天线评估方法可以帮助提高5G网络容量并降低成本

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员已经开发出一种方法,用于评估和选择未来第五代(5G)手机,其他无线设备和基站的最佳天线设计。

新的NIST方法可以提高5G无线网络容量并降低成本。

5G系统将通过使用更高的毫米波频带来避免拥挤的传统无线信道。这些频率的传输在此过程中会损失大量能量,从而削弱接收信号强度。一种解决方案是“智能”天线,它可以形成异常窄的光束 - 在空间中传输或接收信号的区域 - 并迅速将它们引导到不同的方向。

天线波束宽度会影响无线系统的设计和性能。NIST基于测量的新方法允许系统设计人员和工程师为真实环境评估最合适的天线波束宽度。

“我们的新方法可以通过初始网络设计取得更大成功来降低成本,消除现在所需的大部分试验和错误,”NIST工程师凯特雷姆利说。“该方法还将促进新基站的使用,这些新基站可以同时或快速连续地向多个用户传输,而不会有一个天线波束干扰另一个用户。这反过来会增加网络容量并降低成本,同时提高可靠性。”

这是第一个详细的基于测量的研究,研究天线波束宽度和方向如何与环境相互作用以影响毫米波信号传输。在该技术中,覆盖宽范围天线波束角度的NIST测量被转换成全方位覆盖所有角度的全向天线方向图。然后可以将全向模式分割成更窄和更窄的波束宽度。用户可以评估和模拟天线波束特性如何在特定类型的无线信道中执行。

工程师可以使用该方法选择最适合特定应用的天线。例如,工程师可以选择足够窄的波束宽度以避免某些表面的反射或者允许多个天线在给定环境中共存而没有干扰。

为了开发新方法,NIST团队使用装有定制声道测深仪和其他设备的特殊机器人在NIST研究大楼的走廊和大厅收集实验数据。通道发声器收集捕获发射器和接收器之间发生的信号反射,衍射和散射的数据。许多这样的测量可用于创建无线电信道的统计表示,以支持可靠的系统设计和标准化。

NIST研究结果证实,窄波束可以显着减少信号干扰和延迟,并且优化的波束方向可以减少传输过程中的能量损失。例如,当天线波束宽度从全向(360度)减小到3度左右时,信号反射到达的时间间隔(称为RMS延迟扩展的度量)从15纳秒(ns)急剧下降到大约1.4 ns。称为铅笔束。

未来的研究将包括将该方法扩展到不同的环境和分析其他无线信道特征。