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新型5G天线堪称降维打击 市场主流5G方案被秒杀
作者:admin 发布日期:2019-4-8 10:37:10

转载     铁流 2019-04-06 08:22:32

此前,铁流介绍了市场主流5G方案的几大短板:

基站覆盖差、设备功耗大、设备成本高。

何况目前压根就没有5G杀手锏应用,现在鼓吹的5G电视、物联网、智能工厂、无人驾驶等所谓5G应用,不是根本不需要5G,就是根本不敢用5G。

对于上述问题,其实早已是行业共识。

只不过,一些通信设备厂商为了自身的利益,刻意掩盖真相,鼓吹“5G领先友商12个月”,“5G世界第一”,并通过政商关系和制造社会舆论要求运营商大规模采购自己的5G设备。进而造成行业反馈冷淡,社会舆论火热的情况。

其实,中移动某专家的公开表态已经把现阶段5G的问题说的很清楚了:

成本方面,大规模天线使5G基站成本更高,还需新建或大规模改造核心网和传输网,各运营商需探索低成本解决方案。

受商用频段高,新增站址困难等因素影响,即便使用中频段,实现网络连续覆盖也有很高的难度。

新型5G天线堪称降维打击 市场主流5G方案被秒杀


5G基站主要有哪些组成部分

从各方面消息来看,中移动现在对于5G非常淡定,其中一个原因就是中移动与一家单位联合开发了小型化透镜天线,而且小型化透镜天线在数次测试中,都对现有主流产品具备碾压式优势。

更加惊艳的是,小型化透镜天线可以直接解决现有5G技术的三大短板。

在谈小型化透镜天线的优势前,铁流先说说为何现阶段5G基站存在板状天线基站覆盖差、设备功耗大、设备成本高三大问题。

5G基站由哪几个部分组成呢?

传统3G/4G基站主要由基带处理单元(BBU)、射频拉远单元(RRU)和天馈系统三者组成,诚然,供电系统、散热系统等也是不可或缺的部分。

就功能来说,BBU负责运算,RRU产生带信息的射频功率,经由射频馈线传输至天线,天线将射频功率转换成带信息的电磁波向空间辐射出去,形成数据流交换(收/发)。而天线就是一个换能器。与任何换能器一样,在换能过程中是要消耗能量的(即天线效率)。

按照规划的蓝图,5G核心网技术融合后,5G基站的BBU功能将被重构为CU(中央单元)与DU(分布单元)两个功能实体,RRU与天线融合为AAU。省略了短的馈线损耗,但带来工艺复杂的“盲插”,成本提高、散热困难增加能耗。并未提高天线效率。

新型5G天线堪称降维打击 市场主流5G方案被秒杀


市场主流5G基站方案能耗巨大

为了应对数据流量如海啸般涌来,网络必须引入更多频谱资源、更多的基站、更先进的Massive MIMO和新的传输技术来提升网络容量,但这必然会消耗更多的电力,增加OPEX支出。

因为,数据流量提升速度大大超过能效上升速度。能耗拉低了能效。显然能耗高是短板,要推出高数据流的5G,必须首要寻求各种降低能耗的创新解决方案。

能耗高使运营商的电费支出昂贵。据统计,电费支出占据运营商运营开支的15%-30%,在移动通信网络中,80%的电费支出来源于广泛分布的基站。

如今,流量资费越来越便宜,但电费等能源成本越来越高,同时,过去几十年受益于摩尔定律,能效每十年提升100倍,但这一速度正在放缓,面向未来不断狂增的流量需求,运营商必将越来越关注电费开支。

如今5G 能耗、覆盖、成本三个短板,归根结底是技术升级虚假后搞暴力提升带来的,我们一个一个来说。

以市场上已推出的5G(3.5GHz)的3D MIMO天线为例,其振子数目达96个,口径尺寸为0.69mx0.38m,广播波束17dBi,水平覆盖120°,天线口径效率11.4%, 88.6%的能量被消耗掉。成为名副其实的“电老虎”。 不得不用加大散热片面积散热。

