【導讀】有源天線系統、波束成形、波束控制、固定無線接入 (FWA) : 向 5G 的過渡正在為商業領域帶來新的術語和技術。5G 始于載波網絡，需要載波網絡為這些新一代技術提供支撐。本博文解釋了一些能夠實現 5G 基站和網絡的關鍵 RF 通信技術。
本博文節選自電子書《5G RF For Dummies®》第 4 章。
5G 始于載波網絡
5G 網絡必須處理許多需要不同有源天線系統 (AAS) 的功能，以應對增強型移動寬帶 (eMBB)、大規模機器類型通信 (mMTC) 和超可靠低延遲通信 (uRLLC) 的挑戰。
其中的第一大應用將是有源天線系統 (AAS) 在毫米波 (mmWave) 頻段中提供固定無線接入 (FWA)。FWA 是在毫米波頻段中實現 5G 的基礎。運營商和基礎設施制造商都一直在進行試驗，并計劃通過這項服務，以更具擴展性和經濟性的方式提供寬帶。盡管該服務的受眾是游牧式用戶和固定用戶，但在設計中考慮到了真正的移動性。因此，運營商得以涉足將成為移動 5G 基礎的全新毫米波技術(比如相控陣天線和混合式波束成形)。
3GPP 標準定義中最近的一個轉變 — 增加加速路徑，稱為非獨立 (NSA) 5G — 作為一種經濟高效的方式，可將早期的 5G 優勢帶入市場，而無需增建獨立 (SA) 5G 所需的 5G 網絡核心。NSA 使用現有 4G 3GPP 頻段作為 LTE 控制平面錨來實現這一點。
有源天線系統 (AAS)/全維度多路輸入/多路輸出 (FD-MIMO)
有源天線系統 (AAS) 是先進的基站平臺，其成本、結構和性能均經過優化。4G 版本 12 增強功能顯著影響了設計增強型 NodeB (eNodeB) 無線電的方式。版本 12 項目包括載波聚合的新組合、具有下行鏈路 MIMO (多路輸入/多路輸出)的空間復用增強功能以及 AAS 中所需的 RF 要求。第一張圖概述了具有相應特點和優勢的版本 12 項目的部分內容。
LTE Advanced eNodeB 無線電天線的演進
MIMO 技術使用安裝在源(發射器)和目標(接收器)上的多個天線來提高容量和效率。如前面的圖片所示，天線越多，數據流層越多。這使得單個用戶的數據管道增大或不同用戶使用多個數據管道(也稱為多用戶 (MU) MIMO)。
大規模 MIMO 將 MIMO 提升到一個新的水平。如今的 MIMO 部署通常由基站上的最多八個天線以及接收器上的一到兩個天線組成。因此，基站可以同時將八個數據流發送到八個不同的用戶或雙重發送兩個數據流到四個用戶。大規模 MIMO 可擴展到數十或數百個天線(理論上可達數千個)，提供眾多功能和優勢，其中包括:
● 大幅提升的容量和可靠性
● 更高的數據速率和更低的延遲
● 更好的連接(特別是對于 5G 所使用的具有挑戰性的較高頻率)
● 更少的小區間干擾
● 通過波束成形實現更高的效率和更好的信號覆蓋
下圖說明了有源天線系統 (AAS) /全維度 (FD) MIMO 基站如何在水平和垂直方向上指引波束。這一操作動態地指向天線方向圖，為每個相應的用戶提供更好的鏈路和更高的容量。這樣，用戶就能實現流量分流，更快速地釋放無線電資源以供他人使用，使整個小區的總容量獲得凈增。
【下圖說明了有源天線系統如何使用波束控制為商業建筑和住宅內的用戶端設備 (CPE) 提供端到端的固定無線接入 (FWA) 連接。】
5G FWA 的一個明顯優勢是支持極高的峰值數據速率，每位用戶因此無需具備專用的固定設施。為了實現更高的峰值數據速率和更高的系統容量，FWA 無線電將使用 24GHz 到 42GHz(可能更高)的全新頻段。
使用更大的天線陣列可提供額外的波束成形，從而克服在毫米波頻率范圍內遇到的更嚴峻的傳播挑戰。這些陣列可能具有數百個元件，但是由于波長短，因此極其緊湊。例如，30GHz 的 64 元件天線陣列大小只有 40 mm x 40 mm。大型陣列提供非常集中的波束，這些波束可以在不到一微秒的時間內重定向。此外，大型相控陣還可以作為單個陣列或者作為多個獨立的子陣列，指引獨特的波束在同一頻率資源上同時服務多個用戶終端。下圖顯示了 AAS 天線陣列(含 AAS 基站塔)的按天線 RF 子系統中 2x2 RF 前端模塊的框圖。
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