù)用將信號分解為編碼流，并同時通過陣列中的不同天線進行傳輸；發(fā)射和接收設(shè)備都具有多個天線以及用于編碼和解碼多路復(fù)用信號的信號處理機制。通過該項技術(shù)可以做到以下兩點：

· 同時與多個用戶和設(shè)備進行通信。

· 以更高的吞吐量進行通信。

MIMO的類型多種多樣，而用于5G的一大重要類型是大規(guī)模MIMO（mMIMO）。與以往的MIMO方案相比，該類型MIMO在天線設(shè)計上將多得多的天線單元封裝到一個密集的陣列中。低頻天線通常較大，所以在一個大小可接受的低頻MIMO陣列中，能夠容納的天線單元數(shù)量存在明顯的實際極限；而毫米波的天線單元往往小得多，因而只需較小的封裝，就可以構(gòu)建mMIMO陣列。部分制造商已經(jīng)開始制造包含128個單元的mMIMO天線。通過增加數(shù)據(jù)流的數(shù)量，mMIMO可以在無需增加頻譜的情況下提高信號容量，進而提高數(shù)據(jù)速率和鏈路可靠性。

波束成形、方向性和用戶設(shè)備跟蹤

波束成形是一種通過對傳輸進行整形，從而創(chuàng)建出針對特定接收天線并且界限清晰的天線方向圖的方法。這一功能是通過調(diào)整等距天線陣列中不同天線單元的相位和振幅傳輸來完成的。波束成形可用于減少干擾，還可通過集中波束能量來擴大信號覆蓋范圍。初期的中頻5G部署采用4×4或8×8的MIMO天線，通過與運行中的LTE網(wǎng)絡(luò)類似的方式實現(xiàn)波束成形；而高頻（毫米波）5G部署將采用更大的mMIMO天線來獲得自適應(yīng)陣列的優(yōu)勢，這種天線中的天線單元更多，并能夠?qū)崿F(xiàn)更緊密的波束成形和實時控制。

5G波束成形的效果取決于發(fā)射設(shè)備確定的到達對應(yīng)接收設(shè)備的最佳信號路徑。在確定此路徑的過程中，發(fā)射設(shè)備分析收發(fā)雙方之間發(fā)送的探測參考信號（SRS），然后評估這些信號以得出信道狀態(tài)。隨后發(fā)射設(shè)備基于信道狀態(tài)信息（CSI）應(yīng)用波束成形算法，在接收效果最好的最佳調(diào)度期間向最合適的方向發(fā)射成形處理后的無線電模式。如果該路徑是通往接收設(shè)備的最佳路徑，則波束成形可以讓信號通過建筑物的反射到達接收設(shè)備。在許多設(shè)備都使用相同mMIMO信道的環(huán)境中，算法將對數(shù)據(jù)包進行計時，以避免數(shù)據(jù)包沖突，最大程度減少信號干擾。

為了避免出現(xiàn)干擾和信號中斷，發(fā)射設(shè)備需要不斷跟蹤接收設(shè)備并重新計算最佳數(shù)據(jù)路徑。這樣一來，當(dāng)5G設(shè)備（如車輛或手機）發(fā)生移動或者有物體擋住最佳信號路徑時，就可以實時調(diào)整傳輸，確保數(shù)據(jù)連接一致、不中斷。波束成形是一項計算密集型過程，需要信號處理能力強大的有源MIMO天線。

對上下行鏈路的要求

在給定的使用情況下，5G規(guī)范可使最大下行鏈路數(shù)據(jù)速率達到上行鏈路數(shù)據(jù)速率的兩倍。在頻率低于2.6GHz的當(dāng)前部署階段，5G至少需要采用4×4下行鏈路MIMO，并且建議至少采用2x2上行鏈路MIMO。

針對不同用例的天線設(shè)計

部署5G網(wǎng)絡(luò)，需要采用許多適用于室內(nèi)和室外的天線封裝，以小蜂窩廣覆蓋的方式組網(wǎng)，同時還需要各種類型的終端設(shè)備。以下是基于幾種常見部署情況的一些5G天線設(shè)計注意事項。

