5G波束形成天线设计中的问题

随着5G网络越来越接近现实，一个更棘手的问题也将是一个最小的问题。波束形成和大规模MIMO天线还没有解决几个问题，这将使毫米波(mmWave)频谱-一个关键的组成部分5克网络——在多个设备和基站位置上工作。

毫米波是有问题的，但有希望。在30 Ghz和300 Ghz频段之间，毫米波承诺以高达10 Gbps的速度进行高带宽点对点通信。但信号很容易被雨水阻挡或被氧气吸收，这也是为什么它只能在短距离内工作的原因之一。波束形成是一种利用毫米波频谱的方法，通过直接将波束对准在基站视线内的设备。但这意味着设备中的天线和网络基础设施上的基站必须设计得能够处理在有大量障碍物的拥挤蜂窝环境中将波束瞄准目标的复杂性。

来源:有限元分析软件．蜂窝基站的28 GHz天线

越来越明显的是，让高速、低延迟的5G网络工作的大部分责任将落在这些过度活跃的天线身上。但它们的作用如此复杂，以至于很少有设计师或评估人员确信他们知道天线应该做什么，更不用说如何验证结果了。事实上，很少有设计师确信他们知道天线的位置或如何设计，更少人知道如何判断天线是否正常工作。

“5G MIMO天线很难测试，因为它从未停止变化，”该公司产品管理总监拉里·威廉姆斯(Larry Williams)说有限元分析软件．“它们不能像传统天线那样向各个方向广播，这样其他东西就可以与它们连接。5G版没有广播。它将信标指向一个物体，并同时与3,8,10 - 1,000个物体建立单独的连接。”

这使得测试变得更加困难，因为一切都在运动中。“你不能把他们放在一个有屏蔽的房间里，从远处测试连接，因为它会不断地自我调整，”威廉姆斯说。“如果一个物体以0度角距离我们10英尺远，现在是30度角，那么性能在0度角时就会下降，在30度角时就会提高。它连接所有东西的方式与4G完全不同。它在不断变化，所以你也必须以一种全新的方式来测试它。”

这只是这个复杂谜题的一部分。华为公司高级解决方案架构师迈克尔·汤普森说:“使用5G手机，你可以实现MIMO(多输入多输出)、载波聚合，基本上是按需带宽。节奏．“而且，如果你把手放在错误的地方，高频信号可能会被屏蔽——可能是手机上不同地方的两三个补丁——你必须观察哪些阵列会相互干扰，或者哪些光束。此外，你可能在手机的底部安装了收发器，在顶部安装了天线，你的信号必须通过这块柔性板传输。而且你必须尽量保持电源稳定，并让信号尽可能靠近天线来传输，即使弹性板上的阻抗可能会发生很大变化。运营商还希望在许多使用不同网络和频率的地方销售同样的设备。但是如果你在4G手机上有30个输出滤波器来处理不同的频率，那么在5G手机上你将有100个输出滤波器。所以即使没有其他变化，通道的数量也增加了3倍，这意味着测试时间大幅增加。”

评估问题的规模
波束形成和其他毫米波应用带来了测试挑战，因为工程师必须在主动波束形成环境中对设备和天线进行静态测试。在5G手机上，会有很多天线，这就为找出合适的性能测量技术带来了挑战。为了更好地进行空中测量，设计团队需要将无线电测试室设计得相当长，这样他们就可以知道毫米波信号实际上可以传播多远。此外，超短距离网络带来的变化需要芯片或系统设计的物理变化，而不仅仅是验证方法的不同，at工程副总裁Susheel Tadikonda说Synopsys对此的验证组。

塔迪康达说，高频/短距离问题可能会将5G蜂窝的宽度限制在不大于城市街道上杆子之间的距离，这给跟踪和维护所有这些连接的系统带来压力。

此外，5G对几乎为零的延迟有着非常高的优先级，这意味着需要更多地依赖于硅来进行复杂的处理，而较少地依赖于软件。

Tadikonda说:“这可能意味着你必须将波束形成和MIMOs的处理从软件中转移到物理层。”“以前，你可以在软件中做这样的事情，并将结果发送到链条上。但在这里，我们有一个紧密耦合的前端架构，要求非常低的延迟。波束形成需要两个东西——巨大的DSP和高度的互联性，以实现来自许多波束的数据组合。你必须把更多的智能放在前面来处理波束形成算法，这需要模拟和数字射频部分之间的紧密耦合。在5G中，你将不得不处理多根天线，并找出放置天线的位置，但这里确实有必要让PHY层变得更加复杂。”

