我们每天都沉浸在射频无线电波的海洋之中，看不见的电磁能有不同的源头：广播塔、蜂窝电话网和警察的无线通讯等等。这些辐射也许对人体无害，但它们会严重影响我们收发信息。过度的无线能量也是一种污染，因为它将破坏有用的通信。随着电子通信的日益频
繁，无线电干扰也日渐嘈杂，我们环境中射频干扰信号强度的增加，使我们必须加大无线信号的强度，才能在背景电磁噪声中将有用信号区分开来。
解决这个问题的一种方案是采用新型的射频天线，这种天线能够极大地减少人为干扰。以蜂窝电话通讯为例，采用这种全新的天线后，我们无须采用对用户的通话进行全向广播发送这种浪费的方式，而代之以跟踪移 动用户的位置并将无线信号直接发送给他。这种天线系统在使其他用户受到的干扰最小化的同时，也使得目标用户的接受信号强度达到最大。实际上，这等同于给每个移 动用户建立了一条虚拟的有线连接。
这些系统通常被称为智能天线，它们之中最智能的那种又被称为自适应天线阵列。1992年我和他人一起在美国加州圣荷赛创立了爱瑞公司，致力于开发能应用于已有和新的无线网络的自适应天线阵列。每个阵列包含了多达12根的天线以及一个强大的数字处理器(用于对输入输出信号的合并和处理)。朗讯、北电以及其他一些公司也都在开发这项技术。我们的目标都是降低成本和提高无线通讯的质量。现在自适应天线阵列已经向数以百万的蜂窝电话用户提供这些好处。此外，由于非常适合大量数据的传送和接收，它们极有可能成为无线因特网的关键部分。
天线的物理学原理
要了解智能天线的工作原理，先要了解比较“笨拙”的普通天线。射频天线将发射机产生的电流和电压信号转变为电磁波并将之发射出去，同时天线也能截取这些电磁波并将之转化为接收机能处理的电流和电压信号。最简单最常用的天线是偶极子，它不过是特定长度的能向空间全向发射能量的杆而已。无线电波在空中传播的过程中，强度逐渐减弱，并被空气、树木和建筑等障碍物吸收。
商用广播和电视台必须向地理分布上分散的用户提供服务，自然要进行全向广播，而一次蜂窝电话通讯通常只针对一个用户。在蜂窝网中，用户和最近的基站进行通信，在基站里有一套天线负责处理周围区域(称作小区)内所有的无线业务信号。基站按照一定的规律设立，使整个覆盖区域能划分为多个小区；用户从一个小区移 动到另一个小区时，系统能自动将通话切换到其他合适的基站。在这种情况下，如果能将无线能量集中到单个用户身上，就像手电筒通过反射镜将光线集中成束那样，效率就会高得多。同样的功率，集束的信号能比全向发射的信号，传播到远得多的地方。基站向不同用户发送的波束在空间上是分开的，这样相互干扰也降低了。
反射器能把无线电波聚焦成束，但是它们实在是又笨重又昂贵。所以工程师们想出了许多不用反射器却能产生无线波束的办法。如果我们并排放置两根天线，它们之间的距离是无线信号波长的一半，那么从上面看下去时，这个简单阵列发射能量的方向图就是8字型的。在垂直于阵列(即垂直于两根天线之间的连线)的两个方向，无线电波的传送距离将达到最大，因为在这两个方向上用户能同时收到两根天线发送的信号(换句话说，就是两个信号是同相的)。然而，在平行于阵列的方向上，用户将接收到相位相差180度的两股信号。两股信号的波峰和波谷相遇之后就彼此抵消了，因此就产生了零区，在那里将检测不到任何信号。
这种由两根天线组成的天线阵列的波束是相当宽的，而且它还将向两个相反的方向发射。通过加入更多的天线，波束的宽度变得越来越窄。二战以来，这种类型的相阵天线被用于雷达波束的聚焦。虽然天线数目的增加使得波束变得更窄，同时却在主波束旁边产生了更多的旁瓣。根据用户方向的不同，波束信号既有可能比单天线发射的信号更强(“增益”)，也有可能由于抵消效应的存在变得比后者更弱(“损失”)。
波束的定向如果不能指向特定的接收者，无线波束还是没有多大用途。最显而易见的解决方案就是移 动天线阵列本身，但显然这个办法是笨拙和代价昂贵的。用电子的方法来操纵波束将简便得多。通过一种叫波束切换的技术，天线阵列能产生一组相互有所交叠的波束，这些波束在一起就能覆盖周围的区域。当一个蜂窝电话用户进行通话时，无线接收机首先确定从哪个波束方向来的用户信号最强，然后阵列发射机就按照这个来波方向给用户“回话”。如果用户从原有波束走入另一个相邻的波束，控制系统就自动将发射和接收都切换到那个新的波束。
