5G幾大核心技術(shù)的基本概念和關(guān)聯(lián)分析

Massive MIMO（簡稱作M-MIMO或者M(jìn)M），作為5G的核心技術(shù)，是承載在AAU之上的，而AAU內(nèi)部的天線陣列，則是實現(xiàn)Massive MIMO的最重要的載體。

本期，將介紹其中的幾個基本概念：振子，天線，通道，流，MU-MIMO，SU-MIMO，及其之間的關(guān)聯(lián)。

1、什么是振子？

天線最基本的作用是進(jìn)行能量傳播方式的轉(zhuǎn)換。對于基站發(fā)射的信號來說，天線把發(fā)射機的高頻振蕩電流轉(zhuǎn)換為可以在自由空間傳播的電磁波。

天線往外發(fā)射電磁波是通過內(nèi)部的振子來完成的。單個振子的能力有限，發(fā)射方向也難以集中，因此天線一般是由多個振子疊加而成。

如上圖所示，天線打開外罩之后，就能看到其內(nèi)排布著若干的X形狀的器件，這些就是振子，也叫天線單元（Antenna Elements）。一個X代表了+45°和-45°極化方向的兩個振子。

2、振子怎樣組成天線/天線陣列？

對于一般的天線來說，其內(nèi)部是由多個振子組成的，通過這些振子上發(fā)射能量的疊加，天線增益可達(dá)13到17dBi。我們在畫天線示意圖時，總會在上面畫上一些X形符號，用來表示里面的振子。

對于5G AAU來說，由于廣泛采用了M-MIMO技術(shù)，其內(nèi)部集成的天線采用的振子數(shù)量更多，多個振子整整齊齊地排列著，嚴(yán)陣以待，因此也稱作天線陣列。對于Sub6G頻段的AAU來說，業(yè)界一般采用192個振子。

天線振子雖多，但單個振子的能力太過弱小，并且如果每個振子都和AAU內(nèi)部的功放連接獨立發(fā)送信號的話，實現(xiàn)上也過于復(fù)雜，因此業(yè)界一般3個振子或者6個振子劃為一組，成為邏輯上的單個天線。

以下圖的M-MIMO天線振子排布圖為例，水平方向共12行，垂直方向有8列振子，再加上±45°雙極化，一共就有12x8x2=192個振子。

每三個振子為一組，稱為一副天線，因此該M-MIMO AAU共有192/3=64個天線。如果每6個振子組成一個天線的話，該AAU就有192/6=32個天線。

目前業(yè)界主流的5G AAU均為192振子，有64天線和32天線這兩種型號，其中64天線的產(chǎn)品性能要更好一些。

既然如此，那為什么不都做64天線呢？這就要涉及到通道數(shù)和成本相關(guān)的考量了。

3、什么是通道？

天線數(shù)再多，也是無源器件，沒法直接發(fā)射信號。

因此，AAU需要將這些天線跟其內(nèi)部的射頻鏈路相連，最終就形成了64或者32個可發(fā)射信號的通道。

Sub6G頻段的AAU采用全數(shù)字波束賦形，可以認(rèn)為其天線數(shù)，發(fā)射通道數(shù)，功放（PA）數(shù)是一樣的。

顯而易見，天線數(shù)和通道數(shù)越多，AAU內(nèi)部的功放數(shù)也就越多，對基帶資源的消耗也會越大，設(shè)備的成本也就越高。

因此，64天線的設(shè)備主要用于密集城區(qū)，在普通城區(qū)和郊區(qū)使用32天線就可以滿足需求了。

對于更為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，對容量的要求不高，主要解決覆蓋問題，這時甚至連Massive MIMO都不用了，直接上8端口RRU接上天線就行。

4、AAU內(nèi)部采用了這么多振子、天線和通道，到底天線增益如何呢？

下面我們分為通道增益，波束賦形增益，以及業(yè)務(wù)增益這三個方面來說。

上面已經(jīng)說過，單個通道一般是由3個或者6個振子組成的，這些振子產(chǎn)生的合成增益，就叫做通道增益。

波束賦形增益也叫陣列增益，通道數(shù)越多，波束賦形能力也就越強，增益相應(yīng)的也就越大。其算法為：陣列增益=10Log（通道數(shù)/2）,之所以除以二，是因為這些通道的極化方向是不同的，一半+45°極化，另一半-45°極化，而極化是不能產(chǎn)生增益疊加的，因此只能按一半的通道數(shù)來算。

業(yè)務(wù)增益其實就是天線整體的最大增益，由通道增益和波束賦形增益相加得出。

一般來說，Massive MIMO的業(yè)務(wù)增益比普通天線要高3dB左右。下文將說到的由多發(fā)射通道，以及波束賦形帶來的多用戶多流傳輸能力，是M-MIMO的核心競爭力所在。

5、多用戶及空分流數(shù)

多用戶的空分流，直觀來說，是在空間中給不同的用戶使用不同波束來發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流。

舉例來說，如果基站支持16流，就是基站能使用相同的資源，在空間中發(fā)送16路不同的數(shù)據(jù)。這16路數(shù)據(jù)可以分給8個用戶，每個用戶兩流（也就是2x2 MIMO），也可以分給16個用戶，每個用戶只有一流。這樣一來，雖然每用戶體驗的速率差別較大，但整個小區(qū)的吞吐量是可以達(dá)到峰值的。

這種多個用戶之間配對來復(fù)用相同的時頻資源來實現(xiàn)多流的技術(shù)就叫做MU-MIMO（多用戶MIMO），而一個用戶內(nèi)部的多流則為傳統(tǒng)的SU-MIMO（單用戶MIMO）。 目前主流的5G手機能支持4天線接收，因此可以和基站形成最多4條獨立的傳播路徑，也就是對于單個手機來說，SU-MIMO最多可支持4流傳輸。 5G AAU可以同時實現(xiàn)MU-MIMO和SU-MIMO這兩種方式，最大化整個小區(qū)的流量。