5G Base Station RF Antenna Upgrade: Hur massiv MIMO -teknik omformar kommunikationsnätverkstäckningen

I den evolutionära historien för mobilkommunikationsteknologier har varje generation av teknisk iteration åtföljts av betydande förbättringar av nätverksprestanda, och uppkomsten av 5G -teknik har till och med medfört subversiva förändringar. 5G-nätverk syftar till att tillgodose olika behov som ultralätt datahastigheter, ultra-låg latens och massiva enhetsanslutningar. Uppnåendet av dessa mål förlitar sig på en serie nyckelteknologier, bland vilka massiva MIMO (massiv multipel-input multipel-output) -teknologi spelar en kärnroll i uppgraderingen av 5G-basstationens radiofrekvensantenner, omformar kommunikationsnätverkstäckningen på ett aldrig tidigare skådat sätt.

I traditionella kommunikationsnätverk antar basstationens antenner vanligtvis en-input-en-utgång (SISO) eller MiMO-tekniker med flera ingångar (MiMO). SISO -system använder endast en enda överföring av antenn och en enda mottagande antenn, med begränsad dataöverföringskapacitet, vilket gör det svårt att tillgodose de växande kommunikationsbehovet. Ta det tidiga 2G -nätverket som ett exempel. Enligt SISO-teknik kan nätverksdataöverföringshastigheten endast nå tiotals KBP: er, som inte kan stödja snabb överföring av data med stor kapacitet såsom högupplösta bilder och videor. MIMO -teknik å andra sidan genom att utrusta flera antenner vid både basstationen och terminalen och använda rumslig multiplexering och mångfaldstekniker förbättrar avsevärt systemkapacitet och tillförlitlighet utan att öka spektrumresurserna. I 4G-nätverk har till exempel vanliga 2 × 2 MIMO eller 4 × 4 MIMO-tekniker ökat nätverksdataöverföringshastigheten till hundra megabitnivån, vilket förbättrar användarnas onlineupplevelse kraftigt. Men med den snabba utvecklingen av det mobila internet har användarnas efterfrågan på datatrafik ökat exponentiellt, och prestandan för traditionell MIMO -teknik har gradvis närmat sig flaskhalsen och inte kan uppfylla de stränga kraven i 5G -nätverk. Statistik visar att 4G-nätverk ofta lider av överbelastning och reducerad hastighet och reducerad hastighet och online-spel och onlinespel i scenarier som storskaliga evenemangsplatser eller täta stadsområden ofta lider av överbelastning och reducerad hastighet, vilket gör det svårt att stödja ett stort antal användare att samtidigt delta i applikationer med höga bandbreddkrav som högupplöst videospel och onlinespel.

Som en ytterligare utveckling av MIMO -teknik har massiv MIMO -teknik ökat antalet basstationens antenner avsevärt, som expanderar från några eller dussintals antenner i traditionella MIMO till hundratals eller till och med tusentals antenner. Denna betydande ökning av antalet antenner ger flera tekniska fördelar och omformar därmed täckningen av kommunikationsnätverk. I princip använder massiv MIMO kanalens rumsliga oberoende. Genom att utrusta ett stort antal antenner på basstationen kan den kommunicera med flera användare samtidigt och uppnå multiplexering av rumslig dimension. I traditionella kommunikationssystem, på grund av det begränsade antalet antenner, kan data endast överföras till några få användare samtidigt. Men massiva MIMO-system, genom att öka antalet antenner, kan emellertid stödja fler användare på samma tidsfrekvensresurser, vilket förbättrar systemets kapacitet och spektrumeffektivitet kraftigt. Teoretiska studier har visat att när antalet basstation -antenner tenderar att vara oändliga kommer spektrumeffektiviteten och energieffektiviteten hos massiva MIMO -system att förbättras kraftigt.

När det gäller nätverkstäckning har massiv MIMO -teknik avsevärt förbättrat täckningsintervallet och kvaliteten på signaler genom strålformningsteknologi. Strålformning hänvisar till viktning av signalerna som överförs av basstationens antenner enligt information om kanalstillstånd, så att signalenergin är koncentrerad i en specifik riktning för att bilda en stråle. I massiva MIMO -system, på grund av det stora antalet antenner, kan mer exakt strålkontroll uppnås, vilket exakt kan direkt signalergi för att rikta in användare, minska signalförlust i andra riktningar och därmed förbättra täckningsområdet och styrkan hos signaler. Speciellt i komplexa stadsmiljöer, där byggnader blockerar och återspeglar signaler, vilket leder till signalblekning och störningar, kan massiv MIMO: s strålformningsteknik effektivt övervinna dessa problem, vilket säkerställer att användare kan få stabila och höghastighetstjänster i olika scenarier.

