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铺平通向太比特无线通信的道路

Dr. John Howard, Rana Barsbai and Steve Jalil, Electromagnetic Technology Industries, Inc.

当今的无线技术

如今，数据已成为数字化生存的重要组成部分。对更快、更可靠、无处不在的连接的需求达到了前所未有的高度。美国拥有约144,000到145,000座无线基站，站在这场数字革命的最前沿。长期以来，这些基站一直是通信网络的支柱，为固定和移动通信提供便利。然而，现在美国联邦通信委员会提出了国家固定宽带标准，要求下载速度达到100Mbps，上传速度达到20Mbps。为了支持这一标准并继续满足无处不在的连接需求，必须提高数据吞吐率。提高无线通信数据吞吐率有多种方法，本节将介绍其中几种技术。

更多信道带宽

众所周知，随着信道带宽的增加，以比特/秒为单位的数据吞吐率也会增加。遗憾的是，带宽的增加也会增加噪声。在功率输出不变的情况下，噪声的增加会降低信噪比（SNR）。这反过来又降低了调制指数，从而降低了数据吞吐率。最终结果是降低了频谱效率，这意味着数据吞吐率的提高远远低于带宽的增加。噪声功率由公式1确定。

N=KTB                (1)

其中：N=噪声功率（W）；K=玻耳兹曼常数=1.381×10^-23W/Hz/K；T=290K（室温）；B=射频载波带宽（Hz）。

纳入毫米波

30至300GHz的频率被视为毫米波。在5G通信技术中，毫米波被用于在无线通信系统中提供高数据速率和低延迟。然而，毫米波信号在传播上存在局限性，它们更容易受到大气吸收和散射的影响¹，建筑物和树叶等障碍物也会干扰传播。为了弥补这些局限性，网络通常会使用更高的传输功率，这就带来了更多的噪声。在这些嘈杂的信道环境中，无论噪音是由大气吸收、散射、反射还是信号旁瓣干扰引起的，这些噪音都会影响数据吞吐率的提高。

此外，传输介质中的水介质^2,3造成的吸收和散射也会使传输辐射去极化。这种效应可能会严重限制系统性能，尤其是在使用两个正交极化作为独立通信信道的情况下。图1显示了射频信号的大气衰减图，以及在不同降雨率下衰减随频率变化的情况。这显示了在不同降雨条件下吸收和散射对射频信号的影响，毫米波频率范围内每千米损耗的大幅增加是显而易见的。

图1：射频信号大气衰减与频率的关系。

提高调制指数

较高的调制指数，如64-QAM、256-QAM或1024-QAM，可提高数据吞吐率，但这些调制指数需要较高的信噪比，才能从调制复杂度的增加中获得可观的收益。⁴ 表1举例说明了不同调制方案和编码率对信噪比的要求。除了射频信号在大气中的衰减外，还存在随距离而产生的传播损耗，这取决于发射/接收天线阵列的几何形状。这些损耗的作用是减少接收信号，同时增加干扰噪声、降低信噪比。这将降低系统的调制指数，降低数据吞吐率。

实施MU-MIMO

多用户多输入多输出（MU-MIMO）类似于对流层散射分集。这种技术允许不同的数据流并行传播。使用多数据流可提高数据吞吐率，但提高的速度取决于信道条件。

创建多个天线波束来传输多个数据流意味着每个波束只使用整个相控阵天线的一部分。⁵ 这就降低了通信链路每个波束的EIRP。天线增益的减少会降低信噪比，从而降低调制指数，降低数据吞吐率。这些努力很快就会产生收益递减。从概念上讲，MU-MIMO天线系统的多波束增益降低情况如图2所示。

图2：MU-MIMO系统中的增益降低。

解决方案

这四种提高数据吞吐率的方法目前都在使用。然而，每种方法都存在挑战。本节提供了一种可避免或尽量减少这些挑战的替代解决方案。前面的分析表明，尽管带宽的增加会提高吞吐率，但同时也会增加噪音。因此，为了保持链路的封闭性，调制指数会降低，这种降低的频谱效率部分抵消了较大带宽对数据吞吐率带来的好处。

正在开发的替代解决方案在扇区内保持相同的带宽，但在扇区内多次重复该带宽。带宽重复使用方案类似于增加带宽，但不会增加每个波束的噪声。其最终效果是提高数据吞吐率和频谱效率。图3显示了四波束辐射方向图的效果图，图4显示了这种多输入多输出波束赋形网络的简单结构。

图3：简单的四波束方向图渲染图。

图4：四波束MIMO波束赋形网络

电磁技术产业公司（ETI）建立并部署了这一四波束MIMO波束赋形网络。该系统在120度扇形区域内使用20MHz信道，可在城市环境中提供平均28Mbps的数据传输速率。通过在同一120度扇形区域内实施图4所示的四波束架构，并为每个波束重复提供相同的20MHz带宽，数据传输速度提高了10倍。⁶ 图5显示了现有网络和ETI网络的比较结果。

图5：ETI四波束系统速度与原始网络速度的对比。

前面讨论了毫米波信号传播的挑战。采用毫米波的原因是为了接入更宽带宽的信道，以获得更高的数据传输速率，但带宽重用架构则消除了这一需求。ETI系统通过使用低于10GHz的频率解决了信号传播问题。前面的章节还讨论了吸收加散射如何使正交传输信号去极化。美国专利10141640 B2讨论了多输入多输出（MIMO）双极化方案，这些想法是ETI架构的基础。⁷