另一个MIMO天线例子是由128个振子单元组成,每个振子单元的功率3W左右,加起来就超过450W。为对每个用户同相位叠加以提高速率,就要将每个振子结合一个移相器元件。类似于大家看到让雷达天线不断旋转扫描跟踪目标一样。移相器功耗达300W。加上其它微波元器件功耗,一个MIMO天线功率达1500W。虽然天线口径效率14%,比之前那款高一些,但耗电比前一个例子更大。

而且由于走了暴力堆砌的路线,会导致计算量和复杂度大幅增加。比如128根天线会导致计算量相对于4G时代大幅提升,且算法变得异常复杂,这就对BBU提出了新的挑战,为了应对这一点,某厂商选择采用台积电7nm工艺开发出算力提升2.5倍的基带芯片。但这种做法也会导致基带的功耗大幅上升,该厂商在大肆宣传基带芯片算力提升2.5倍的同时,对于功耗增加多少讳莫如深。

射频也必须使用顶尖器件——毕竟一辆重型坦克不可能用汽车的悬挂系统。

由于整个系统都是电老虎,机箱里的芯片和铁塔上的天馈系统工作1小时后就会热的一沓糊涂,这就必须有一个强大的冷却系统来散热,而空调又是电老虎,东北天气冷一些到还好,南方冷却系统耗电量非常大。

在上述几个组成部分中,耗电最大的是RRU、天馈系统,BBU是计算量耗电,用户越多、速率越快,耗电越大。RRU与天线融合为AAU之后,散热难度大幅增加,这会变相增加散热系统的功耗。

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为何中移动对市场主流5G方案反应冷淡

目前,中移动考核基站能换效率1类26%,即74%电能被发热消耗,只有26%的电能用在电磁波传输信息上。这还是只考核基带处理单元(BBU)、射频拉远单元(RRU)和天馈系统等,并不考核天线结果。

而经测试小型化介质透镜天线口径效率高出传统板状天线口径效率50%以上,若将现有的基站天线更新换代,以小型化介质透镜天线代之,不用更换RRU,改造成本低廉。每年节省的电费又能节约一大笔

可以说,5G基站消耗巨大电能,四分之三的能量都被暴力堆料的做法消耗掉变成了热能,这是极大的资源浪费。

一位朋友告知:一个5G站点一年电费6500至13000元。

另一位朋友告知:我们估算一个5G站点一年的电费是1.1万元。

如果要建1000万这样的基站,每年光电费就是1000亿元,而中移动日赚3亿,全年利润也就1000多亿。换言之,就是大规模部署5G的话,会导致中移动全年利润只够交电费。

即便基站砍一半,500万个基站的电费也相当于中移动半年的利润。

另外,由于整个系统常年处于高温下,而芯片长时间处于这种状态下,容易出问题,4个月必须换,由于用的都是顶尖的芯片,这些芯片价格都不便宜,这又是一笔不小的开销。

现在大家知道为何中移动对5G反应冷淡了吧。

不是中移动不爱5G,而是5G让中移动“高攀不起”。

光是高昂的电费就让运营商望而却步了。

如此高的运维成本(电费等),即便一些厂商拼命造势,拼命鼓吹,中移动根本就没动力去大规模怖这种“电老虎”5G基站。

铁流斗胆猜测运营商的心态:

移动:投资不会多于172亿元(红线在此,再没事找事一分钱都不给你)。

电信:投资90亿(不投资就不爱国,惹不起啊)。

联通:投资348.4亿元建4G(这种5G设备,谁爱用谁用,老子玩4G。)

即便5G是政治正确,政府各种行政指令,中移动还是宣布2019年在5G的投入上不会多于172亿元,原因就在于此。

透镜天线堪称数码相机对胶卷相机的革命

下面将说明为何小型化介质透镜天线基站是移动通信的一条创新出路。

那么,透镜天线是怎么解决5G覆盖差、设备功耗大、设备成本高三大问题呢?


