5g天線的未來（超大規模天線還能給5G帶來什麼）

2023-11-05 06:56:33 2

文丨腦極體

回看無線電通信技術，從1895年義大利科學家馬可尼向大洋彼岸拍出第一封無線電報以來，其已經走過了120多個年頭，在社會生活、航空航天、軍事等領域發揮了無可替代的作用。而與普通人貼近的移動通信，則給我們的生活與工作帶來了極大的便利，如今的人類完全無法想像沒有網絡的生活會是什麼樣子。

在移動通信網絡中，整個系統最前端關鍵的部分——天線，也從未停下升級的腳步。天線承載著通信系統收發信號的重要作用，所有通信數據都需要通過天線來進行傳輸，因此天線性能的好壞直接影響著整個無線通信系統的性能。天線的發展也從最初的全向天線、單頻單通道，到現在的多頻多通道、大規模天線技術等。

隨著信息化、數位化、大數據的不斷進展，天線技術的發展也有了更高的要求，通信系統不斷向更高的頻段，更大的帶寬進行發展。為了應對逐漸複雜的場景變化，比如樓宇內信號差情形，廣域的高通信質量需求等，大規模天線技術的需求不斷疊加。很多讀者可能不太了解大規模天線技術是什麼，它給產業帶來了什麼價值，和5G又有什麼關係，以及未來會有什麼趨勢變化。我們今天就就著這些話題一起探討一下。

Massive MIMO技術價值幾何？

在討論大規模天線技術以及帶給產業的價值前，先來簡單介紹下大規模天線技術（Massive MIMO）的含義。在基站中採用大規模的天線陣列被稱為Massive MIMO，為了便於理解，我們從區別傳統設備的角度來剖析，大規模天線技術主要有兩個關鍵的變化：

1.天線數列的變化。與傳統設備的2天線、4天線、8天線相比，採用Massive MIMO技術的通道數可達32或者64，天線陣子數可做到192、512甚至更高，其增益大大超越傳統設備。

2.信號覆蓋的維度方面。從之前只能水平方向的移動，轉變為水平方向和垂直空域的移動，信號的輻射呈電磁波束。

Massive MIMO這個技術的功能主要是用來提升網絡覆蓋、用戶體驗、系統容量的作用，目前該技術在無線通信領域已經得到了廣泛的應用，比如4G時代人們日常生活中主要用的通信網絡和Wi-Fi熱點。從理論上來看天線的數量對通信系統的頻率效率，傳輸速率，可靠性都有直接的影響。為了保證通信服務質量，通信基站會配備了大量的天線，用於提高通信頻譜的效率。而採用Massive MIMO技術可以使通信波數集中在規劃的範圍內，有效避免信號在不同區域之間的幹擾問題，降低通信的傳輸功率。從應用場景的角度來描述的話，大規模天線技術的價值主要包括：

1.在城區覆蓋的場景中，比如在城市環境中的寫字樓，用戶在空間上立體分布，人員密集但是分布比較分散。傳統設備因為牆體的損耗，網絡的覆蓋相對比較差，大規模天線技術可以在這類場景中滿足高質量的數據傳輸需求，極大地提升了城市用戶的行動網路體驗。

2. 局部熱點方面，主要針對的是大型賽事、演唱會、商場、露天集會、交通樞紐等用戶密度高的區域。這些地方幹擾多、地形複雜，人員流動分散，整體的傳輸數據量大，大規模天線技術可以為其提供高質量數據傳輸的服務，帶給用戶網上衝浪的快感。

3. 郊區覆蓋與無線回傳的場景中，郊區覆蓋主要解決偏遠地區的無線傳輸問題，無線回傳主要解決基站之間的數據傳輸問題，特別是宏站與Small Cell之間的數據傳輸問題。

大規模的天線技術應用提高了網絡覆蓋能力和通信系統的能力，也可以幫助通信運營商充分利用現有的基站地址和頻譜資源，這為5G通信系統的開發和實現提供了巨大的資源便利，也深刻影響了基站天線行業的發展趨勢。

5G帶來逐漸提升的競爭力

5G網絡建設正在如火如荼地進行中，我們可以看到5G的應用已經深入到萬千行業中，比如工業製造、醫療領域、礦產能源等，5G為行業帶來了效率和成本的改造，在這些產業不斷深入發展趨勢的背景下，也深刻影響了基站天線產業的發展。我們知道5G最大的核心特徵是廣連接、低時延、大帶寬，而大帶寬的能力與Massive MIMO的多通道能力完美地契合成為5G特性的放大器。

我們知道在4G時代多天線技術就被引入，最大的改變就是提高了小區峰值速率和小區邊緣覆蓋性能。到了5G時代，隨著部署頻段的升級，多天線技術的規模進一步擴大，Massive MIMO為用戶帶來了更好的立體網絡覆蓋性能和效率體驗。比如在地鐵的場景中，華為與電信聯手的Massive MIMO技術引入有效解決了室內5G小區間的幹擾問題，用戶的網絡速率提升40%以上，這個場景的成果也可以複製到商超、餐飲店、體育場等場景中，為用戶和產業帶來多場景5G升級的千兆體驗。