然而波束切换在现实的无线通信环境中还是不能很好地工作。只有当用户处于波束正中央时，波束才是最有效的。正如离开手电筒的光线方向就会变暗一样，一旦用户离开波束中心，信号就会发生衰落。当用户靠近波束的最边缘时，在系统将之切换到相邻波束之前，信号强度会发生相当大的衰落。如果另一方向上的某个用户需要使用同一无线信道怎么办？如果第二个用户处于零场，还好不会给前一位用户带来干扰，但是一旦他处于某个旁瓣的中心，那么给他的信号将会阻塞或扭曲前一位用户的信号。
波束切换系统的另一个问题是，实际上在几乎所有的环境中，无线信号都很少沿着直接路径进行传播。我们手机上接收到的信号通常是由多个反射信号合并而成的。反射体可能是自然或者人造的物体(建筑、山脉、汽车和树木等等)。这些发射信号还在不停地变化，特别是那些由大型车辆(例如巴士)造成的。这种所谓的多径现象也会影响从手机发送到基站的信号。在波束切换系统中，如果用户靠近波束的边缘，那么他或她所发送的信号有可能在到达天线阵列前就被反弹到其他波束中。在这种情况下，天线阵列就有可能发送错误的波束，用户则可能完全得不到回应的信号。
在实际应用中，只有波束切换系统显然是不够的。一个真正智能的天线阵列应该能直接给移 动用户一个波束，而不是选择一个相对靠近用户的波束。理想的天线阵列还必须能调整波束的方向图，将来自同一频段信道上其他用户的干扰最小化。最后，这种天线阵列必须能根据用户位置和反射的迅速变化做出快速反应。这些都是为什么要引入自适应天线阵列的原因。
鸡尾酒会效应
是什么使自适应天线阵列具有这样的智能？最关键的因素就在于对天线接收下来信号的处理，这就好比人脑对耳朵所接收的声音信息进行的处理一样。一个听力正常的人，即使眼睛被蒙上，通常也能定位声音，因为外耳上那些盘绕的皱褶会根据声音方向的不同而产生不同的共鸣。除非声音来自于头顶正上方或正下方(或者正前正后)，否则它到达两耳的时间就会有差别。大脑就是根据这些接收的信息，快速计算出声源位置的。
此外，拥有正常听力的人能够从吵闹的环境噪声中提取相对较轻的声音，比如说某个他感兴趣的谈话，这种效应通常被称为鸡尾酒会效应。研究者们发现，专注于某种声音的能力，部分来源于定位声源的能力。在一项测试人们分辨背景噪音中信号的能力实验中，与用单耳的测试对象相比，用两耳听的测试对象能听到轻得多的声音。一旦大脑能够确定声源的方位，它就能专注于该声音而忽略从其他不同方向来的噪音。
与之相类似，自适应天线阵列能精确定位无线信号的源头。通过消除其他干扰信号，就能够选择性地放大有用的信号。天线阵列的“大脑”是一个能处理天线接收信号的数字处理器。典型的自适应阵列包含4到12根天线，但是为了简便起见，让我们来看一个两根天线的阵列。天线间的距离是信号波长的一半。对于普通的阵列而言，来自两根天线的信号只是普通的相加；但在自适应阵列中，两部分信号被送到处理器中，在那里可以对信号进行任意的数学处理。
例如，假设该阵列是南北放置的，而来自某个手机用户的信号来自于东边。处理器能迅速确定信号的方向：因为电磁波同时到达两根天线，它们必然是来自一个垂直于阵列的方向。为了使接收信号最大化，处理器将两股信号相加，使它们的强度翻倍。在向该用户回送信号时，阵列的两根天线上就会发送相同的信号。
现在让我们来假设以下情况：另一个手机用户从南边发送了一个信号。因为到达北边天线的电磁波和到达南边天线的电磁波间存在180度的相位差，处理器就知道信号是来自于一个和阵列平行的方向。这时处理器就将两股信号进行相减，也就是说，改变北(或南)天线接收信号的极性，将波峰变为波谷(或相反)，然后将所得镜像信号加到南(或北)天线的接收信号上。同样地，信号的强度得到加倍。当阵列向该用户传送信号时，处理器向某一根天线发送一个反相的信号，因而产生一个从北到南的波束。请注意，以上两个例子中，针对一个手机用户的波束不会到达另一个手机用户。这两个用户可以同时在同一频率上与自适应阵列进行通讯，它们的信号不会彼此干扰。对来自两根天线的信号采用更为复杂的数学运算，阵列处理器同样也能在其他方向上产生波束。选择性收发的问题在这里就转化成为解一系列联立方程的问题。对于那些移 动的用户，处理器必须根据不断更新的信息反复求解这些方程。
