Mise à niveau de l'antenne RF de la station de base 5G: comment la technologie MIMO massive est de remodeler la couverture du réseau de communications

Dans l'histoire évolutive des technologies de communication mobile, chaque génération d'itération technologique s'est accompagnée d'une amélioration significative des performances du réseau, et l'émergence de la technologie 5G a même provoqué des changements subversifs. Les réseaux 5G visent à répondre à divers besoins tels que les débits de données ultra-élevés, la latence ultra-faible et les connexions massives des appareils. La réalisation de ces objectifs repose sur une série de technologies clés, parmi lesquelles une technologie massive de MIMO (massive à sorties multiples multiples) joue un rôle de base dans la mise à niveau des antennes radiofréquences de la station de base 5G, remodelant la couverture du réseau de communication d'une manière sans précédent.

Dans les réseaux de communication traditionnels, les antennes de la station de base adoptent généralement des technologies à débit unique (SISO) ou à entrée multiple (MIMO). Les systèmes SISO n'utilisent qu'une seule antenne transmissible et une seule antenne de réception, avec une capacité de transmission de données limitée, ce qui rend difficile la satisfaction des besoins de communication croissants. Prenons l'exemple du réseau 2G du début. En vertu de la technologie SISO, le taux de transmission des données du réseau ne peut atteindre que des dizaines de KBP, ce qui n'est pas en mesure de soutenir la transmission rapide de données de grande capacité telles que des images et des vidéos à haute définition. La technologie MIMO, en revanche, en équipant plusieurs antennes à la fois à la station de base et au terminal, et en utilisant des technologies de multiplexage et de diversité spatiales, améliore considérablement la capacité du système et la fiabilité sans augmenter les ressources de spectre. Par exemple, dans les réseaux 4G, les technologies MIMO MIMO ou 4 × 4 communes 2 × 2 ont augmenté le taux de transmission des données du réseau au niveau de cent mégabits, améliorant considérablement l'expérience en ligne des utilisateurs. Cependant, avec le développement rapide de l'Internet mobile, la demande des utilisateurs de trafic de données a augmenté de façon exponentielle et les performances de la technologie MIMO traditionnelle ont progressivement approché le goulot d'étranglement, incapable de répondre aux exigences strictes des réseaux 5G. Les statistiques montrent que dans des scénarios tels que des lieux d'événements à grande échelle ou des zones urbaines denses, les réseaux 4G souffrent souvent de congestion et de vitesse réduite, ce qui rend difficile la prise en charge d'un grand nombre d'utilisateurs pour s'engager simultanément dans des applications avec des exigences élevées de bande passante telles que la lecture vidéo haute définition et les jeux en ligne.

En tant qu'évolution supplémentaire de la technologie MIMO, la technologie MIMO massive a considérablement augmenté le nombre d'antennes de la station de base, passant de quelques ou dizaines d'antennes dans le MIMO traditionnel à des centaines ou même des milliers d'antennes. Cette augmentation significative du nombre d'antennes apporte de multiples avantages techniques, remodelant ainsi la couverture des réseaux de communication. En principe, le MIMO massif utilise l'indépendance spatiale des canaux. En équipant un grand nombre d'antennes à la station de base, il peut communiquer simultanément avec plusieurs utilisateurs, réalisant le multiplexage de dimension spatiale. Dans les systèmes de communication traditionnels, en raison du nombre limité d'antennes, les données ne peuvent être transmises qu'à quelques utilisateurs en même temps. Cependant, les systèmes MIMO massifs, en augmentant le nombre d'antennes, peuvent prendre en charge plus d'utilisateurs sur les mêmes ressources de fréquence, améliorant considérablement la capacité du système et l'efficacité du spectre. Des études théoriques ont montré que lorsque le nombre d'antennes de la station de base a tendance à être infinie, l'efficacité du spectre et l'efficacité énergétique des systèmes MIMO massifs seront considérablement améliorés.

En termes de couverture du réseau, la technologie MIMO massive a considérablement amélioré la plage de couverture et la qualité des signaux grâce à la technologie de formation des faisceaux. La forme de faisceau fait référence à la pondération des signaux transmis par les antennes de la station de base en fonction des informations sur l'état du canal, de sorte que l'énergie du signal est concentrée dans une direction spécifique pour former un faisceau. Dans les systèmes MIMO massifs, en raison du grand nombre d'antennes, un contrôle de faisceau plus précis peut être obtenu, ce qui peut diriger avec précision l'énergie du signal pour cibler les utilisateurs, réduire la perte de signal dans d'autres directions, et ainsi améliorer la plage de couverture et la force des signaux. Surtout dans les environnements urbains complexes, où les bâtiments bloquent et reflètent les signaux, conduisant à la décoloration et aux interférences du signal, la technologie de formation de faisceau de MIMO massive peut efficacement surmonter ces problèmes, garantissant que les utilisateurs peuvent obtenir des services de communication stables et à grande vitesse dans différents scénarios.

