促进 5G 移动网络的发展

2016年 5月 18日

请设想一下“理想”中的无线网络:每当拿起通讯设备时,都可以获得极佳的网络信号品质和超高的数据下载速度,无论我们身在何处,都可以与世界上任何一个位置紧密地联系在一起。这样一个理想的无线网络,最重要的是一定要可靠——不会造成通话中断、信息无法送达及网页打开延迟。为了满足 5G 这一理想网络的特殊性能要求,工程师们正在考虑通过特定的射频设计,将这种技术变成现实。

理想的无线网络:5G及未来

5G 无线网络预计在 2020 年可实现使用,它将超越 4G LTE、4G、3G、及以前的所有网络。每十年都会诞生新一代的无线网络,并在其后的四年之内被推向市场。目前,我们需要持续开发相应的技术让 5G 可供消费者使用。理想的无线网络正在不断完善中,这些用来描述 5G 的预期进展同样适用于未来更新的无线网络技术。

您可能会在一天之内会多次使用您的智能手机。皮尤研究中心 (Pew Research Center) 的最新调查数据显示,64% 的美国人拥有某种类型的智能手机,其中大约三分之二的智能手机用户会使用手机上网。事实上,数据进一步表明,年轻的智能设备用户使用手机发送手机短信和访问互联网的次数,比接打电话这种传统使用方式更加频繁。在 2015 年 4 月发布的一项调查中,18~29 岁的用户中有 97% 曾使用手机上网,而 93% 的用户使用手机打过电话。调查结果标志着手机的主要用途发生了转变,这一现象激发了对可承载更多数据量且不会造成拥堵的移动通信高速公路的迫切需求。

移动通信行业的领导者们认同了一系列使 5G 网络符合新一代移动通信的特殊要求。如上所述,移动数据的高使用率推动了对无延迟的超高下载速度的需求。您可能认为目前的下载速度已经非常快了,但对 5G 无线网络来说,下载过程必须接近于瞬间内完成。由于数据需求量的增长,也应当使 5G 信号通信量最小化,以缓解移动用户数量持续增长的沉重负担。此外,理想的无线网络应随时随地提供可靠的服务。这意味着您可以在偏远地区或无人区享受到快速流畅的服务,而并不仅限于城市和近郊,这便是与 4G 和 4G LTE 的不同之处。

5G 兼容设备本身的成本及能耗相对较低,这样就可以使电池使用时间较当前设备大幅延长。您给手机充电的方式可能也会发生改变。一些智能手机已经实现了无需电源线进行充电的功能——电源被安置在基座上,通过电磁感应原理实现基座与手机之间的无线能量传输。人们正在探索更多先进的充电方式,例如远距离无线电力传输。在这种情况下,电源基座可以在特定距离内通过小信号的传输对设备进行充电。您无需再将手机插入墙内,甚至无需将它插到充电板上。取而代之的是,您可以在口袋里快速对手机进行充电。某些 5G 技术就集成了这些优势。

无线充电站对移动设备进行充电的照片。
无线充电站可对移动设备进行充电。

5G 必须能促进已联网的物联网(IoT)设备之间的通信。据相关人士预测,到 2020 年,我们将实现 5G 技术,那时全世界将有 250 亿台已联网的设备。5G 需要有能力处理已联网的智能设备及全球众多手机用户在网络上形成的巨大数据流量。除了数据传输的问题,5G 也必须以足够快的速度分析来自物联网设备的数据,以便更好地服务消费者。

工程师在 5G 设计方面的考虑

一名致力于发展 5G 网络的工程师,需要考虑多方面的设计因素。COMSOL Multiphysics® 软件的射频功能可以对这种新兴技术进行阐释。

提高网络频谱

目前,我们的无线网络无法处理我们下载的数据量——至少无法以理想的速度进行下载。为了达到 5G 要求的数据下载速度,无线网络需要在更宽的频率范围内工作。目前的无线网络频谱约为 1 GHz 到 3 GHz。5G 的最低工作频谱不仅要达到 6 GHz 以上,还必须能够处理高达 100 GHz 的跨度。

