5G网络部署中的AAS天线系统.docx

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1、5G网络部署中的AAS天线系统#天线#5G#无线网络5G网络随着容量、覆盖范围和连接密度的增加，网络运营商（MNo）已将MaSSMIMO和波束赋形等先进技术应用于网络中；与此同时AAS（高级天线系统）已集成并在无线网络设施中部署。什么是AAS（高级天线系统）？MassMIMO和波束赋形技术对于5G（NR）可实现容量和吞吐量提高至关重要。然而,随着MaSSM1MO天线阵列尺寸的增长，传统天线由于重量、空间和功耗限制而难以支持它们。我们知道在传统天线中，RF电子设备和无源天线在物理上是分开的。5G天线阵列中有100个或更多天线元件，使用单独射频电缆连接它们变得笨重且效率低下。AAS与MIMO阵列同

2、步发展（如图1右）是利用集成和小型化技术的进步，它可在MNO的5G（NR）网络基础设施中有效部署。AAS（高级天线系统）是将AAS无线与一组AAS功能（包括MIMO和波束成形）相结合。AAS的核心部件是有源天线系统，其中有源收发器阵列和无源天线阵列智能地集成到单个硬件单元中。这种集成使AAS显着小型化，同时提高通信吞吐量，并减少电缆损耗和功耗。AAS还包括处理无线电信号所需硬件和软件，以及支持执行AAS功能算法。j1Ro1oActivev.PassiveAntnnSing1AUn*MEmenteSR6xBBH1&:=8|:,:1a*Tr*schrSUtof)/BaS1itioaOU:O1g1t

3、iIUnIVBasebandRRH:RmotRatf1oHadRdioUnit图1：天线演变（来源RCRWire1ess）AAS（高级天线系统）原理AAS工作基于矩形天线阵列，其中波束成形用于在一定角度范围内控制高增益波束。天线阵列的设计使得各个元件建设性地组合形成一个主瓣，该主瓣在给定方向上传输能量，系统的整体增益由阵列中元件的数量决定。传输的射频信号在应用于各个阵列元件之前经过单独的预编码，具有相移和幅度偏移-使它们能够被引导到所需方向。使用同时响应水平和垂直极化无线电波双极化阵列元件增加了系统的流量处理能力。每个元件由两个独立收发器馈电，其中一组为垂直极化，另一组为水平极化。图2:射频和

4、数字转向混合波束形成示例（来源:MathWorkS）在AAS部署中多个天线元件被划分为子阵列，每个子阵列都由自己的射频链馈电（图2）。这种混合实现需要更少射频链，从而降低了整个阵列的复杂性、成本和功耗。图3:AOSA分区支持高天线增益和可操控性（来源:爱立信）天线阵列的特性由其划分的子阵列阵列（AOSA）方式确定。当所有子阵列信号相长相加时获得的总天线增益取决于子阵列数量。如两个子阵列的增益是单个子阵列的两倍；即3dB的增益（见图3A）。同样四个子阵列增加了3dB,但随着子阵列尺寸的增加，发射的波束变得更窄（图3B）。天线系统总增益是阵列增益和子阵列增益的乘积（见图3C）。总而言之，天线最大增

5、益由阵列中天线元件的数量决定，而子阵列的分区方式可以在一定角度范围内控制高增益波束（图3C）。同时子阵列辐射方向图决定了发射光束的包络线（图3C中的虚线所示）。*上述描述集中在一个维度上，适用于使用双极化天线元件水平和垂直维度。使能技术应用通过改进天线制造技术以及半导体技术的发展，可实现集成天线阵列。目前天线设计已经从传统平板架构转向使用贴片天线作为构建块的平板配置。贴片天线（图4）由安装在较大扁平导体（接地层）上的扁平矩形导体（贴片）组成，介电材料将贴片和接地层隔开。.:Maximum图4:贴片天线（来源:5GTechno1ogyWor1d）随着无线传输波长的缩小，贴片天线的使用变得越来越普

6、遍。由此产生更小天线几何形状可构建具有更高元素倍数的天线阵列，从而相应地获得更高增益。随着天线设计发展，半导体技术进步使天线电子元件（如射频收发器、功率放大器、ADC、滤波器和开关）能够被封装到更小的IC中。这些可以安装在天线板的后部，显着降低天线的深度。随着大规模M1MO阵列变得越来越大，及波束成形技术越来越复杂，需要先进的信道状态信息（CSI）机制来支持波束管理过程。在此CSI运行的复杂软件算法由人工智能（AI）术实现，例如神经网络，而神经网络又由强大的定制IC支持。主动天线与被动天线天线系统近年来也有了长足发展，能够支持4X4甚至8x8M1M0。由于许多初始5G部署在3.5GHz的覆盖范

7、围和容量“最佳位置”，可能不需要AAS的全部功能尤其是在容量和用户数量不受限制的非城市地区。在这些情况下AAS的好处可能无法证明成本合理，而无源系统可以提供可行的替代方案。未来许多年将与5G共存的传统网络也使用较低范围内的频率，并且可以部署无源天线以继续支持这些网络。此外在需要同时提供5G并继续支持传统网络的蜂窝基站中，较小尺寸的现代天线使得在同一个天线罩下容纳有源和无源系统成为可能，从而可能节省站点成本和空间。AAS部署场景在为特定小区站点选择最佳AAS配置时，应考虑其将服务的环境。关键因素包括要服务的用户数量、站点间距离（ISD）以及要覆盖的建筑物和位置的性质。以下三个场景（图5所示）显示

8、了其中一些因素如何影响天线设计的选择。B.4x1sub-rroy32T52RUrbon1ow-riseisD-see-ieeemRe1ativecapocity2116T32TMTMUMIMOSUMIMO图5：AAS部署场景（来源爱立信）场景A:密集城市高层高层建筑、交通量大的密集城区需要大型天线阵列来保证足够的覆盖范围。将阵列划分为小的子阵列可提供高增益光束，可以在很宽的角度范围内操纵，以满足用户的垂直分布。MU-M1Mo在这种环境中很重要，大量小分区需要足够数量无线链路，其中:64是复杂性和性能之间的良好折衷。场景B:城市低层这是世界上许多大城市场景代表，话务密度较低，建筑类型混合，用户垂

9、直分布较少。在这种情况下需要较大覆盖面积的天线来提供所需的小区数据速率一但可以减小垂直覆盖范围，因此可以使用更大的垂直子阵列。MUMIMO在这里仍然很重要；但对于较少数量的阵子列，16到32是最佳选择。场景C:农村/郊区这些地区特点是人口密度低或中等，用户分布小且垂直，站点间距离从一公里到几公里不等。同样覆盖需要大型天线阵列，但垂直波束成形不是优先事项因此大型垂直子阵列是理想的。由于用户数量少，MUMIMO的优势受到限制，因此8到16个提供了最佳折衷方案。AAS益处、权衡和注意事项AAS的适当部署时可为无线网络带来诸多好处。AAS中大规模MIMO适合用户群密集和流量大的场景，在这些场景中，MNO必须最大限度地利用频谱。亳米波传输的小波长可实现更小的天线，这对于这些区域的网络致密化来说是理想的选择。然而，AAS并不是所有网络部署的灵丹妙药。移动网络运营商必须集中投资以确保获得最大回报，而且从城市到农村环境，商业案例在规模上差异很大，在这些环境中，人口稀少可能无法证明AAS相对较高的成本是合理的。此外传统网络将与5G共存多年，在这两种情况下先进的无源天线系统可能是最佳解决方案。因此在5G网络中应用AAS时，需仔细考虑这些因素和其他因素。