5G základní stanice RF Anténa Upgrade: Jak masivní technologie MIMO přetváří pokrytí komunikační sítě

V evoluční historii technologií mobilní komunikace byla každá generace technologické iterace doprovázena významným zlepšením výkonu sítě a vznik technologie 5G dokonce přinesl podvratné změny. Cílem 5G sítí je uspokojit rozmanité potřeby, jako jsou ultra vysoká rychlost dat, velmi nízká latence a masivní připojení zařízení. Dosažení těchto cílů se spoléhá na řadu klíčových technologií, mezi nimiž je technologie Massive MIMO (masivní vícenásobná výstupní výstup) hlavní roli v upgradu 5G základny antény a antény přeměňuje pokrytí komunikační sítě bezprecedentním způsobem.

V tradičních komunikačních sítích antény základní stanice obvykle přijímají technologie s jedním vstupníkem (SISO) nebo s více vstupy (MIMO) s více vstupy (MIMO). Systémy SISO používají pouze jednu přenosovou anténu a jednu přijímací anténu s omezenou kapacitou přenosu dat, což ztěžuje splnění rostoucích komunikačních potřeb. Jako příklad vezměte ranou síť 2G. V rámci technologie SISO může rychlost přenosu dat sítě dosáhnout pouze desítek KBP, což není schopno podporovat rychlý přenos dat s velkými kapacity, jako jsou obrázky a videa s vysokým rozlišením. Technologie MIMO naproti tomu vytvořením více antén na základní stanici i na terminálu a pomocí technologií prostorového multiplexe a rozmanitosti významně zlepšuje kapacitu a spolehlivost systému bez zvyšování zdrojů spektra. Například ve 4G sítích, běžné technologie 2 × 2 MIMO nebo 4 × 4 MIMO zvýšily rychlost přenosu dat sítě na úroveň sto-megabit, což výrazně zlepšilo online zkušenosti uživatelů. S rychlým vývojem mobilního internetu se však poptávka uživatelů po datovém provozu exponenciálně rozrostla a výkon tradiční technologie MIMO se postupně přiblížil k úzkému proudu, neschopný splnit přísné požadavky 5G sítí. Statistiky ukazují, že ve scénářích, jako jsou rozsáhlá místa konání událostí nebo husté městské oblasti, 4G sítě často trpí přetížením a sníženou rychlostí, což ztěžuje podporu velkého počtu uživatelů, aby se současně zapojily do aplikací s požadavky na vysokou šířku pásma, jako je přehrávání videa s vysokým rozlišením a online hry.

Jako další vývoj technologie MIMO, Masivní technologie MIMO výrazně zvýšila počet antén základní stanice a rozšiřovala se z několika nebo desítek antén v tradičním MIMO na stovky nebo dokonce tisíce antén. Tento významný nárůst počtu antén přináší více technických výhod, čímž se přetváří pokrytí komunikačních sítí. V zásadě masivní MIMO využívá prostorovou nezávislost kanálů. Vybavením velkého počtu antén na základní stanici může komunikovat s více uživateli současně a dosáhnout multiplexování prostorového rozměru. V tradičních komunikačních systémech mohou být kvůli omezenému počtu antén předána data pouze na několik uživatelů současně. Masivní systémy MIMO však zvýšením počtu antén však mohou podporovat více uživatelů ve stejném časově-frekvenčním zdrojích, což výrazně zlepšuje kapacitu systému a efektivitu spektra. Teoretické studie ukázaly, že když počet antén základní stanice má tendenci být nekonečný, bude výrazně zlepší účinnost spektra a energetická účinnost masivních systémů MIMO.

Pokud jde o pokrytí sítě, masivní technologie MIMO výrazně zlepšila rozsah pokrytí a kvalitu signálů prostřednictvím technologie formování paprsků. Tvorba paprsku se týká vážení signálů přenášených anténami základní stanice podle informací o stavu kanálu, takže energie signálu je koncentrována specifickým směrem za vzniku paprsku. V masivních systémech MIMO, vzhledem k velkému počtu antén, lze dosáhnout přesnějšího ovládání paprsku, které může přesně nasměrovat energii signálu na cílení na uživatele, snížit ztrátu signálu v jiných směrech, a tak zlepšit rozsah pokrytí a sílu signálů. Zejména ve složitých městských prostředích, kde budovy blokují a odrážejí signály, což vede k vyblednutí signálu a rušení, může masivní technologie formování paprsků MIMO tyto problémy účinně překonat a zajistit, aby uživatelé mohli získat stabilní a vysokorychlostní komunikační služby v různých scénářích.