Dessutom kan massiv MIMO -teknik också förbättra tillförlitligheten hos kommunikationssystem genom mångfaldsteknologi. Mångfaldsteknik hänvisar till att överföra samma information genom flera oberoende kanaler för att minska påverkan av kanal som bleknar på signalöverföring. I massiva MIMO -system, på grund av det stora antalet antenner, kan olika mångfaldsmetoder såsom rumslig mångfald, tidsdiversitet och frekvensdiversitet användas för att förbättra tillförlitligheten för signalöverföring. När en viss kanal påverkas av blekning eller störningar kan andra kanaler fortfarande överföra signaler normalt, vilket säkerställer kommunikationens kontinuitet och stabilitet. Denna höga tillförlitlighet är särskilt viktig för 5G -applikationer med höga krav på kommunikationskvalitet, såsom autonom körning och telemedicin. I scenariot med autonom körning måste fordon interagera med molnet och omgivande fordon i realtid med en stor mängd data, som har extremt höga krav på nätverks tillförlitlighet och låg latens. Massiv MIMO -teknik kan effektivt minska bitfelfrekvensen under signalöverföring genom mångfaldsteknik, säkerställa en korrekt och snabb överföring av fordonsstyrningskommandon och garantera körsäkerhet. I telemedicin, när läkare utför fjärrdiagnos och kirurgiska operationer på patienter genom högupplösta videor, kan det stabila och pålitliga nätverket som tillhandahålls av massiv MIMO-teknik säkerställa en smidig överföring av videobilder, undvika diagnostiska fel eller kirurgiska risker orsakade av nätverksproblem.

Ur perspektivet av den faktiska distributionen står tillämpningen av massiv MIMO -teknik i uppgraderingen av 5G -basstationens radiofrekvensantenner också många utmaningar. För det första kommer användningen av ett stort antal antenner att öka basstationens hårdvarukostnad och strömförbrukning. Varje antenn måste utrustas med motsvarande utrustning för radiofrekvens, inklusive kraftförstärkare, lågbrusförstärkare, filter, etc. Med ökningen av antalet antenner kommer antalet av dessa enheter också att öka avsevärt, vilket leder till en betydande ökning av kostnaden för basstationens utrustning. Samtidigt kommer driften av ett stort antal antenner att konsumera mer elektrisk energi och öka operatörernas driftskostnader. För det andra, på grund av det stora antalet antenner, är kanalmiljön mer komplex, vilket gör det svårare att exakt uppskatta information om kanalstillstånd, vilket kräver mer avancerade algoritmer och tekniker. Dessutom kräver bearbetning av signalerna som överförs och tas emot av ett stort antal antenner stark datorkraft, vilket ställer fram högre krav på signalbehandlingsenheten för basstationen.

För att möta dessa utmaningar har forskare och kommunikationsföretag gjort stora ansträngningar inom teknisk forskning och utveckling och utrustningsoptimering. När det gäller hårdvara, genom antagandet av nya material och integrationsteknologier, minskas kostnaden och strömförbrukningen för antenner och radiofrekvensutrustning kontinuerligt. Till exempel, med millimetervågfrekvensband för kommunikation, som har rikliga spektrumresurser och kan tillgodose behoven hos 5G-nätverk för höghastighetsdataöverföring. Samtidigt är millimetervågantenner små i storlek, vilket är bekvämt för att integrera ett stort antal antenner på basstationen. För närvarande har vissa tillverkare utvecklat massiva MIMO -antennuppsättningar baserade på millimetervågor, vilket effektivt minskar enhetsvolymen och kostnaden genom mycket integrerad design. När det gäller signalbehandling studeras och förbättras kanaluppskattning och signaldetekteringsalgoritmer kontinuerligt för att förbättra algoritmernas noggrannhet och effektivitet. Till exempel, med hjälp av artificiell intelligensteknik som djup inlärning för att förutsäga och uppskatta information om kanalstillstånd, förbättra noggrannheten och hastigheten för kanaluppskattning.

Med teknikens kontinuerliga utveckling och mognad kommer tillämpningen av massiv MIMO-teknik i 5G-nätverk att bli mer omfattande och djupgående. I framtiden kommer massiv MIMO -teknik inte bara att tillämpas på makrobasstationer utan också marknadsföras i små basstationer som mikrobasstationer och PICO -basstationer, vilket ytterligare optimerar nätverkstäckning och kapacitet. Samtidigt kommer massiv MIMO-teknik också att kombineras med andra 5G-nyckeltekniker, såsom millimetervågskommunikation och nätverksskivning, för att ge användarna bättre och mer diversifierade kommunikationstjänster. I forskning av 6G -teknik kommer Massive MIMO -teknik att fortsätta spela en viktig roll, gå mot högre prestationsmål och lägga en solid grund för utvecklingen av framtida kommunikationsnätverk.