NIST的天線評估方法可幫助提升5G網(wǎng)絡(luò)容量并降低成本

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員開發(fā)出一種方法，用于評估和選擇適用于未來第五代（5G）手機(jī)、其他無線設(shè)備和基站的最佳天線設(shè)計(jì)。

新的NIST方法可以提高5G無線網(wǎng)絡(luò)容量，降低成本。5G系統(tǒng)將使用更高的毫米波頻段來避開擁擠的傳統(tǒng)無線信道。這些頻率的信號(hào)在傳輸過程中會(huì)損失大量能量，從而削弱接收到的信號(hào)強(qiáng)度。一種解決方案是“智能”天線，它可以形成非常窄的波束（信號(hào)傳輸或接收的空間區(qū)域），并迅速將其引導(dǎo)到不同的方向。天線波束寬度會(huì)影響無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能。NIST新的測量方法使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和工程師可以評估真實(shí)環(huán)境中最合適的天線波束寬度。

“我們的新方法可以在初始網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)上取得更大的成功，消除目前所需的大量反復(fù)試驗(yàn)，從而降低成本，”NIST的工程師Kate Remley說?！霸摲椒ㄟ€將促進(jìn)新基站的使用，這些基站可以同時(shí)或快速連續(xù)地向多個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù)，而不會(huì)有一個(gè)天線波束干擾到另一個(gè)天線波束。反過來，這將增加網(wǎng)絡(luò)容量，降低成本，并且可靠性更高。”

這是第一個(gè)詳細(xì)的以測量為基礎(chǔ)的研究，探討了天線波束寬度和方向如何與環(huán)境產(chǎn)生相互作用，從而影響毫米波信號(hào)的傳輸。在該技術(shù)中，覆蓋大范圍天線波束角度的NIST測量被轉(zhuǎn)換成覆蓋所有角度的全向天線圖。然后可以將全向圖分割為越來越窄的波束寬度。用戶可以評估和模擬天線波束特性在特定類型的無線信道中的表現(xiàn)。

工程師可以使用這種方法來選擇最適合特定應(yīng)用的天線。例如，工程師可以選擇足夠窄的波束寬度來避免某些表面的反射，或者選擇允許多個(gè)天線在給定的環(huán)境中共存而不受到干擾的波束寬度。

為了研發(fā)這種新方法，NIST團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)裝有定制通道探測器和其他設(shè)備的特殊機(jī)器人在NIST研究大樓的走廊和大廳收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。信道發(fā)聲器收集了發(fā)射端和接收端之間的信號(hào)反射、衍射和散射的數(shù)據(jù)。許多這樣的測量可以用來創(chuàng)建關(guān)于無線電信道的統(tǒng)計(jì)表示，以支持可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)化。

NIST的研究結(jié)果證實(shí)，窄波束可以顯著減少信號(hào)的干擾和延遲，優(yōu)化的波束方向可以減少傳輸過程中的能量損耗。例如，當(dāng)天線波束寬度從全向（360°）減少到窄3°或所謂的鉛筆波束時(shí)，信號(hào)反射到達(dá)的時(shí)間間隔（一種稱為RMS時(shí)延擴(kuò)展的度量指標(biāo)）從15 ns急劇下降至約1.4 ns左右。

未來的研究包括將該方法擴(kuò)展到不同的環(huán)境及其他無線信道特性的分析。