Kromě toho může masivní technologie MIMO také zlepšit spolehlivost komunikačních systémů prostřednictvím technologie rozmanitosti. Technologie rozmanitosti označuje přenos stejných informací prostřednictvím více nezávislých kanálů, aby se snížil dopad zmizení kanálu na přenos signálu. V masivních systémech MIMO lze díky velkému počtu antén použít různé metody rozmanitosti, jako je prostorová rozmanitost, časová rozmanitost a frekvenční rozmanitost, ke zlepšení spolehlivosti přenosu signálu. Pokud je určitý kanál ovlivněn vyblednutím nebo rušením, mohou jiné kanály stále přenášet signály normálně, čímž zajišťují kontinuitu a stabilitu komunikace. Tato vysoká spolehlivost je zvláště důležitá pro aplikace 5G s vysokými požadavky na kvalitu komunikace, jako je autonomní řízení a telemedicína. Ve scénáři autonomního řízení musí vozidla interagovat s cloudem a okolními vozidly v reálném čase s velkým množstvím dat, což má extrémně vysoké požadavky na spolehlivost sítě a nízkou latenci. Masivní technologie MIMO může účinně snížit míru bitové chyby během přenosu signálu prostřednictvím technologie rozmanitosti, zajistit přesný a včasný přenos příkazů řízení vozidla a zaručit bezpečnost jízdy. V telemedicíně, když lékaři provádějí vzdálenou diagnózu a chirurgické operace u pacientů prostřednictvím videí s vysokým rozlišením, může stabilní a spolehlivá síť poskytovaná masivní technologií MIMO zajistit hladký přenos video obrazů, zabránit diagnostickým chybám nebo chirurgickým rizikům způsobeným sítí.

Z pohledu skutečného nasazení čelí aplikace masivní technologie MIMO při upgradu 5G základny radiofrekvenční antény také mnoha výzvám. Za prvé, použití velkého počtu antén zvýší náklady na hardware a spotřebu energie základní stanice. Každá anténa musí být vybavena odpovídajícím frekvenčním frekvenčním front-end zařízením, včetně energetických zesilovačů, zesilovačů s nízkým šumem, filtry atd. S nárůstem počtu antén se počet těchto zařízení také výrazně zvýší, což povede k významnému nárůstu nákladů na základní stanice. Současně bude provoz velkého počtu antén konzumovat více elektrické energie, což zvyšuje provozní náklady operátorů. Za druhé, vzhledem k velkému počtu antén je prostředí kanálu složitější, což ztěžuje přesné odhady informací o stavu kanálu, což vyžaduje pokročilejší algoritmy a technologie. Kromě toho zpracování signálů přenášených a přijatých velkým počtem antén vyžaduje silný výpočetní výkon, který na jednotku zpracování signálu podává vyšší požadavky.

Za účelem řešení těchto problémů vědci a komunikační podniky vynaložili velké úsilí v oblasti technologického výzkumu a vývoje a optimalizace zařízení. Pokud jde o hardware, při zavádění nových materiálů a integračních technologií jsou náklady a spotřeba energie a antén a frekvenční frekvenční frekvenční zařízení neustále snižují. Například použití frekvenčního pásma milimetrů vln pro komunikaci, které má hojné zdroje spektra a může splňovat potřeby 5G sítí pro vysokorychlostní přenos dat. Současně mají antény milimetrů vln malé velikosti, což je vhodné pro integraci velkého počtu antén na základní stanici. V současné době si někteří výrobci vyvinuli masivní pole antény MIMO založené na milimetrových vlnách, které účinně snižují objem a náklady zařízení prostřednictvím vysoce integrovaného designu. Pokud jde o zpracování signálu, odhad kanálu a algoritmy detekce signálu jsou neustále studovány a zlepšeny, aby se zlepšila přesnost a účinnost algoritmů. Například použití technologií umělé inteligence, jako je hluboké učení k predikci a odhadu informací o stavu kanálu, zlepšení přesnosti a rychlosti odhadu kanálu.

S nepřetržitým vývojem a zralostí technologie se aplikace masivní technologie MIMO v 5G sítí stane rozsáhlejší a hlouběji. V budoucnu bude masivní technologie MIMO nejen aplikována pouze na makro základní stanice, ale bude také propagována v malých základních stanicích, jako jsou mikro základní stanice a základní stanice PICO, další optimalizaci pokrytí a kapacity. Současně bude masivní technologie MIMO také kombinována s dalšími klíčovými technologiemi 5G, jako je komunikace s milimetrovou vlnou a krájení sítě, aby uživatelům poskytla lepší a diverzifikovanější komunikační služby. Ve výzkumu technologie 6G bude masivní technologie MIMO i nadále hrát důležitou roli, směřuje k cílům vyššího výkonu a stanoví solidní základ pro rozvoj budoucích komunikačních sítí.