5G 技術為天線設計帶來挑戰

作者 | 發布日期 2018 年 10 月 23 日 9:00 | 分類 網路 , 網通設備 follow us in feedly

5G 技術將提供相較於 4G 網路 1,000 倍數據傳輸,其中國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU)已公布對 5G 網路所需傳輸速率、延遲和可靠性的衡量要求,並積極提高能源效率,但針對此尚未有可衡量目標。



由於 5G 系統比 4G(LTE)系統輸送量大,需透過多重輸入多重輸出(MIMO)技術為基礎,在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線,使訊號透過發射端與接收端的多天線傳送和接收,即提升資料傳輸天線埠,進而改善通訊品質,獲得更大通道自由度(除頻域和時域外,增加空域自由度,提高系統通道容量),使網路中潛在空間複用(Spatial Multiplexing)效益最大化,以改善頻譜效率、傳輸可靠性與能量效率。

5G 技術特色為高頻通訊、Massive MIMO、載波聚合等,當中要求射頻部分需硬體支援,5G 天線發展從被動式(Passive)到主動式(Active),並與射頻單元整合,從原先天線+射頻單元的遠端射頻單元(Remote Radio Unit,RRU),變成主動天線單元(Active Antenna Unit,AAU),由於整體程度提升,這對行動終端來說將帶來新的硬體設計挑戰。

基地台天線朝小型化、一體化演進

基地台天線不斷演進,從過去全向天線、定向單極化天線、定向雙極化天線、電調單極化天線、電調雙極化天線、雙頻電調雙極化到目前多頻雙極化天線,當行動通訊使用者數目不斷增加,現有頻譜資源日益缺乏,因此進一步要求基地台天線能實現多頻整合功能,隨著 5G 技術發展,基地台天線將朝小型化、一體化(整合天線和濾波器)方向演進。

2017 年在基地台天線市場發展,全球前五大天線廠商即占據 80% 市占率,其中華為達 30.5%、Kathrein 達 21.5%、Commscope 達 15.5%、Amphenol 達 7.5%、RFS 達 5%。

▲ 2017~2018 年全球基地台天線市占率預估。(Source:拓墣產業研究院,2018.10)

Massive MIMO 為 5G 提高系統容量和頻譜利用率之關鍵技術

隨著大規模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)發展,此技術涉及每個基地台使用更多天線陣列,使得每個基地台有更多硬體組件。5G 與 4G 相比,將增加 5G 基地台總能耗,不過在大規模 MIMO 技術逐漸成熟下,其能效亦可能隨時間推移而提升;換言之,設備可在同時間和頻率為更多用戶提供服務,此種能力稱為空間複用。

此外,5G 天線複雜度大幅提升,目前 4G 網路普遍採用 2~8 通道天線(FDD [Frequency Division Duplex]制式多為 2 / 4 通道,TDD[Time Division Duplex]制式多為 8 通道),一般為 10~40 個天線振子;相較於 4G 技術,5G 基地台天線需求將大幅提升,隨著全面採用 Massive MIMO 後,天線振子數量將達 64 個、128 個甚至 256 個,透過不同維度(時域、空域、頻域、極化域等)提升頻譜和能量利用效率。

5G 網路基本組成包括大規模 MIMO 天線興起與 Small Cell 數量提升。根據 Small Cell Forum 預估,2024 年 5G Small Cell 將超過 4G Small Cell,其中 2025 年 5G 和多模(Multi-Mode)Small Cell 總安裝量預計達 1,310 萬台,占總體 Small Cell 台數三分之一。

(首圖來源:shutterstock)