NIST的天線評估方法可幫助提升5G網絡容量并降低成本

美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員開發出一種方法，用于評估和選擇適用于未來第五代（5G）手機、其他無線設備和基站的最佳天線設計。

新的NIST方法可以提高5G無線網絡容量，降低成本。5G系統將使用更高的毫米波頻段來避開擁擠的傳統無線信道。這些頻率的信號在傳輸過程中會損失大量能量，從而削弱接收到的信號強度。一種解決方案是“智能”天線，它可以形成非常窄的波束（信號傳輸或接收的空間區域），并迅速將其引導到不同的方向。天線波束寬度會影響無線系統的設計和性能。NIST新的測量方法使得系統設計者和工程師可以評估真實環境中最合適的天線波束寬度。

“我們的新方法可以在初始網絡設計上取得更大的成功，消除目前所需的大量反復試驗，從而降低成本，”NIST的工程師Kate Remley說。“該方法還將促進新基站的使用，這些基站可以同時或快速連續地向多個用戶傳輸數據，而不會有一個天線波束干擾到另一個天線波束。反過來，這將增加網絡容量，降低成本，并且可靠性更高。”

這是第一個詳細的以測量為基礎的研究，探討了天線波束寬度和方向如何與環境產生相互作用，從而影響毫米波信號的傳輸。在該技術中，覆蓋大范圍天線波束角度的NIST測量被轉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。

工程師可以使用這種方法來選擇最適合特定應用的天線。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，或者選擇允許多個天線在給定的環境中共存而不受到干擾的波束寬度。

為了研發這種新方法，NIST團隊使用了一個裝有定制通道探測器和其他設備的特殊機器人在NIST研究大樓的走廊和大廳收集實驗數據。信道發聲器收集了發射端和接收端之間的信號反射、衍射和散射的數據。許多這樣的測量可以用來創建關于無線電信道的統計表示，以支持可靠的系統設計和標準化。

NIST的研究結果證實，窄波束可以顯著減少信號的干擾和延遲，優化的波束方向可以減少傳輸過程中的能量損耗。例如，當天線波束寬度從全向（360°）減少到窄3°或所謂的鉛筆波束時，信號反射到達的時間間隔（一種稱為RMS時延擴展的度量指標）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展到不同的環境及其他無線信道特性的分析。