De plus, la technologie MIMO massive peut également améliorer la fiabilité des systèmes de communication grâce à la technologie de diversité. La technologie de la diversité fait référence à la transmission des mêmes informations via plusieurs canaux indépendants pour réduire l'impact de la décoloration des canaux sur la transmission du signal. Dans les systèmes MIMO massifs, en raison du grand nombre d'antennes, diverses méthodes de diversité telles que la diversité spatiale, la diversité du temps et la diversité de fréquence peuvent être utilisées pour améliorer la fiabilité de la transmission du signal. Lorsqu'un certain canal est affecté par la décoloration ou l'interférence, d'autres canaux peuvent toujours transmettre des signaux normalement, assurant ainsi la continuité et la stabilité de la communication. Cette forte fiabilité est particulièrement importante pour les applications 5G avec des exigences élevées sur la qualité de la communication, telles que la conduite autonome et la télémédecine. Dans le scénario de conduite autonome, les véhicules doivent interagir avec le nuage et les véhicules environnants en temps réel avec une grande quantité de données, qui a des exigences extrêmement élevées sur la fiabilité du réseau et la faible latence. La technologie MIMO massive peut réduire efficacement le taux d'erreur de bit pendant la transmission du signal grâce à la technologie de diversité, assurer la transmission précise et opportune des commandes de contrôle des véhicules et garantir la sécurité de conduite. Dans la télémédecine, lorsque les médecins effectuent des diagnostics à distance et des opérations chirurgicales sur des patients à travers des vidéos à haute définition, le réseau stable et fiable fourni par la technologie MIMO massive peut assurer la transmission en douceur des images vidéo, en évitant les erreurs de diagnostic ou les risques chirurgicaux causés par les problèmes de réseau.

Du point de vue du déploiement réel, l'application de la technologie MIMO massive dans la mise à niveau des antennes radiofréquences de la station de base 5G est également confrontée à de nombreux défis. Premièrement, l'utilisation d'un grand nombre d'antennes augmentera le coût matériel et la consommation d'énergie de la station de base. Chaque antenne doit être équipée d'équipements frontaux radiofréquences correspondants, y compris des amplificateurs de puissance, des amplificateurs à faible bruit, des filtres, etc. Avec l'augmentation du nombre d'antennes, le nombre de ces appareils augmentera également considérablement, entraînant une augmentation significative du coût de l'équipement de la station de base. Dans le même temps, le fonctionnement d'un grand nombre d'antennes consommera plus d'énergie électrique, augmentant les coûts d'exploitation des opérateurs. Deuxièmement, en raison du grand nombre d'antennes, l'environnement du canal est plus complexe, ce qui rend plus difficile d'estimer avec précision les informations sur l'état des canaux, ce qui nécessite des algorithmes et des technologies plus avancés. De plus, le traitement des signaux transmis et reçus par un grand nombre d'antennes nécessite une puissance de calcul forte, ce qui présente des exigences plus élevées sur l'unité de traitement du signal de la station de base.

Pour relever ces défis, les chercheurs et les entreprises de communication ont fait de grands efforts dans la recherche et le développement technologiques et l'optimisation des équipements. En termes de matériel, grâce à l'adoption de nouveaux matériaux et technologies d'intégration, la consommation de coûts et d'énergie des antennes et des équipements frontaux radiofréquences est en permanence réduit. Par exemple, l'utilisation de la bande de fréquence des ondes millimétriques pour la communication, qui possède des ressources de spectre abondantes et peut répondre aux besoins des réseaux 5G pour la transmission de données à grande vitesse. Dans le même temps, les antennes à ondes millimétriques sont de petite taille, ce qui est pratique pour intégrer un grand nombre d'antennes sur la station de base. À l'heure actuelle, certains fabricants ont développé des réseaux d'antennes MIMO massifs basés sur des ondes millimétriques, ce qui réduit efficacement le volume et le coût de l'appareil grâce à une conception hautement intégrée. En termes de traitement du signal, l'estimation des canaux et les algorithmes de détection du signal sont étudiées en continu et améliorées pour améliorer la précision et l'efficacité des algorithmes. Par exemple, l'utilisation de technologies d'intelligence artificielle telles que l'apprentissage en profondeur pour prédire et estimer les informations sur l'état des canaux, améliorant la précision et la vitesse de l'estimation des canaux.

Avec le développement continu et la maturité de la technologie, l'application de la technologie MIMO massive dans les réseaux 5G deviendra plus étendue et approfondie. À l'avenir, une technologie MIMO massive sera non seulement appliquée aux stations de base macro mais sera également promue dans de petites stations de base telles que les stations de micro-bases et les stations de base PICO, l'optimisation de la couverture et de la capacité du réseau. Dans le même temps, la technologie MIMO massive sera également combinée avec d'autres technologies clés 5G, telles que la communication à ondes millimétriques et le découpage du réseau, pour fournir aux utilisateurs des services de communication meilleurs et plus diversifiés. Dans la recherche de la technologie 6G, la technologie MIMO massive continuera de jouer un rôle important, évoluant vers des objectifs de performance plus élevés et jetant une base solide pour le développement de réseaux de communication futurs.