波束成形扩展4G和5G网络容量

大多数无线用户认为他们的网络覆盖率都很好。无线行业知道未来讲述了一个不同的故事。4G LTE已经达到了时间和频率资源利用的理论极限,而5G将需要新技术来满足其全部潜力。

无线行业正在疯狂地开展新的自由度和空间,以增强网络容量和性能,以满足不断增长的连接需求。工程师正在研究空间维度创新,属于空分多址(SDMA)类别,这将有助于提供显着的网络容量和性能。 

图1跟上需求的步伐
 

对于SDMA,其想法是使用软件驱动的波束形成天线,使用相同的频率实现多个并发传输而不会产生干扰,从而允许大量频谱重用,同时向固定和移动用户提供更高强度的信号。这样,移动运营商可以在给定的空间区域内连续重复使用相同的频谱带,并在需要时直接覆盖到需要的地方。

无线运营商和原始设备制造商正在考虑两种技术,这些技术可以实现4G和5G网络的电子波束成形,以满足无线数据消费的无限增长:多输入多输出(MIMO)和波束成形。 

4G系统中的早期MIMO部署既令人兴奋又令人失望。令人兴奋,因为已经显示出真正的网络容量增益。令人失望的是因为硬件成本超过了性能提升。也就是说,缩放和成本一直是急剧的次线性。尽管像2017年布里斯托大学那样令人印象深刻的近场频谱效率成就(130 bps / Hz),但对蜂窝等远场系统的适用性不足表明单用户MIMO(SU-MIMO)已经达到最大化。

输入MU-MIMO
这留下了多用户MIMO,其中独立数据波束沿着不同的向量传输。然而,MU-MIMO并非没有挑战。实际的MU-MIMO演示表明,使用天线/无线电对的数量很难实现线性容量增益。实际上,观测到的容量增益更像是无线电/天线组合数量的十分之一。原因很明显。用户很少在角度均匀的网格上间隔开,因此使用如此多的无线电会导致过度杀伤。当光束变宽时,减少无线电数量并没有帮助,从而加剧了问题。

最近,人们已经注意到蜂窝频带中的MU-MIMO功耗。一些研究人员指出,多GHz时钟速率8位ADC(模数转换器)需要大量功率。对于128元件MU-MIMO阵列,这意味着ADC组件仅需要至少半千瓦的功率。耗散的热负荷很大,这反过来又驱动了冷却要求,导致了MU-MIMO的庞大,笨重,耗电且昂贵的系统。如果128个无线电链的成本是10倍的改进是合理的,那么这仍然是一个悬而未决的问题。这种情况在毫米波频段中并没有变得更好,其中需要更大的阵列以获得足够的天线增益,而功率放大器效率在60GHz下暴跌至5%以下。

全息波束成形
全息波束成形(HBF)是一种新技术,它与传统的相控阵或MIMO系统有很大不同,因为它使用软件定义天线(SDA)。它是最低的C-SWaP(成本,尺寸,重量和功率)动态波束成形架构。

HBF是无源电子控制天线(PESA),内部不使用有源放大器。这导致HBF天线的对称发射和接收特性。

在相控阵型PESA使用离散移相器来完成波束控制的情况下,HBF使用直接幅度全息图执行任务。图2显示了HBF上的两个不同的数字覆盖,表示产生全息图的变容二极管的偏置状态。图2a中的全息在一个方向上引导RF波束,而图2b中的全息将波束引导到宽边。

(a) (b)
图2带有全息图颜色叠加的HBF,用于将光束从宽边引导(a)HBF,全息图的颜色覆盖用于将光束引导到宽边(b)

用于构建HBF天线的所有组件都是大批量商用现货(COTS)部件。这些极低成本的控制组件利用了它们在手机中的广泛应用,实现了硅实现只能实现的规模经济。

同样重要的是,光束指向功能是使用大量反向偏置变容二极管完成的。这导致天线指向操作的功耗几乎可以忽略不计。大多数HBF只需要USB或PoE(以太网供电)级别的电源即可运行。这样就不需要主动或被动冷却解决方案,并且可以显着减小尺寸和重量。

MIMO使用天线/无线电对来实现波束成形,其中非常复杂的基带单元协调系统。全息波束形成器具有简单的控制并且使用更密集的天线阵列。HBF系统使用的元素大约为2.5-3倍。幸运的是,对于HBF来说,所需的控制元素非常便宜。这些差异总结在图3中


图3全息,相控阵和MIMO波束形成器之间关键差异的总结

如果没有仅HBF提供的低C-SWaP架构,波束成形的好处将不会在商业市场中实现。MIMO的C-SWaP非常高。HBF代表了一种突破性的波束成形技术,最终为商用4G和5G网络提供了可行的C-SWaP配置文件。

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