其他问题
几乎无限种类的设备可能成为私有或公共5G网络的一部分，这将导致各种各样的设计问题，而这些问题又会因可能在某种程度上被视为5G的各种频率而加剧。

塔迪康达说:“另一个问题是，5G基本上让世界上所有的手机都过时了，所以很多人都想要一部。”“需求很高，很快你就会想，世界上是否有足够的测试设备来制造足够的平行线来测试所有东西，并及时推出，因为圣诞节即将到来，供应商希望销售1亿部手机，所以不要浪费时间。”

随着无处不在的传感器阵列产生的数据量的增加，这变得更加必要。其中一些数据需要大量处理，但并不是所有数据都能得到处理。“关键在于如何处理数据，以及如何汇总数据，”安利集团战略规划高级总监迈克•菲顿(Mike Fitton)表示Achronix．“如果你想象一下在飞机上飞行12个小时，将产生844tb的数据。其中一些数据可以用来减少燃油消耗和维护，但你在哪里处理这些数据呢?”

至少有一部分数据必须在云端处理，这就需要一个非常快速的连接。“5G可以做很多不同的事情，无论是自动驾驶中的V2X点对点、V2Cloud、V2V、v2infrastructure。当然，您希望尽可能多地在接近源的地方进行处理，但您总是在与电源作斗争。平衡点在哪里?它可能是一个聚合点，而不是云，但你需要强大的能力来处理所有这些数据。”

这就是为什么5G受到如此多的关注，在这种方案中，天线是主要挑战之一。频率所带来的挑战并不像在设备上放置天线的位置、需要多少天线或如何防止它们相互干扰的问题那么广泛。一切都必须经过调整，才能与5G硬件顺利集成，这可能涉及几家运营商、许多制造商，并可能反映出标准前、早期标准或最终标准的5G互操作性标准。

汤普森说:“可能有太多的条件需要测试，以至于你无法全部测试，这令人担忧。”“用不了多长时间就能实现在某些方面被称为5G的东西，或者你必须弄清楚如何将某些东西转移到制造业。这可能比从3G转向5G要复杂一个数量级，但与我交谈过的设计和制造领域的人都认为，有技术和方法可以让产品推出市场，所以5G产品很快就会推出。”

很多注意事项
然而，并非所有这些都完全令人惊讶。林利集团(The Linley Group)高级分析师迈克·德姆勒(Mike Demler)认为，毫米波网络并不是什么新鲜事物，必须开发出全新的解决方案。他说，点对点微波中继网络的描述提供了大量关于无线网络在频谱高端的好处或问题的见解。

美国联邦通信委员会(FCC)已经举行了“低”5G 60MHz频谱的许可证拍卖，并于1月25日完成了另一轮28GHz 5G毫米波频谱的拍卖。该机构将在3月份开始的24GHz毫米波拍卖结束后宣布获胜者，但它将在2019年晚些时候拍卖其他三个5G频率的许可证，分别是37GHz、39GHz和49GHz。

美国联邦通信委员会主席阿吉特·帕伊上个月表示:“我国首次高频段5G频谱拍卖的成功结束，是保持美国在5G领域领导地位的重要一步。”“联邦通信委员会将继续积极推动更多频谱进入商业市场。”

美国通信基础设施公司(Communication Infrastructure Corp.) 2008年的一项研究显示，FCC允许在未经许可的情况下使用某些频段，尤其是60GHz以下的频段，并以低成本发放了71至95GHz频段的微波网络连接许可证，这些频段的用户报告的数据速率高达10Gbit/sec。该公司还报告说，由于环境氧(能吸收60GHz范围内的电磁辐射)，这些连接性能下降，但降雨是一个更大的问题，使得60GHz链路在任何有大量降雨的地区都不可靠。

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