5G時代，也需要把多天線的技術帶入到網絡通信的各個頻段中，在這些各類頻段中去釋放大帶寬的能力與體驗。在產業的實踐中，5GMassive MIMO設備的基站尺寸有新的革新，變得更加小巧，降低了5G網絡的更新部署成本並且帶來了相對4G十倍的體驗升級。

在室外場景中，我們知道城市化的建設中，有很多人流密集的地方，比如景區、交通樞紐等，這類地方的特點是在一些時間點會有成百上千的人同時駐留集中，從而在某一個區域產生巨大的數據量。在這類的場景中無線環境比較複雜，人的流動比較大，通過更加密集化的網絡設施以及5G Massive MIMO部署方式，可以解決網絡容量集中且大的需求。

Massive MIMO在這些場景中的實踐應用，我們可以發現其不斷提升的產業競爭力。在實際的落地應用中，不僅僅帶來了5G價值的升級，也為一些5GtoB的業務探明了方向。而在未來Massive MIMO也會持續地升級迭代，不僅僅是天線規模的增加，也會向創新的天線陣列實現方式、創新的部署形式、創新的應用等發展。朝著超大規模天線進一步演進升級，提供更高的頻譜效率、能量效率以及更多的創新應用。

深入未來的數智空間

對於無線通信領域來說，未來主要的發展基調是向著帶寬和速率更快、更強的方向發展。Massive MIMO在這個發展的基調上，技術層面也會向著超大規模的方向邁進，同時在低碳環保的數字經濟發展的趨勢下，深入綠色環保、低碳節能的方向，具體而言包含以下三個方向：

1.不斷滿足後5G、6G時代新場景與新應用的需求。超大規模天線技術的提出是基於未來數字時代新場景與應用的需求，隨著天線數量與晶片集成度的不斷提升，通過部署超大規模的天線陣列，應用新的材料與工具，通信的頻譜效率與網絡覆蓋都可以得到極大的升級，向著更廣泛、更靈活、更高的精度與能耗效率等方向提升。舉例來說，Massive MIMO具備在三維空間內進行波束調整的能力，超大規模的天線技術還可以提供非地面覆蓋的服務，比如無人機、客機、地軌衛星等的通信服務。從用戶的角度來看，分布式的超大規模天線也可以提供更高的空間解析度，什麼意思呢？就是未來網絡的傳輸方式也有可能向著由網絡中心轉變為以用戶為中心的方式發展，精準地覆蓋個體用戶網絡的需求。

2.智能化方向的演進。隨著人工智慧和機器學習的不斷進化和深入發展，整個通信網絡的進化也將向著支持自動配置、自動部署、自動優化等網絡智能化的方向演進。而潛在的一些新的應用場景將出現，集中式和分布式超大規模天線靈活部署，將進一步滿足信息應用的需求，為新的應用提供更好的覆蓋和連接性能。尤其是在應急通信場景中，超大規模天線在空地一體化場景的應用與衛星通信的結合業務中，為用戶提供無處不在的連結。

3.低碳綠色的發展。綠色Massive MIMO需要在站點、功率多方面進行突破式創新。Massive MIMO的技術需要向在更窄的業務信道演進，從而降低基站的發射功率，進而降低基站的能耗。而面向基站的建設成本，需要技術的迭代推動覆蓋範圍的最大化，使其發射功率和覆蓋範圍能夠達到最低功耗的配置。與此同時也需要確保運營商效益與用戶體驗的升級。這種多贏的局面需要產業和技術的不斷打磨升級，無線通信產業的價值進化任重道遠。

超大規模天線技術的發展，給未來的數字世界帶來很多的想像空間，可能在未來，我們在城市空間的任何角落中都能流暢無阻礙進入數字世界，視頻會議、大型遊戲、視頻內容的下載，甚至是元宇宙數字世界的遨遊都不再被密集的人群和高數據的網絡需求限制。

通信產業的終極形態到底是什麼樣子？超大規模天線技術的產業形態會長成什麼模樣？我們能夠預測窺探到的也只是一小部分。從3G到4G時代的跨越將近用了6年的時間，現在正在由4G 向5G跨越中，這些年通信能力、網絡速率的不斷升級改造帶給我們數字生活極大地變化。從資訊內容的角度來看，從剛開始文字的盛行到圖片再到視頻的極度發展，我們獲取信息的效率和內容的呈現形式都發生了顛覆的改變。而未來在超大規模天線技術賦能的6G時代，數字世界將會如何變化，能寫出來的也只是冰山一角，更大的產業潛能如何釋放，想像力實在是有限，空白的大腦只剩下對未來的期待。

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