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无线电通讯技术从1895年义大利科学家马可尼向大洋彼岸拍出第一封无线电报以来,已经走过了120多个年头,在社会生活、航太、军事等领域发挥了无可替代的作用。而与普通人贴近的行动通讯,则给我们的生活与工作带来了极大的便利,如今的人类完全无法想像没有网路的生活会是什么样子。 

在行动通讯网路中,整个系统最前端关键的部分——天线,也从未停下升级的脚步。天线承载着通讯系统收发讯号的重要作用,所有通讯资料都需要透过天线来进行传输,因此天线性能的好坏直接影响着整个无线通讯系统的性能。天线的发展也从最初的全向天线、单频单通道,到现在的多频多通道、巨量天线技术等。 

随着资讯化、数位化、大数据的不断进展,天线技术的发展也有了更高的要求,通讯系统不断向更高的频段,更大的频宽进行发展。为了应对逐渐复杂的场景变化,像是大楼内讯号差情形,广域的高通讯品质需求等,巨量天线技术(Massive MIMO)的需求不断叠加。很多读者可能不太了解巨量天线技术是什么,它给产业带来了什么价值,和5G又有什么关系,以及未来会有什么趋势变化。我们今天就就著这些话题一起探讨一下。 

Massive MIMO技术价值几何?

在讨论巨量天线技术以及带给产业的价值前,先来简单介绍下巨量天线技术(Massive MIMO)的含义。在基地台中采用大规模的天线阵列被称为Massive MIMO,为了便于理解,我们从区分传统设备的角度来剖析,巨量天线技术主要有两个关键的变化: 

  1. 天线数列的变化。与传统设备的2天线、4天线、8天线相比,采用Massive MIMO技术的通道数可达32或者64,天线阵子数可做到192、512甚至更高,其增益大大超越传统设备。 
  2. 讯号覆蓋的维度方面。从之前只能水平方向的移动,转变为水平方向和垂直空域的移动,讯号的辐射呈电磁波束。 

Massive MIMO这个技术的功能主要是用来提升网路覆蓋、使用者体验、系统容量的作用,目前该技术在无线通讯领域已经得到了广泛的应用,像是4G时代人们日常生活中主要用的通讯网路和Wi-Fi热点。从理论上来看天线的数量对通讯系统的频率效率,传输速率,可靠性都有直接的影响。为了确保通讯服务品质,通讯基地台会配备了大量的天线,用于提高通讯频谱的效率。而采用Massive MIMO技术可以使通讯波数集中在规划的范围内,有效避免讯号在不同区域之间的干扰问题,降低通讯的传输功率。从应用场景的角度来描述的话,巨量天线技术的价值主要包括: 

  1. 在城区覆蓋的场景中,像是在城市环境中的办公楼,使用者在空间上立体分布,人员密集但是分布比较分散。传统设备因为墙体的损耗,网路的覆蓋相对比较差,巨量天线技术可以在这类场景中满足高品质的资料传输需求,极大地提升了城市使用者的行动网路体验。 
  2. 局部热点方面,主要针对的是大型赛事、演唱会、商场、露天 *** 、交通枢纽等使用者密度高的区域。这些地方干扰多、地形复杂,人员流动分散,整体的传输资料量大,巨量天线技术可以为其提供高品质资料传输的服务,带给使用者飙网的 *** 。 
  3. 郊区覆蓋与无线回传的场景中,郊区覆蓋主要解决偏远地区的无线传输问题,无线回传主要解决基地台之间的资料传输问题,特别是Macro site与Small Cell之间的资料传输问题。 

大规模的天线技术应用提高了网路覆蓋能力和通讯系统的能力,也可以帮助通讯电信商充分利用现有的基地台位址和频谱资源,这为5G通讯系统的开发和实现提供了巨大的资源便利,也深刻影响了基地台天线行业的发展趋势。 

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5G带来逐渐提升的竞争力

5G网路建设正在如火如荼地进行中,我们可以看到5G的应用已经深入到万千行业中,像是工业制造、医疗领域、矿产能源等,5G为行业带来了效率和成本的改造,在这些产业不断深入发展趋势的背景下,也深刻影响了基站天线产业的发展。我们知道5G最大的核心特征是广连接、低延迟、大频宽,而大频宽的能力与Massive MIMO的多通道能力完美地契合成为5G特性的放大器。 

我们知道在4G时代多天线技术就被引入,最大的改变就是提高了社区峰值速率和社区边缘覆蓋性能。到了5G时代,随着部署频段的升级,多天线技术的规模进一步扩大,Massive MIMO为使用者带来了更好的立体网路覆蓋性能和效率体验。像是在捷运的场景中,Massive MIMO技术也能有效解决了室内5G小区间的干扰问题,使用者的网路速率提升40%以上,这个场景的成果也可以复制到商超、餐饮店、体育场等场景中,为使用者和产业带来多场景5G升级的Gigabit体验。 

