天线参考观研天下发布《2018年中国天线行业分析报告-市场运营态势与发展趋势预测》  

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2018年天线行业Massive MIMO技术主要影响作用 提升容量、增强覆盖

字体大小: 2018-07-26 09:10  来源:中国报告网

中国报告网提示:参考观研天下发布《2018年中国天线行业分析报告-市场运营态势与发展趋势预测》  

        参考观研天下发布《2018年中国天线行业分析报告-市场运营态势与发展趋势预测

        根据 ITU(国际电信联盟)的愿景,5G 的应用场景应划分为增强型移动宽带(eMBB)、大连接物联网(mMTC)和低时延高可靠通信(uRLLC)三类。同时,ITU 在带宽、时延和覆盖范围等方面确立了 5G 的 8 项技术要求。要达到 5G 应用场景如此高的要求,需要一组关键技术来实现——包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。前三项都是 5G 无线接入相关的技术,共同保证 5G 的目标网络速率和覆盖要求。 

 
图:ITU 提出的5G 核心性能
数据来源:公开数据整理

        根据 IGR 的预测,美国无线接入网(RAN)的投资将占 5G 总投资的 80%以上。基站天线的投资额只占无线接入网投资的 2%左右,但基站天线独立承担末端链路连接,对实现 5G
网络容量的目标来说至关重要。    

图:5G 美国移动网络建设投资预测,无线接入网投资占比较大
数据来源:公开数据整理

图:5G 空口技术储备——因应不同场景和成本约束而规划的备选技术
资料来源:互联网

        5G 关键技术的具体方案已经基本确定,Massive MIMO(大规模天线阵列)技术成为 5G 的标准技术之一。截至目前,5G 标准制定组织 3GPP 第一个标准版本(R15)已经冻结(包括 SA 和 NSA 标准),包括 Massive MIMO 在内的多项技术标准已经落地。现在多家设备商的 5G MIMO 原型机已经在很多公开场合出现。站在投资的角度,我们认为 5G 射频将是 2018年最清晰的投资机会。 
 
        1. Massive MIMO 架构成为 5G 必选项,天线数量大幅增加 

        1.1. 5G 网络容量要求较 4G 更高,提高频谱使用效率势在必行 
 
        5G 应用场景之一——eMBB 网络容量要求较 4G 有很大的提高,Massive MIMO(大规模天线)是实现 5G 网络容量要求的关键技术之一。根据移动通信的常识,要在物理层提高网络容量(以达到 5G 的目标速率),只能通过①扩大带宽、②提升频谱利用效率和③增加小区数量三种方式来实现。 
 
        网络容量=带宽①(MHz)×频谱效率②(Mbps/ MHz)×小区数量③(个) 
 
        Massive MIMO(大规模天线)成为提高频谱利用效率的必选项。 

        其中,对于①带宽来说,6GHz 以下频谱资源是稀缺的,2.4GHz 以下尤其拥挤。中国运营商的频谱资源由政府分配,要再利用已有频谱只能通过重耕。在发达国家,运营商要通过政府的频谱拍卖才能获得频谱使用权,按以往 3G~4G 经验来看,频谱拍卖的总金额动辄达到
百亿欧元级别。 
 
        对于③小区数量,大部分运营商建站都面临着基站选址困难和机房空间紧张的问题,某些热点区域要在 4G 覆盖的基础上增加小区数量是很难的。 
 
        因此,剩下的②提升频谱效率是提高 5G 网络容量(或降低成本)的主要途径。可通过技术手段,包括大规模天线阵列、新型多址、波形等方式实现。 
 
 图:网络容量计算公式
资料来源:互联网

        基于多天线波束赋形技术的 Massive MIMO(大规模天线阵列)是 5G 最清晰的技术路线。要实现 5G 频谱利用效率和覆盖要求,天线系统演进主要有两条路线:1)高阶调制技术和空分复用技术的应用:提高无线传输流数,需要大规模阵列天线提供硬件支撑;2)波束赋形: MassiveMIMO 有源天线可以实现了从 2D 波束赋形(Beamforming)向 3D 赋形的提升,提升覆盖能力,抑制干扰能力更强。 
 
        Massive MIMO 采用有源天线技术(AAS)的应用成为 5G 的标志,也将改变天线产业链的生态。与 4G MIMO 相比,有源天线(ASS),可以支持 3D MIMO 和更大的天线阵列,频谱利用效率大大提高,同时天面得到优化,降低了部署成本。 
 
        1.2. Massive MIMO 应用多波束技术,支持更大阵列天线,天线数量提升到 64、128 甚至256 个: 
 
        大阵列 MIMO 技术并不是民用通信首创,在军用领域已经非常成熟。早在 70 年代,美军已经将大规模的二维有源天线阵列用于相控阵雷达系统中。而现代相控阵雷达的天线单元甚至增加到数万个,可以产生一条或多条很窄的波束,锁定百公里外的多个目标。 
 
        民用 MIMO 可以说是军用雷达的“微缩版”,最早在上世纪 90 年代由贝尔实验室提出。在3G 时代,MIMO 开始被真正引入无线通信领域。在 4G 时代,MIMO 已经实现规模化应用,R8~R10 三个标准都对 4G MIMO 技术进行升级,并成为了 LTE 的标志性革新。 
 
        MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)意为“多输入多输出”,就是使用多个发射天线和多个接收天线来提高频谱利用率,以实现空间分集的效果。MIMO 技术的核心就是将原天线的数据流分成多路数据子流,从多个天线同时发射,并利用空时编码技术将这些数据子流区分开并解码,从而提高频谱利用率、提高无线信道容量和信道可靠性。根据数学原理,当空间传输信道所映射的空间维度趋向于极限大时,两两空间信道就会趋向于正交,从而可以对空间信道进行区分。在其他条件不变的情况下,增加 MIMO 天线数量会提高无线信道的容量。 
   
图:移动通信基站的天线阵列可以看作是军用相控阵雷达的袖珍版,高频材料需求从军事向民用通信领域转移
 资料来源:互联网

        2010 年,贝尔实验室进一步提出了 Massive MIMO(大规模天线)技术。Massive MIMO 概念就是基于多用户的波束赋形的原理,在扇面覆盖空间中对不同用户形成独立的窄波束覆盖。基于用户的空间隔离,天线系统可以同时传输不同用户的数据,从而数十倍地提升系统吞吐量。 

图:MIMO-OFDM 技术在 4G 时代已经开始成熟应用
资料来源:互联网

图:MIMO 技术随着天线数量的增加可以显著增强频谱利用效率
资料来源:互联网

        MIMO 系统在一定程度上可以利用传播中多径分量,以此对抗多径衰落。4G LTE 的每次演进(R8~R12)都会对 MIMO 技术进行升级。但是,对于频率的选择性深衰落,MIMO 系统依然是无能为力。4G MIMO 的一种解决方案是结合高阶调制技术 OFDM,形成 MIMO-OFDM。 
 
        OFDM (正交频分复用)是一种优秀的多载波调制技术,目前广泛用于多种无线系统中,并成为 4G LTE 的核心技术。OFDM 主要思想是:将信道分成若干个正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。每个载波所使用的调制方法可以不同,各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式,以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。OFDM 很好地克服多径传播的影响,大大提升了频谱利用效率;OFDM 不仅仅在 4G 系统中得到了广泛的应用,目前也作为 5G 系统的重要候选波形之一。 
 
        4G LTE 已经实现了 OFDM+MIMO 的物理层的基本构架变革,但一般仅仅支持 2 天线、4 天线,上下行分集的最多天线数量被限制在 8 个或以下。5G Massive MIMO 无论天线数量和信号覆盖维度都较 4G 大大增加了,天线和通道数量可以达到 64 个、128 个,综合考虑系统实现的收益和代价后,最大天线数量可以达到 256 个。因此,5G 的 Massive MIMO 网络容量将较 4G 大幅提升,同时天线的形式也将由无源转向有源。 
 
图:OFDM 技术的示意图
资料来源:互联网

图:MIMO技术的历 史演变
资料来源:互联网

        2. Massive MIMO 取消了物理馈线端口、单天线功率降低,天面优化让部署和维护成本都大大降低: 
 
        移动通信发展到今天,站点获取成本已经很高,天面的“圈地运动”非常激烈。4G 天馈的优化方式——MIMO、扇面分裂、多频段等都需要增加馈线端口。4G 宏基站的馈线已经盘根错节,电缆安装施工、维护的工作量很大,也成为制约 eMBB 实现的瓶颈之一。 
 
        5G 要达到单扇面 128 甚至 256 天线规模,相应端口达到数十个,馈线自重和损耗都是不能接受的。因此 Massive MIMO 用 PCB 板代替了原来馈线的连接和功率分配,有源天线集成了 RRU 的功能,让天面得到大大优化,还减少了系统馈线损耗。同时,Massive MIMO 本身网络覆盖性能得到 10%以上的提升,减少了基站扩容带来的选址和优化的负担。 
   
图:4G 基站天线盘根错节的天馈线大大增加部署难度
资料来源:互联网

图:Massive MIMO 直接用光纤直连地面,天面得到优化和维护成本
资料来源:互联网

        3. MassiveMimo 实现了 3D 波束赋形,大大提高用户体验 
 
        波束赋形(Beamforming)又被称作波束成型、空域滤波,是传感器阵列天线的波形处理技术。波束赋形使得某些角度的信号获得相长干涉,而另一些角度的信号获得相消干涉,从而实现某个特定方向的信号增益,对其他方向信号进行抑制。波束赋形实现了不同用户间信号的空间隔离,克服了路径损耗。 
 
图:天线信号波束赋形的示意图
资料来源:互联网

        5G 有源天线基于波束赋形技术,可实现各个天线振子相位和功率的自适应调整,多天线的动态组合可以显著提高 MIMO 系统的空间分辨率,从而让能量较小的波束集中在一块小型区域,将信号强度集中于特定方向和特定用户,提高覆盖范围,提升信号质量(降低干扰)。同时,5G 的大阵列天线不但可以用于对单一用户进行动态跟踪,还可以在同一频率上同时传输几十条信号,同时可以对用户进行实时跟踪,信号增益方向跟随用户移动,可以用于对高层建筑不同楼层进行覆盖。

 
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