基站

當(dāng)今大多數(shù)手機信號塔的網(wǎng)絡(luò)資源都非常擁擠。為此，構(gòu)建集成高低頻的緊湊型5G天線是最具成本效益的解決方案。此外，要通過將天線放置在路燈桿和建筑物拐角處以實現(xiàn)小蜂窩覆蓋，也離不開更緊湊的設(shè)計。目前，多家電信運營商已開始部署小型4G蜂窩，以解決帶寬和延遲問題。在早期5G部署中，需要在現(xiàn)有4G LTE天線旁放置5G天線，或者將現(xiàn)有天線更換為可同時用作4G LTE天線和低頻5G天線的單元。

最終，不同的頻率范圍將會用于不同的應(yīng)用實現(xiàn)。例如，部分現(xiàn)在使用700MHz頻率范圍的室外大蜂窩和小蜂窩實現(xiàn)將使用3GHz至5GHz頻率范圍；高帶寬的室內(nèi)和室外應(yīng)用可能會采用微蜂窩架構(gòu)，這種架構(gòu)使用的是分布式天線系統(tǒng)。隨著更高頻率的5G推出，帶有許多天線單元的mMIMO陣列將有助于減少網(wǎng)絡(luò)擁塞并增加基站容量。

用戶和終端設(shè)備

數(shù)據(jù)、通信要求、工作頻率和設(shè)備的設(shè)計將決定各種5G應(yīng)用所采用的的天線設(shè)計。5G連接的傳感器和控制設(shè)備有許多用途，它們尤其有望在制造業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)視和控制、農(nóng)業(yè)和固定的無線Internet接入點中取代電纜連接。針對低數(shù)據(jù)速率和低延遲優(yōu)化的傳感器和控制器需要在特定頻率下運行。固定的無線Internet接入點可能會結(jié)合使用6GHz以下頻率和毫米波頻率，前者用于控制平面信號，后者用于為最終用戶設(shè)備提供高吞吐量和低延遲。其他應(yīng)用，例如自動駕駛汽車，則會提出更加復(fù)雜的要求，諸如「車聯(lián)萬物」（V2X）通信之類的技術(shù)就需要實現(xiàn)低延遲控制功能和高帶寬。對于車輛而言，天線陣列可以靈活地嵌入到車體中。

手機

手機本身就已經(jīng)裝有天線，因此要通過增加天線來支持全部5G頻率，這會是一個不小的挑戰(zhàn)。許多手機的內(nèi)部空間即為有限，但它們需要采用MIMO天線來實現(xiàn)高性能，并且需要將天線放在邊緣和角落的位置，因為只有這些位置才能補償阻擋毫米波的物體，例如用戶的手，從而實現(xiàn)波束成形。

5G天線設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)

5G天線在5G通信的正常工作中起著關(guān)鍵作用，但它們也帶來了工程上的挑戰(zhàn)。天線設(shè)計人員通常是從天線仿真軟件開始的，這些軟件可以根據(jù)某些假設(shè)條件投射信號場。但這只是設(shè)計天線的第一步。

在5G天線設(shè)計中，天線測試是一項重大挑戰(zhàn)。5G天線并不是靜態(tài)的全向設(shè)備；它們是活動的，并且會將信號傳輸?shù)教囟ㄔO(shè)備。將5G天線放在測試室中進行靜態(tài)測試，并不能展示其在嘈雜RF環(huán)境中與上千臺不斷移動的設(shè)備同時通信的性能。大多數(shù)天線設(shè)計人員并不確定通過怎樣的方法才能最有效地測試使用mMIMO陣列的設(shè)備或驗證其性能。一些測試方法還可能涉及基于場景的自動化測試。

5G天線的設(shè)計很大程度上仍然是一項未竟的事業(yè)。初期的5G部署才剛剛開始，涉及安裝低頻5G以與4G LTE協(xié)同工作。只有在現(xiàn)在進行更多的試驗，才能實現(xiàn)需要更復(fù)雜天線的未來部署。

文章來源：貿(mào)澤電子

作者：David Talbott

David Talbott是Mighty Guides的IT和技術(shù)分析師，專注于各種新興技術(shù)，包括深度學(xué)習(xí)、云計算和邊緣計算以及泛在網(wǎng)絡(luò)，同時還關(guān)注如何將這些技術(shù)融合，以創(chuàng)建強大的自學(xué)系統(tǒng)。