Обновление радиочастотной антенны Базовой станции 5G: Как масштабная Технология MIMO меняет покрытие Коммуникационной Сети

В истории развития технологий мобильной связи каждое поколение технологических усовершенствований сопровождалось значительным повышением производительности сети, а появление технологии 5G даже привело к радикальным изменениям. Сети 5G предназначены для удовлетворения разнообразных потребностей, таких как сверхвысокая скорость передачи данных, сверхнизкая задержка и массовое подключение устройств. Достижение этих целей зависит от ряда ключевых технологий, среди которых технология Massive MIMO (Massive Multiple-Input Multiple-Output) играет ключевую роль в модернизации радиочастотных антенн базовых станций 5G, беспрецедентно изменяя покрытие сети связи.

В традиционных сетях связи антенны базовых станций обычно используют технологии с одним входом и одним выходом (SISO) или с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO). Системы SISO используют только одну передающую антенну и одну приемную антенну, что приводит к ограниченной пропускной способности передачи данных, что затрудняет удовлетворение растущих потребностей в связи. Возьмем в качестве примера первые сети 2G. При использовании технологии SISO скорость передачи данных по сети может достигать лишь десятков Кбит/с, что не позволяет поддерживать быструю передачу данных большого объема, таких как изображения и видео высокой четкости. С другой стороны, технология MIMO, оснащенная несколькими антеннами как на базовой станции, так и на терминале, а также использующая технологии пространственного мультиплексирования и разнесения, значительно повышает пропускную способность и надежность системы без увеличения ресурсов спектра. Например, в сетях 4G распространенные технологии 2×2 MIMO или 4×4 MIMO увеличили скорость передачи данных по сети до уровня ста мегабит, что значительно улучшило работу пользователей в режиме онлайн. Однако с быстрым развитием мобильного интернета спрос пользователей на трафик данных вырос в геометрической прогрессии, и производительность традиционной технологии MIMO постепенно приблизилась к пределу, не позволяющему удовлетворить жесткие требования сетей 5G. Статистика показывает, что в таких сценариях, как проведение крупных мероприятий или плотная городская застройка, сети 4G часто страдают от перегрузки и снижения скорости, что затрудняет одновременную поддержку большого числа пользователей в приложениях с высокими требованиями к пропускной способности, таких как воспроизведение видео высокой четкости и онлайн-игры.

В результате дальнейшего развития технологии MIMO, технология Massive MIMO значительно увеличила количество антенн базовых станций, увеличившись с нескольких десятков антенн в традиционном MIMO до сотен или даже тысяч антенн. Это значительное увеличение числа антенн дает множество технических преимуществ, тем самым изменяя зону покрытия сетей связи. В принципе, Massive MIMO использует пространственную независимость каналов. Оснащая базовую станцию большим количеством антенн, она может поддерживать связь с несколькими пользователями одновременно, обеспечивая пространственное мультиплексирование. В традиционных системах связи из-за ограниченного количества антенн данные могут передаваться только нескольким пользователям одновременно. Однако массивные системы MIMO за счет увеличения количества антенн могут поддерживать большее число пользователей на одних и тех же частотно-временных ресурсах, что значительно повышает пропускную способность системы и эффективность использования спектра. Теоретические исследования показали, что когда число антенн базовых станций стремится к бесконечности, эффективность использования спектра и энергоэффективность массивных систем MIMO значительно повышаются.

Что касается покрытия сети, технология Massive MIMO значительно расширила диапазон покрытия и качество сигналов благодаря технологии формирования луча. Формирование луча относится к взвешиванию сигналов, передаваемых антеннами базовой станции, в соответствии с информацией о состоянии канала, так что энергия сигнала концентрируется в определенном направлении для формирования луча. В массивных системах MIMO, благодаря большому количеству антенн, может быть достигнуто более точное управление лучом, что позволяет точно направлять энергию сигнала к целевым пользователям, уменьшать потери сигнала в других направлениях и, таким образом, улучшать дальность покрытия и мощность сигналов. Технология формирования луча Massive MIMO, особенно в сложных городских условиях, где здания блокируют и отражают сигналы, что приводит к их затуханию и возникновению помех, может эффективно решить эти проблемы, гарантируя пользователям стабильную и высокоскоростную связь в различных сценариях.