在自适应阵列中加入更多的天线，将增加定位的精度和对信号的增益。拥有12根天线的阵列能够听到比单根天线所能听到信号弱12倍的信号。阵列能以12倍的强度发送信号并具有大得多的指向性。处理器能对天线接收信号进行处理以产生波束方向图，使得对某一所需信号的增益最大，同时保证对同一频段上其他信号的阻塞作用最大。
由于处理器的速度快到足以在一秒内处理多次这样的任务，当手机用户在步行或开车通过该天线阵列的覆盖区域时，阵列就可以持续地调整波束。系统的设计保证了车辆和建筑物对用户信号的杂散谐振不会引发波束方向的剧烈变化。通过跟踪用户的路径，阵列能够估计用户下一步的运动方向，并排除那些指示用户位置发生突变的错误信息。
此外，更为先进的自适应天线阵列，能够利用多径现象对无线信号进行进一步的聚焦。这些处理器的能力是如此之强大，以至于我们能把在自适应天线阵列和手机之间各种不同路径上传送的信号都利用起来。通过在数学方程中引入多径分量，处理器不仅能够算出信号的来波方向，还能算出用户的精确位置。在拥有丰富反射体的城市环境中，自适应阵列能从手机周围的一小块区域内接收并向其发送信号。这种情况下，天线阵列产生的不再是波束，取而代之的是一个半径仅为数厘米的“个人小区”。由于阵列能够不停地反复计算手机的位置，这样个人小区就能跟随手机使用者而移 动。
优点与应用
与传统的蜂窝网络相比，采用自适应天线阵列的无线网络具有很多优点。对于同样的功率，由于装备有自适应阵列的基站的覆盖范围比普通基站大得多，因而覆盖同样的区域，所需基站的数量也相应减少。尽管自适应阵列可能比传统的天线更昂贵，但基站数目的减少能急剧降低设置和运营无线网络的成本。自适应阵列使得蜂窝业务公司能更好地利用希缺的资源：分配给该公司的频谱。许多蜂窝网络正因用户数目的增多而过载：在某些拥挤的区域，有时候同时迸发的信号量超过了系统中有限数目的无线信道所能承载的数量。当通话掉话或者信号质量下降时，用户就能感受到这种紧张。由于自适应阵列允许同一基站覆盖范围内的一些用户同时使用同一无线信道，因此就增加了频谱的容量。相对于普通天线而言这种改进是显著的：对语音业务，配备有自适应阵列的基站的用户容量提高了6倍；对于数据业务，这一数字更是高达40倍。采用自适应天线阵列的结果是更好的服务和更少的干扰，除此之外还有较少的能量浪费和射频污染。
这样，我们就不会为自适应天线已经获得的商业应用感到吃惊。在日本、中国、泰国以及亚洲和非洲的其他一些地区，已有超过15万的基站装备了使用爱瑞公司技术的天线阵列，为总计超过1500万人提供电话服务。自适应阵列在美国和欧洲的商业应用进展得相对比较缓慢，这要部分归咎于电信业不景气所导致的对蜂窝网络新投资的削减。但是还是有一家美国制造商(佛罗里达州蒙特利尔的Airnet公司)，正在生产使用爱瑞公司技术的蜂窝基站。同时英国的电信公司马可尼也正在开发一种包含自适应阵列的先进基站。
自适应阵列对无线数据网络而言也是一大福音。因为这种阵列能够使干扰最小化，所以在给定的频率范围内可以传送和接收更多的数据。一个装备有自适应天线阵列的基站能同时为40位用户提供速度高达1M字节每秒的数据服务，这大约是现有远程无线网络典型数据率的20倍。在此类网络中，并非所有的用户都在同时要求获得峰值数据率的服务，所以一个装备自适应天线阵列的基站可以为数千用户提供服务。拥有便携式电脑或其他便携设备的用户，就能在步行或开车通过服务区的同时保持对因特网的高速连接。
自从1990年代末，电信业就开始欢呼无线因特网的到来。虽然新网络的发展速度并不像预期的那样快，但还是在逐步取得进展。随着无线运营商对3G网络(能以包的形式传递数据的下一代蜂窝系统)的继续追求，其他的公司也正在提供多种有竞争力的高速数据传输解决方案，其中有些解决方案就采用了智能天线并能在现有网络中使用。一个采用了爱瑞公司技术的数据网络正在澳大利亚悉尼运营着，类似的网络很快将在美国和韩国建立。美国德州Navini NetWork公司开发的自适应阵列，正在接受一些无线运营商的测试。一些大型电信设备执照商也准备在它们的下一代产品中采用智能天线技术。
在贝尔发明电话之后的近100年中，语音通讯始终依赖于呼叫者和网络间的物理链接(铜线或者同轴电缆)。只是在过去的30年里，蜂窝电话才开始让我们享受到一些无线通讯的自由。有了自适应天线阵列技术，终有一天无线运营商能以更低廉的价格提供比有线网络质量更好的服务。到那时，我们就从金属铜的牢笼中解放出来了。