5G时代,也需要把多天线的技术带入到网路通讯的各个频段中,在这些各类频段中去释放大频宽的能力与体验。在产业的实践中,5G Massive MIMO设备的基地台尺寸有新的革新,变得更加小巧,降低了5G网路的更新部署成本并且带来了相对4G十倍的体验升级。 

在室外场景中,我们知道城市化的建设中,有很多人流密集的地方,像是景区、交通枢纽等,这类地方的特点是在一些时间点会有成百上千的人同时驻留集中,进而在某一个区域产生巨大的资料量。在这类的场景中无线环境比较复杂,人的流动比较大,透过更加密集化的网路设施以及5G Massive MIMO部署方式,可以解决网路容量集中且大的需求。 

Massive MIMO在这些场景中的实践应用,我们可以发现其不断提升的产业竞争力。在实际的落地应用中,不仅仅带来了5G价值的升级,也为一些5GtoB的业务探明了方向。而在未来Massive MIMO也会持续地升级反复运算,不仅仅是天线规模的增加,也会向创新的天线阵列实现方式、创新的部署形式、创新的应用等发展。朝着超大规模天线进一步演进升级,提供更高的频谱效率、能量效率以及更多的创新应用。 

深入未来的数智空间

对于无线通讯领域来说,未来主要的发展基调是向着频宽和速率更快、更强的方向发展。Massive MIMO在这个发展的基调上,技术层面也会向着超大规模的方向迈进,同时在低碳环保的数位经济发展的趋势下,深入绿色环保、低碳节能的方向,具体而言包含以下三个方向: 

  1. 不断满足后5G、6G时代新场景与新应用的需求。超巨量天线技术的提出是基于未来数位时代新场景与应用的需求,随着天线数量与晶片整合度的不断提升,透过部署超大规模的天线阵列,应用新的材料与工具,通讯的频谱效率与网路覆蓋都可以得到极大的升级,向着更广泛、更灵活、更高的精度与能耗效率等方向提升。举例来说,Massive MIMO具备在三度空间内进行波束调整的能力,超大规模的天线技术还可以提供非地面覆蓋的服务,像是无人机、客机、地轨卫星等的通讯服务。从使用者的角度来看,分散式的超大规模天线也可以提供更高的空间解析度,什么意思呢?就是未来网路的传输方式也有可能向着由网路中心转变为以使用者为中心的方式发展,精准地覆蓋个体使用者网路的需求。
  2. 智慧化方向的演进。随着人工智慧和机器学习的不断进化和深入发展,整个通讯网路的进化也将向着支援自动配置、自动部署、自动优化等网路智慧化的方向演进。而潜在的一些新的应用场景将出现,集中式和分散式超大规模天线灵活部署,将进一步满足资讯应用的需求,为新的应用提供更好的覆蓋和连线性能。尤其是在应急通讯场景中,超大规模天线在空地一体化场景的应用与卫星通讯的结合业务中,为使用者提供无处不在的连结。
  3. 低碳绿色的发展。绿色Massive MIMO需要在网站、功率多方面进行突破式创新。Massive MIMO的技术需要向在更窄的业务通道演进,进而降低基地台的发射功率,进而降低基地台的能耗。而面向基地台的建设成本,需要技术的反复运算推动覆蓋范围的最大化,使其发射功率和覆蓋范围能够达到最低功耗的配置。与此同时也需要确保电信商效益与使用者体验的升级。这种多赢的局面需要产业和技术的不断打磨升级,无线通讯产业的价值进化任重道远。 

超巨量天线技术的发展,给未来的数位世界带来很多的想像空间,可能在未来,我们在城市空间的任何角落中都能流畅无阻碍进入数位世界,视讯会议、大型游戏、影片内容的下载,甚至是元宇宙数位世界的遨游都不再被密集的人群和高资料的网路需求限制。 

通讯产业的终极形态到底是什么样子?超巨量天线技术的产业形态会长成什么模样?我们能够预测窥探到的也只是一小部分。从3G到4G时代的跨越将近用了6年的时间,现在正在由4G 向5G跨越中,这些年通讯能力、网路速率的不断升级改造带给我们数位生活极大地变化。从资讯内容的角度来看,从刚开始文字的盛行到图片再到影片的极度发展,我们获取资讯的效率和内容的呈现形式都发生了颠覆的改变。而未来在超巨量天线技术赋能的6G时代,数位世界将会如何变化,能写出来的也只是冰山一角,更大的产业潜能如何释放,想像力实在是有限,空白的大脑只剩下对未来的期待。

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