更高的调制指数可提高数据吞吐率，但同时也要求更高的系统信噪比。要达到更高的信噪比，就需要更高增益的天线和多个窄波束。水平方向和垂直方向的无源和有源波束赋形网络可轻松实现支持更高调制指数所需的天线增益和波束特性。

最后，MU-MIMO部分介绍了一种提高数据吞吐率的方法，即通过能够同时产生多个波束的天线阵列传输多个比特流。当天线阵列产生多个波束时，每个波束的增益会比使用所有天线阵列辐射器产生单个波束时的增益降低。为提高天线波束增益，可在前面提到的波束赋形网络中加入波束整形网络。

图6显示了水平方向为90度扇形的23波束ETI天线系统的增益图。如图所示，在水平方向转向时，旁瓣电平与主瓣电平相差25dB以上。图6还显示了宽边90度扫描边缘的增益降低情况。波束从宽边扫描时的增益降低可通过专有专利技术进行校正。

图6：水平方向覆盖范围为90度的23波束ETI天线系统。

图7显示了这些专有专利技术的实施结果。从结果中我们可以看到，在波束宽度不变的情况下，旁瓣电平已降低到低于主瓣38dB以上。当天线沿水平方向扫描时，这些旁瓣电平大致保持不变。

图7：减少旁瓣技术

图8显示了第二种可进一步降低旁瓣水平的技术。在这种情况下，旁瓣比主瓣低50多dB。使用这种技术可以在更宽的水平方向扫描角度内保持这种降低旁瓣的性能。图7和图8的结果使我们有可能利用这些技术来改善天线性能，从而提高调制指数和数据吞吐率。

图8：改进的减少旁瓣技术。

太比特无线解决方案

要提高无线网络的性能，就必须提高无线基站天线的容量和数据吞吐率。这可以通过水平方向和垂直方向的多个辐射波束来实现，从而有效覆盖指定的地理范围。利用前面介绍的专有和专利的减少旁瓣技术以及文章中介绍的天线结构，可以实现256-QAM和1024-QAM的调制指数。这些技术以及在每个波束中重复全带宽，有助于实现更高的容量和数据吞吐率。图9显示了在水平方向和垂直方向采用波束赋形技术的天线系统的辐射方向图。

图9：水平方向和垂直方向多波束相控阵。资料来源：DARPA。

技术实例

传统的宏蜂窝基站部署使用三个120度扇区。第一个示例使用三根天线，每根天线有24个射频设备。图10显示了支持无线基站天线和射频基础设施的塔架图。

图10：三扇区基站的安装配置。

图11显示了三天线系统射频设备安装在塔内的概念图。在接下来的数据结果中，射频在水平方向产生四个波束，在垂直方向产生六个波束。

图11：安装在塔内的射频设备。

表2显示了使用1024-QAM调制时各种信道的最大速度，表3显示了使用256-QAM调制时的相同数据。

每个天线的射频数量可根据所需的波束数量而改变。在下面的示例中，网络同样有三根天线，但在这种情况下，每根天线有32个射频。部署情况与图11所示相同，但射频可提供水平方向四波束和垂直方向八波束。

表4显示了在这种新型射频配置中使用1024-QAM调制时各种信道的最大速度，表5显示了使用256-QAM调制时的相同数据。

该架构的实际意义十分有趣。采用这种架构的网络具有32个射频配置、1024-QAM调制和80MHz信道带宽，仅通过120个基站就能提供18.4Tbps的总速率。从这个角度来看，一个348平方英里的地理区域可以通过这120个基站向143,000个家庭提供128.4Mbps的传输速率。这还没有考虑争用比，但这一服务仍能满足美国对宽带的要求。

结论

本文比较了目前业界用于提高数据吞吐率的各种方法。这些方法各有利弊。为了尽量减少这些技术的缺点，文章还介绍了一种基于可级联射频架构的简单解决方案，该架构使用无源波束赋形网络以及专有的专利天线旁瓣技术。结果表明，即使在简单的情况下，数据吞吐率也能大幅提高。这种技术的好处在于，它能使运营商更容易地满足新的宽带要求。

参考文献

1. H.C. Van de Hulst, “Light-scattering by Small Particles,” New York: Wiley, 1957, pp. 28–36.
2. J. Howard and N.A. Mathews, “Crosspolarisation of Microwaves due to Rain on a Satellite to Earth Path,” IEEE Trans. Antennas and Propagate, Vol. AP 27, No. 6, November 1979, pp. 890–891.
3. G. Brussaard, “A Meteorological Model for Rain-Induced Crosspolarisation,” IEEE Trans. Antennas and Propagate, Vol. AP 24, No. 1, January 1979, pp. 5–11.
4. Dr. O. Werther and R. Minihold, “LTE: System Specifications and Their Impact on RF & Base Band Circuits,” Rohde & Schwarz Application Note, 2013.
5. E. Björnson, “Basics of Antennas and Beamforming-Massive MIMO Networks,” 2018, Web: https://www.youtube.com/watch?v=xGkyZw98Tug.
6. J. Howard, “World’s First Wireless Fiber,” The North Jersey IEEE MTT/AP Societies 37th Annual Symposium and Mini-Show, October 4, 2023.
7. J. Howard, “Isolation of Polarizations in Multi-Polarized Scanning Phased Array Antennas,” US 10, 141, 640 B2, 27, November 2018.