深度解析 mMIMO 有源天线单元：架构、设计与性能突破

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在通信技术日新月异的当下，5G 网络的建设正如火如荼地进行，mMIMO（大规模多输入多输出）有源天线单元（AAU）作为 5G 通信的核心技术之一，正扮演着举足轻重的角色。它不仅肩负着提升通信容量与覆盖范围的重任，更是推动整个通信行业迈向新高度的关键力量。接下来，让我们一同深入探索 mMIMO 有源天线单元的奥秘，从其结构设计、性能影响因素到相关技术应用，全方位揭开这一前沿技术的神秘面纱。


一、mMIMO AAU 的性能影响因素
（一）天线性能
天线在 mMIMO AAU 中扮演着关键角色，其性能直接决定信号的辐射与接收效果。增益与等效全向辐射功率（EIRP）是衡量天线性能的重要指标。增益提升通常伴随着天线有效面积增大，然而，这也会使波束宽度变窄，转向角范围变小。比如在广覆盖场景下，过高增益可能并非最佳选择，窄波束宽度可能无法覆盖所需区域。


旁瓣电平同样影响重大。过高的旁瓣电平会导致信号干扰，严重影响通信质量。在如今的 O - RAN mMIMO 系统中，将旁瓣电平限制在较低水平是设计的重要目标。此外，转向范围和预倾角也在很大程度上影响天线性能，它们决定信号覆盖的范围与方向。通过合理调整，天线能更好适应不同通信环境，实现精准信号覆盖。


（二）RF 信号链影响
RF 信号链在 mMIMO AAU 中起着承上启下的作用，对其性能影响深远。传导 RF 功率直接决定最大覆盖范围和蜂窝容量。在实际应用中，需依据具体通信需求确定合适的传导 RF 功率。例如，基站覆盖范围较大时，就需要较高的传导 RF 功率确保信号覆盖。


带宽方面，涉及占用带宽、瞬时带宽和工作带宽等概念。占用带宽指信号占用的频率范围，瞬时带宽表示瞬间能处理的信号带宽，工作带宽则是设备正常工作的带宽范围。不同带宽指标在通信中发挥不同作用。如高速数据传输场景，需较大瞬时带宽保证数据快速传输；对频率稳定性要求高的通信，工作带宽的稳定性就尤为重要。


误差矢量幅度（EVM）用于衡量调制信号的失真程度。在高效调制方案中，对 EVM 要求更为严格。以 5G 通信中的高阶调制方式，如 64QAM 或 256QAM 为例，微小的 EVM 变化都可能导致解调错误，影响数据传输准确性。因此，降低 EVM 是提升 RF 信号链性能的关键。

二、产品因素对 mMIMO AAU 系统性能的影响
（一）数据流与相位幅度控制
数据流数量决定数据传输容量。不同规模的 AAU 处理数据流的能力不同。一般来说，规模较大的 AAU 可支持更多数据流，实现更高数据传输速率。例如，大型通信基站采用大规模 mMIMO AAU，能同时处理大量用户数据请求，满足高速数据传输需求。


相位与幅度控制和校准是确保准确波束形状的核心。由于组件参数会随环境温度、湿度等因素变化，精确的闭环校准必不可少。通过实时监测和调整相位与幅度，可使波束保持最佳状态，提高信号传输效率和覆盖范围。


（二）前传优化与可编程性
前传连接分布式单元（DU）和无线电单元（RU），在 mMIMO AAU 系统中起数据传输桥梁作用。为降低成本，优化前传带宽至关重要。相关组织制定了多种压缩方法，如采用高效数据编码方式，在不影响数据准确性的前提下，减少数据传输量，降低对前传带宽的要求。


可编程性使 AAU 部署后可通过软件更新获得新功能，大大延长使用寿命。随着通信技术发展，新协议和功能不断涌现，通过可编程性，AAU 能及时升级，适应新技术要求，避免因硬件过时造成的设备更换成本。


（三）安全与功耗考量
安全机制是保护通信基础设施的重要防线。在 mMIMO AAU 系统中，需采用加密技术、身份认证等多种安全措施，防止通信数据被窃取或篡改。随着 5G 网络广泛应用，通信安全问题愈发重要，只有确保系统安全，用户才能放心使用通信服务。


功耗问题不仅影响运营成本，还与散热设计和设备稳定性密切相关。在 mMIMO AAU 中，因集成众多电子元件，功耗较大。因此，需采用高效电源管理技术，合理分配电能，降低功耗。同时，优化散热设计，确保设备工作时能及时散热，保持稳定工作温度，提高设备可靠性和使用寿命。

三、AAU 的机械设计与外部环境因素
AAU 的机械设计和外部操作环境对其性能和应用影响显著。有限的安装空间和严苛的风载要求限制了 AAU 的尺寸。实际安装时，需考虑建筑物承载能力和空间布局，因此 AAU 尺寸要尽可能紧凑，同时保证结构强度能承受强风等恶劣天气。


其重量直接影响安装成本。过重的 AAU 增加安装难度，还可能需额外支撑结构，提高整体安装成本。因此，设计时需采用轻量化材料和优化结构设计，在保证设备性能的前提下，尽可能降低 AAU 重量。


此外，工作温度范围、平均故障间隔时间、浪涌保护、防护等级等因素，都对 AAU 的设计和使用提出更高要求。例如，高温环境下工作的 AAU，需具备良好散热性能和耐高温电子元件；雷电多发地区，强大的浪涌保护功能是确保设备安全运行的关键。


四、技术助力与展望
为推动 mMIMO AAU 在相关领域的部署，行业内不断探索创新技术。以覆盖 5G 频段 n77 的 64T64R mMIMO AAU 为例，一些设计采用了先进的架构和芯片组，集成通用处理器、FPGA 逻辑和 AI 引擎等多种计算资源的平台，可根据应用需求灵活配置计算资源，实现高效信号处理和数据运算。例如在处理复杂波束赋形算法时，能快速准确计算出每个天线单元的相位和幅度调整值，实现精确波束控制。


专为 RF 应用设计的芯片，集成 RF 收发器、ADC 和 DAC 等关键子系统，实现高效 RF 信号处理，减少外部组件数量，降低系统复杂度和成本，同时提高系统可靠性和性能一致性。二者协同工作，为 AAU 提供强大的计算和信号处理能力。


经过严格测试，相关原型在发送、接收和波束赋形性能方面，均符合相关规范和联盟要求。例如在特定调制和带宽条件下，RF 输出功率、EVM 指标、邻道泄漏比等关键参数表现出色。在 64QAM 调制方式下，EVM 能控制在极低水平，确保信号高质量传输；波束赋形性能达到预期标准，实现精准信号覆盖和干扰抑制。


总体而言，相关生态系统仍处于发展初期，面临与传统方案的激烈竞争。mMIMO AAU 虽架构新颖，但也面临诸多挑战。只有确保实际应用中的可靠性和稳定性，不断提升性能、降低成本，才能在市场中立足。随着技术持续进步，相信 mMIMO AAU 将在未来通信网络中发挥更大作用，为人们带来更高速、稳定的通信体验。

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