对于 5G 来说,移动通信网络的工作频率需要在 30 GHz 左右,这意味着此范围是 5G 的主要工作频率。高达 100 GHz 的频率需求应对的是更大的冗余需求,例如在一些密集区域,往往需要额外容量的系统以及更大的带宽。如果您曾尝试在音乐会或观看体育赛事时与现场的数千人一起同时使用手机访问互联网,就会认识到这一需求的重要性。这样的补充频率范围有助于应对遭受自然灾害地区激增的网络使用率,因为灾后会有很多人尝试与他们关心的人进行联系以互道平安;同时,5G 还能为更多之前从未有过良好移动网络服务的偏远地区提供额外的“推送”服务。

双工器,5G 移动系统中使用的组件之一,有助于改善这一问题。为达到移动网络所需的较宽范围,双工器被设计为可将信号分成两个不同的频率范围。在双工器中,低频被用来“听”(接收)信号,而高频用来“说”(发送)信号。利用仿真这一简单方式对双工器设计的不同迭代进行测试,可帮助确定其最佳设置。我们可以通过仿真方法计算出波导双工器的 S-参数和电场,然后对其进行研究,进而验证我们的设计在 5G 移动网络下是否运行良好。

波导双工器在 28 GHz 下的仿真图。
波导双工器在 30.4 GHz 下的仿真图。

模拟波导双工器。

在如上图所示的 WR-28 波导双工器模型(用于 Ka 波段应用)中,下部和上部的带通分别被设置为 28 GHz(左图)和 30.4 GHz(右图)。仿真结果表明每个带通的输入功率未与其他带通进行耦合,彼此独立分布。

开发能提供更高频率的天线

另一种实现 5G 技术发展的方法就是在新的移动设备中增加天线增益。这虽不会增加手机信号的大小,但可以增大手机与信号塔之间的信号传输距离。如果回想过去使用的原始手机,您需要拉出天线才能拨打电话,这种设备的电路就充当了四分之一长度的单极天线。这些天线在所有方位的增益相同,意味着在 H-平面内电磁波传播具有各向同性,因此信号同样均匀地向各个方向传播,这使得用户无论位于任何方位,信号都能更加可靠地到达信号塔。

 PIFA 天线的远场辐射模式图。
移动设备中的平面倒置型 F 天线(planar inverted-F antenna,简称 PIFA)的三维远场辐射模式。

随着手机在功能和设计上的不断发展,天线尺寸逐渐趋于小型化并被植入到机身内部,因而使理想的各向同性辐射模式发生了变形。随着 3G、4G 和 4G LTE 的发展,移动通信技术不断进步,手机开始使用小型化的多频天线替代四分之一长度的单极天线。

目前一个在通信中众所周知的问题就是,在某些区域使用手机时会出现时断时续或掉线的情况。在某些情况下,当您分别站在同一个房间的不同位置时,无线网络的信号就会产生差异。我的同事 Jiyoun Munn 参与了射频模块的开发,他解释了这种情况经常发生的原因:“当您通过手机进行通话时,通常并不明确与您手机进行信号传输的信号塔位于何方。同时,信号在室内传播时的多径衰减效应也加剧了这种情况。”

5G 网络要求更高的频率。正如 Jiyoun 所言:“由于较高频率在空气中的衰减比电磁波传播更加严重,所有需要增加天线增益以到达更远的传输距离。天线增益越高意味着辐射模式的方向性越强。因此,天线的可见性或覆盖角将会非常小。”正因为如此,手机只能在非常有限的范围内与基站相连接。

四分之一长度的单级天线与相控阵天线在 5G 网络应用中的对比图。
四分之一长度的单极天线(上图)的传播具有各向同性,工作频率较低;而相控阵天线(下图)使用更大增益对信号塔发出的信号进行扫描,其工作频率较高。