二:雷达波的反射率视物体而定:
(1)太阳系还存在着众多小行星和彗星，小行星因质量小，绝大多数不是球形，而是具有不规则的形状。绝大多数的小行星，都是在火星和木星轨道之间。很多小行星上的矿藏更为诱人，它们含有很多稀有矿物。如：美国人发现并命名的1986DA小行星，其直径约为2公里，对雷达波的反射率高达58%，据此分析，在这颗小行星中含有10万吨铂、十几万吨金和10亿吨镍，直接经济总价值高达1.5万亿美金。
(2)经过雷达检测分析，土卫八的"白半脸"主要由水和冰的混合物组成。通常纯净的水冰对雷达波的反射率都很强，但是这些水冰混合物与其它星球上检测到的不一样，它们对雷达波的反射率很低。天文学家推测，这是有少量氨水冰与水冰混合在一起后产生的结果。而这种混合物在光学观察过程中看起来依然像干净水冰一样光彩熠熠。天文学家很早就猜测过土卫八含有氨水，但是从来没有得到过直接证据，通过雷达观察检测，这个观点已经得到了更充分的证明。但是，谜似乎仍然没有揭开。
天文学家通过雷达系统发现，组成土卫八的物质分布非常均一，这个星球在物质分布上并没有差异或者地域界限。这意味着，在土卫八的黑半脸上，仅仅有很薄一层发黑的物质覆盖在氨水和水的混合冰层上，这层薄纱一样的黑物质不过像一件黑绸，盖在了一堆洁白的雪上。这层很薄的黑纱对雷达微波反射基本上不够成损耗影响，所以所有地方反射率都一样。为什么会这样，只有得到构成那层黑纱的物质并知道了它的化学组成后，才会有真正的答案。
移动通信技术从2G、3G、4G直到5G的发展，都离不开网络信息基站的建设。
我们的手机之所以无论走到哪里都能收到信号，就是由于信息服务基站的广泛铺设。
基站是移动通信网络最为重要的基础设施。
而通常，我们会在这些基站的顶端发现很多360度环绕的天线组合。
它们被称为天线阵列。
随着天线技术的不断发展，4G时代最多8天线的阵列已经逐渐被5G中的更大规模的天线阵列取代。
5G技术下，天线数量可以达到128，甚至更多。
这种大规模的天线分布被称为大规模天线阵列（Massive MIMO）。
Massive MIMO不仅能够满足5G大数据量传输的需求，而且在信号质量和覆盖率上也要更胜一筹。
传统的单天线通信方式是基站和手机信号接收器之间，单对单的电磁波传输。
在没有物理转向装置的前提下，这种方式的天线辐射方位是固定的。
这就导致同时同频率，能够服务的用户数量很有限。
而天线阵列采用的是波束赋形技术。
波束赋形是可以根据特定场景自适应调整辐射方向的一种技术。
基于远超4G的天线数量和波束赋形技术，5G基站能够实现全方位立体式的信号覆盖。
通过不同方向的信号传输叠加，可以做到强化信号强度，降低信号干扰。
近日，华为主办的MBBF2021预沟通会在上海举行。
本次沟通会的主题是“开辟5G Massive MIMO绿色新赛道”。
无线产品线总裁甘斌在会上分享了Massive MIMO的下一个突破性创新方向。
在中国”碳达峰、碳中和“的双碳战略下，各个行业都以绿色减碳为目标，践行着节能减排的思想。
尽管通信行业的碳排放在全球各行业中占比极小，但作为全球顶尖的通信设备供应商，华为依然致力于通过技术创新引领绿色节能产业的方向。
华为在2014年就率先将Massive MIMO引入4G网络。
在5G时代，更是将Massive MIMO与大带宽相结合，实现了与LTE 4T4R相比20倍以上比特能效的提升。
目前，业界内对Massive MIMO的节能方式通常是采用对中射频、功放等有源部分的持续优化。
对大规模天线阵列性能的提升，主要是通过对基带算法、天线等软硬件设备的创新。
华为Massive MIMO（大规模天线）的迎风面积只有0.3平方米，远小于0.7平方米的存量低频天面迎风面积。
在满足天面工程规格对迎风面积小于0.8平方米的基础上，可以实现无障碍部署。
在终端接收相同功率的情况下，基站可以配置更低的发射功率，能够做到有效降低基站能耗。
在5G时代对大数据传输的需求相当频繁，基站部署的数量也不会少。
虽然单个基站的能耗降低并不多，但总体基站能耗的减少依然相当可观。
华为5G通信网络的部署能力和性价比将因此进一步提升。
欢迎分享，转载请注明来源：夏雨云
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）