Кроме того, технология Massive MIMO также может повысить надежность систем связи с помощью технологии разнесения. Технология разнесения означает передачу одной и той же информации по нескольким независимым каналам для уменьшения влияния замирания канала на передачу сигнала. В массивных системах MIMO из-за большого количества антенн для повышения надежности передачи сигнала могут использоваться различные методы разнесения, такие как пространственное разнесение, временное разнесение и частотное разнесение. Когда на определенный канал влияют замирания или помехи, другие каналы по-прежнему могут нормально передавать сигналы, обеспечивая непрерывность и стабильность связи. Такая высокая надежность особенно важна для приложений 5G с высокими требованиями к качеству связи, таких как автономное вождение и телемедицина. В сценарии автономного вождения транспортные средства должны взаимодействовать с облаком и окружающими транспортными средствами в режиме реального времени с большим объемом данных, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к надежности сети и низкой задержке. Технология Massive MIMO позволяет эффективно снизить частоту битовых ошибок при передаче сигнала с помощью технологии разнесения, обеспечить точную и своевременную передачу команд управления транспортным средством и гарантировать безопасность вождения. В телемедицине, когда врачи проводят удаленную диагностику и хирургические операции с пациентами с помощью видеозаписей высокой четкости, стабильная и надежная сеть, обеспечиваемая технологией Massive MIMO, может обеспечить бесперебойную передачу видеоизображений, избегая диагностических ошибок или хирургических рисков, вызванных неполадками в сети.

С точки зрения реального развертывания, применение технологии Massive MIMO при модернизации радиочастотных антенн базовых станций 5G также сопряжено со многими трудностями. Во-первых, использование большого количества антенн приведет к увеличению стоимости оборудования и энергопотребления базовой станции. Каждая антенна должна быть оснащена соответствующим радиочастотным интерфейсным оборудованием, включая усилители мощности, малошумящие усилители, фильтры и т.д. С увеличением количества антенн количество этих устройств также значительно возрастет, что приведет к значительному удорожанию оборудования базовой станции. В то же время, эксплуатация большого количества антенн будет потреблять больше электроэнергии, увеличивая эксплуатационные расходы операторов. Во-вторых, из-за большого количества антенн среда канала становится более сложной, что затрудняет точную оценку информации о состоянии канала, что требует более совершенных алгоритмов и технологий. Кроме того, обработка сигналов, передаваемых и принимаемых большим количеством антенн, требует больших вычислительных мощностей, что предъявляет более высокие требования к блоку обработки сигналов базовой станции.

Для решения этих задач исследователи и предприятия связи прилагают значительные усилия в области технологических исследований и разработок, а также оптимизации оборудования. Что касается аппаратного обеспечения, то благодаря внедрению новых материалов и интеграционных технологий стоимость и энергопотребление антенн и радиочастотного интерфейсного оборудования постоянно снижаются. Например, использование для связи диапазона частот миллиметрового диапазона, который обладает богатыми спектральными ресурсами и может удовлетворить потребности сетей 5G в высокоскоростной передаче данных. В то же время антенны миллиметрового диапазона имеют небольшие размеры, что удобно для интеграции большого количества антенн на базовой станции. В настоящее время некоторые производители разработали массивные антенные решетки MIMO на миллиметровых волнах, которые эффективно уменьшают объем и стоимость устройства за счет высокоинтегрированной конструкции. Что касается обработки сигналов, то алгоритмы оценки канала и обнаружения сигнала постоянно изучаются и совершенствуются для повышения точности и эффективности алгоритмов. Например, использование технологий искусственного интеллекта, таких как глубокое обучение, для прогнозирования и оценки информации о состоянии канала, повышает точность и скорость оценки канала.

По мере постоянного развития и зрелости технологий применение технологии Massive MIMO в сетях 5G будет становиться все более широким и углубленным. В будущем технология Massive MIMO будет применяться не только на базовых станциях macro, но и на небольших базовых станциях, таких как базовые станции micro и базовые станции pico, что еще больше оптимизирует покрытие и пропускную способность сети. В то же время технология Massive MIMO также будет объединена с другими ключевыми технологиями 5G, такими как связь на миллиметровых волнах и сегментация сети, для предоставления пользователям более качественных и разнообразных услуг связи. В исследованиях технологии 6G технология Massive MIMO будет по-прежнему играть важную роль, способствуя достижению более высоких показателей производительности и закладывая прочную основу для развития сетей связи будущего.