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大唐移动射频专家孙华荣:大规模天线阵的实现和商用还将面临诸多挑战

http://www.huifengdq.com ( 2017/10/30 09:52 )

ag电子:  郭军希望此次大会为桂籍侨胞搭建起人文、经贸合作及信息互通平台,将广西的区位、资源优势与自身资金、技术、人脉等优势结合起来,抓住“一带一路”建设的重要机遇,积极促进中国与住在国在商贸、文化等领域互利合作,为实现中华民族伟大复兴的“中国梦”添砖加瓦。

当前我国已建成全球最大的移动通信网络,而在4G向5G过渡以及5G时代中,天线的质量保障和技术提升显得越发重要,尤其是在频谱资源日益匮乏的情况下,天线的创新将开启无线频谱资源利用的新天地,为未来5G eMBB、mMTC、uRLLC等场景的实现提供基本前提。

大唐移动射频专家孙华荣认为,大规模天线阵(Massive MIMO)的运用是保障移动通信网络高速率的重要手段,其可实现3D多波束赋形,高达16-24流多流数据,能够大大提高频谱效率,提升用户传输速率。所以大规模天线阵是5G最大的一个研究方向。但孙华荣同时也指出,大规模天线阵的商用和实现技术还将面临大量的挑战。

首先在工程安装方面,大规模天线阵的体积、迎风面积、重量、对光模块的要求等问题都需要实现突破。

回想3G时代,智能天线由 “一个大门板(天线)、一个瘤子(射频功率放大器TPA)和一个辫子(两组射频线路)”组成,后来采用了双极化天线阵,降低了天线宽带,射频拉远(RRU)初步解决瘤子和辫子问题,智能天线才得到实际运用。

对于大规模天线阵,目前业内主流的观点为128个天线阵元、64个射频通道,每个射频通道驱动垂直两个阵元。天线阵为8*8双极化天线阵子排布,水平天线阵子间距为0.5λ,垂直间距0.5-0.75λ。由于有64个射频通道,加上一个校准通道共有65个射频连接接口。天线阵与有源射频拉远单元(RRU)如果相互独立,将会有一大把的射频连接线缆,商用工程安装将面临重大挑战。

现在RRU与天线的线缆增加到65根,工程施工将更为复杂,因此天线阵和射频拉远单元一体化形成有源天线单元(AAU)将是必然选择。但由于AAU包含一个128阵元的天线阵和64通道的射频单元,体积将会较大,AAU设备的迎风面积也会变大,这些因素都会影响到实际的商用部署。

其次,降低AAU的重量是其商用必须要解决的问题,因为这将直接影响到安装支架的能力和安装的方便性。

另外,大规模天线阵(AAU)需要多达64个的射频通道,每个通道需要支持的带宽达到100MHz。这样AAU与BBU之间的基带IQ数据将是海量的,是4G时代的好几倍。按照100MHz带宽数据采样率为122.88MSPS,数据位宽为16bit计算,64通道的基带IQ数据率将为:122.88M*2*16*64=251658.24M,超过250Gbps的数据速率;再加上传输信道编码将接近300Gbps。如果用10G的光纤传输,需要20多根。这对于光模块和光纤数量都是不可接受的, 这也将是大规模天线阵面临的第三个挑战。

而解决这一问题可以多措并举:一方面压缩IQ数据,降低传输带宽的要求;同时还可将部分基带处理上移到AAU,降低传输带宽的要求;另一方面则可提高光纤传输速率,如提高到25G或100G,但这样无论是在成本还是技术方面都将会对光模块带来巨大的压力。

除了上述所提到的工程安装问题,大规模天线在实现技术方面也存在诸多挑战。

首先是散热问题,这是AAU能否实现商用化的最大挑战。由于AAU是室外设备,需要全天候工作,需要满足室外环境工作的要求。室外设备要求的工作温度为-40度到55度。由于AAU的通道数很多,高达64个射频通道,这是以往设备的8倍以上。在设备中除了功放和模拟收发信机外,还需要大量进行数字中频处理的FPGA,通道基础功耗将会随之大量增加,整机效率比传统的RRU效率低很多,整机功耗也会大很多。但是前面讲到AAU的重量和体积又必须尽量小,才能满足实际商业工程安装的条件。这样就造成整机热流密度大幅提升,提高单位体积的散热能力是关键。同时FPGA单片功耗大,耐高温能力差,是散热的最大瓶颈。解决单点高热耗散热问题就成为重中之重。解决AAU的散热问题除了在结构设计提高散热效率外,提高整机效率是另一个重要方向。

同时,为了解决整机小型化,器件的高集成度和器件的小型化是重点。只有提高集成度,才能在一个芯片内完成多个器件的功能,从而降低体积。器件的小型化可以使单个器件的体积降低。在AAU中输出滤波器小型化是一个重点。在RRU中为了滤除带外杂散,满足基站共存共址杂散要求和阻塞要求,在RRU输出端必须有一个模拟滤波器,该模拟滤波器的要求很高。传统基站输出滤波都是采用腔体滤波器,腔体滤波器的体积很大。在大规模天线阵中射频通道很多,增加到了64个,天线滤波器也就增加到64个,如果还采用腔体滤波器,则会使体积变得很庞大。因此,天线滤波器的小型化会是AAU重点攻克的方向。当然,除了天线滤波器的小型化,其它器件的小型化也是很重要的。

除了上面分析的两个重要的技术挑战外,AAU的架构设计、模块间连接、高速互连、高速走线、大带宽处理,功耗、效率,生产安装,生产工艺也都需要不断创新调整。只有把这些挑战一一解决,才能真正实现大规模天线阵的商用化。

天线是支撑移动通信系统的关键要素,推动大规模天线阵技术的革新、加速商用将会直接影响到5G的系统能力,相信大唐移动会凭借在天线领域的领先技术实力,不断攻克难关,助力5G加速商用。 ag电子

   来源:C114中国通信网

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