改进相位进展技术

为了克服高增益天线覆盖角的缺陷,可以使用有源电子扫描阵列(active electronically scanned array,简称 AESA,也被称为相控阵),它可通过控制相关的相位及对输入信号进行分级来形成辐射模式,同时引导天线阵列发出的波束。“位于天线阵列中的每个天线单元的算术相位级数可改变最大辐射方向。”Jiyoun 说道,“最大辐射方向垂直于等相平面,因此辐射模式与和相位有关的较快的天线单元的方向相倾斜。”这是相控阵的基本思想,可以引导波束射向所需方向。

COMSOL Multiphysics 中单级天线阵列的远场辐射模式图。
单极天线阵列的远场辐射模式。

相控阵天线是可应用于 5G 技术的最佳天线,它可被用来创建微带贴片天线,贴片天线是由一簇普通天线制作而成的。通过对每个阵列单元的相位级数及权重因数加以利用,便可以优化 5G 网络的覆盖角和增益。借助仿真,我们可以评估相控阵天线的 5G 设计性能。计算机仿真简化了远场辐射模式的计算,并可对各种输入参数进行全面远场分析。

8x8 相控阵天线的仿真结果图。
“8×8”相控阵天线的仿真结果。

缝耦合微带贴片天线阵列合成器演示 App 拥有简明的用户界面,可以用来快速测试 5G 天线设计的开发脚本是否合理。即使是在偏远地区,也可以通过使用网页浏览器打开和运行 App。“借助此仿真 App,”Jiyoun 说,“设计工程师可以核对天线的渐近解,他们还可以和团队里的其他同事共享这个 App,以便合作创建出性能最佳的设备。”由于这一仿真 App 界面直观,且专为特定用途而设计,这使得您可在 90 秒内对自己设计的天线进行测试和重新测试,而不需要花费两天时间进行完整的计算机仿真。开发仿真 App 是进行此类分析的一种有效且简单的方法。

缝耦合微带贴片天线阵列合成器演示 App 的用户界面。
“缝耦合微带贴片天线阵列合成器”仿真 App。

5G 技术带来的重大影响

随着 5G 时代的到来,我们将会发现我们的房间变成了一个以技术为基础的小社会。物联网,还有如万联网(Internet of Everything)和工业互联网(Industrial Internet)的其他别称,这些称谓都是用于描述智能设备和信息共享的新时代的术语。物联网的普及是因为几乎每个行业都能以某种形式受益于物联网技术。

家庭自动化和可穿戴设备(例如健康追踪设备和智能手表)就是物联网技术的流行应用,它们可用于追踪用户的活动和身体数据,并在与智能手机上的 App 相连接后对这些数据进行分析,进而转化为对用户在家庭或日常生活中有用的信息。随着 5G 网络的不断发展,更多物联网技术的新颖应用将成为现实。在医疗保健行业,物联网设备可基于患者的统计数据及活动情况自动分配药品和进行监测。在媒体领域,智能设备可追踪用户的娱乐和购物偏好,以自动推荐相关产品信息。

一种常见的物联网设备:健康追踪手环的照片。
健康追踪手环,消费者使用物联网技术的一个例子。

这些智能设备可对体温、步数、环境状况及其他各种因素进行收集和分析,对设备的整体系统的进一步分析提供有用信息。物联网系统在获取分析信息后,“告诉”单个或多个智能对象用这些信息来做些什么(例如打开或关闭设备、发送信息、分散药物等)以完成整个周期。

通过对此类智能设备之间的射频干扰的研究,我们可以创建性能最佳的物联网。大力促进 5G 网络的发展,我们就可以对智能设备之间的通信进行优化,使其更为高效,并且可以突破物联网中的不同应用间的通信限制。借助改进的 5G 网络,物联网将会发挥最大潜能,并可在几年内使其在全球范围内成为现实。

关于优化 5G 网络的射频设计思路的总结

离 5G 网络时代的来临只有几年时间了。借助射频应用(例如天线增益、频率范围及更详尽的波束级数),我们可以确定,到 2020 年所有人都可以使用到 5G 技术。借助计算机仿真和仿真 App 的力量,我们可以确信我们有能力创造一个拥有超高传输速度和超可靠信号的全球通信的新时代。从现在开始大力发展 5G 技术吧——让我们的世界连接得更加紧密!

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