Antenniryhmä (antenna array)

Antenniryhmä tarkoittaa useista antennielementeistä koostuvaa kokonaisuutta. Tässä tapauksessa on käytetty tasomaista antenniryhmää, jossa on 15 kaksipolarisoitua antennielementtiä (kuva 1 oikealla). Antenni toimii 5 GHz:n taajuusalueella ja sisältää sekä vaaka- että pystysuuntaiset antenniryhmät.

Kunkin 30 (= 2 × 15) antennin amplitudi ja vaihe mitataan erikseen. Tämä mahdollistaa sen tutkimisen, miten keilanmuodostus (beamforming) ja multi-user MIMO toimivat käytännössä tukiasemaympäristössä.

Keilanmuodostusteknologia (Beamforming)

Nykyaikaiset radioverkot hyödyntävät keilanmuodostusteknologiaa taajuuskaistan tehokkaan käytön mahdollistamiseksi. Keilanmuodostus on teknologia, jossa signaali suunnataan tiettyyn suuntaan. Perinteisesti signaali lähetetään kaikkiin suuntiin tai yhteen kiinteään suuntaan. Keilanmuodostus toteutetaan muuttamalla useiden antennielementtien vaiheita. Tämän seurauksena saadaan vahvempi ja laadukkaampi signaali esimerkiksi Wi-Fi-laitteille.

Mitä useampia antennielementtejä käytetään, sitä suurempi vahvistus radiolinkkiin voidaan saavuttaa. Alla olevassa kuvassa nähdään keilanmuodostuksen animaatio kulmavälillä –60° … 60°. Yksittäisten antennielementtien säteilykuviot on esitetty harmaalla. Kuvan 2 punainen viiva esittää yhdistettyä antennikuviota, jossa vaiheet on optimoitu maksimaalisen vahvistuksen saavuttamiseksi tietyssä kulmassa.

Tällä 30-elementtisellä antenniryhmällä voidaan saavuttaa keskimäärin noin 22 dB:n vahvistus yksittäiseen antennielementtiin verrattuna sektorilla –60° … 60°. Jos yksittäisen antennin ja antenniryhmän kokonaisteho normalisoidaan samaksi, antenniryhmällä saavutetaan silti noin 11 dB:n suuntaavuusvahvistus. Tämä parantaa merkittävästi yhteyden laatua.

Lisätietoa keilanmuodostusantenneista löydät artikkelistamme “Beamforming Antennas – How they work and are tested?”

Verkotan tarjoaa 5G-keilanmuodostusantennimittauksia langattomien laitteiden suorituskyvyn varmentamiseksi.

MIMO

MIMO (Multiple Input, Multiple Output) tarkoittaa useita lähetys- ja vastaanottokanavia. Sen perusperiaate on, että langaton verkko mahdollistaa useamman kuin yhden datavirran samanaikaisen siirron samalla radiokanavalla. MIMO mahdollistaa nopean ja resurssitehokkaan tiedonsiirron.

Multi-user MIMO

Multi-user MIMO voidaan nähdä keilanmuodostuksen laajennuksena. Perinteiseen MIMOon verrattuna tukiasema lähettää useita datavirtoja samanaikaisesti eri laitteille.

Tavoitteena ei ole ainoastaan maksimoida signaalitasoa yhteen suuntaan, vaan myös minimoida signaalitasot muiden käyttäjälaitteiden (UE) suuntiin. Tämä voidaan toteuttaa tehokkaasti, jos tukiasemalla on riittävästi antennielementtejä suhteessa käyttäjälaitteiden määrään.

Alla oleva havainnollistus esittää, miten Multi-user MIMO toimii kahden käyttäjälaitteen tapauksessa.

Multi-user MIMO -järjestelmässä on tärkeää, että kaikkien muiden paitsi yhden antennikuvion signaalitaso on mahdollisimman pieni tietyn käyttäjälaitteen (UE) suuntaan. Tämä mahdollistaa samanaikaisen tiedonsiirron useille käyttäjälaitteille siten, että muiden käyttäjien signaalien aiheuttama häiriö minimoidaan.

Multi-user MIMO -ratkaisussa käyttäjälaitteen monimutkaisuus voidaan pitää alhaisena, sillä suurin osa älykkyydestä ja käsittelystä sijaitsee tukiasemassa (BS). Haittapuolena on, että tukiasema tarvitsee erittäin tarkan kanavaestimaation kaikista verkon käyttäjälaitteista.

• Massive MIMO

Massive MIMO -järjestelmässä tukiasemassa käytetään erittäin suurta määrää antennielementtejä verrattuna perinteiseen multi-user MIMO -verkkoon. Se voidaan nähdä multi-user MIMO -ratkaisun suorana jatkeena. Suurempi antennielementtien määrä mahdollistaa useamman käyttäjälaitteen samanaikaisen palvelemisen ja paremman keilanmuodostuksen. Tämä parantaa merkittävästi tukiaseman kapasiteettia ja kantamaa.

Käyttämällä 360° kattavia antenniryhmiä voidaan välttää perinteisiin sektorikohtaisiin antenneihin liittyvät rajapintaongelmat. Massive MIMO -tukiasema pystyy mukautumaan optimaalisesti käyttäjälaitteen liikkeeseen eri suuntiin – toimintaperiaate muistuttaa WCDMA-järjestelmän pehmeää kanavanvaihtoa (soft handover).

Antennielementtejä voidaan sijoittaa myös eri tukiasemapaikkoihin. Tämä mahdollistaa optimaalisen kanavanvaihdon eri antennisijaintien välillä.

Mitä Verkotanin Chief Scientist Jani Kallankari sanoo 5G-langattoman teknologian testauksesta?

Jos sinulla on kysyttävää tai tarvitset apua, ota meihin yhteyttä.