新型5G天线堪称降维打击 市场主流5G方案被秒杀


(白色圆柱体为透镜天线)

透镜天线比传统天线效率高出50%以上(注:天线口径效率高达60%以上),作为对比,市场主流方案的两款天线仅为11%,14%,这几乎是降维打击。

就能耗来说,透镜天线比传统天线可节约电费30%。

透镜天线效率比同等口径的板状天线高,是因为介质透镜完全不用板状天线内部耗电的电缆、移相器、波束成形网络等元器件来换取增益的提高,而是利用极低损耗的介质透镜的聚焦特性提高增益。

同时,透镜天线结构简单,完全不用复杂的阵列天线技术和昂贵的芯片和元器件,与MIMO 128根列阵是两个极端。而BBU对基带芯片算力和算法要求一般,搭配普通的芯片就可以了。

这样一来,随着天线本身的功耗下降30%,基带BBU的功耗也可以大幅下降,顺带着供电系统和冷却系统的功耗也全方位下降。板状天线基站耗能这个电老虎可最大限度被排除。

就成本来说,透镜天线是人工合成材料,没有特殊昂贵材料,成品率高,制造成本低。由于不像主流方案那样需要使用顶尖器件,搭配普通的器件就可以,这方面也可以省下一大笔钱。供电系统和冷却系统的负担也大为减轻,成本也会随之大幅下降。

从中可以看出,透镜天线的意义并非仅仅是一款天线,而是可以降低整个系统的功耗和成本!

如果透镜天线被运营商大规模应用,目前市场主流的5G基站方案(暴力堆料)就会被判死刑!

更重要的,就覆盖和容量来说,透镜天线对于市场主流产品(板状天线)具有压倒性的优势。这种压倒性优势是物理层上的,就好比是热兵器对冷兵器的优势。

比如在体育场等场景的测试中,在使用现有4G设备的基础上,透镜天线显示出多项KPI指标优于5G(2.6MHz)天线,可以实现4-24倍扩容。

新型5G天线堪称降维打击 市场主流5G方案被秒杀


又比如高铁测试,在使用现有4G设备的基础上,在高速行驶的全封闭高铁车厢内测试的达标的最低信号覆盖可以达到2.3公里,而目前市场主流产品高铁基站的覆盖只有500米,即便是极限测试,以前也未有超过1000米的情况。

由于测试结果太过惊骇,参与测试的移动员工将新型天线视为神器。

介质透镜天线不仅在电性能上超过主流板状天线,而且在机械性能上,显示其小型化优势:

口径(m2)重量(kg)体积(m3)风荷(kg)

介质透镜 0.5x0.4 7.5 0.062 46

板状天线 1.39x0.32 20 0.052 103

据业内人士告知,此小型化透镜天线由于基本单元的增益、方向图、口径尺寸优化后,可采用积木堆砌方式以最小的天面占空体积、最小的重量、最低的风荷,可扩大基站容量至24倍,相当于1=24,即一个单杆塔可用6根抱杆安装6个2mx0.5m小型化介质透镜天线,增益20dBi、垂直瓣宽30°(无需电调机构)、覆盖360°、总重量264kg、风荷1104kg。相当于传统板状天线24面(2T2R),增益20dBi、垂直瓣宽7°(需电调机构) 总重量720kg、风荷2472kg。

总的来说,从能耗、性能、覆盖、成本、重量、体积、风荷等各方面来看,小型化介质透镜相对于传统板状天线的优势是碾压性的,堪称是数码相机对胶卷相机的革命。应该引起国家工业信息化部门和设备商高度重视。

真正的高科技,必然是便宜好用、物美价廉的,这方面最典型的例子就是光纤,目前一根光纤已经可以达到1Tbps,而光纤要比同等长度面条便宜,这才是真正的高科技。

业内人士告知,最新的毫米波5G透镜天线,只有茶杯大小,重量只有香烟盒这么重,简直难以置信!

透镜天线具有很大潜力再续光纤的辉煌。

那种用10倍的成本换取3倍的性能提升,且74%的电能化作热能耗散,这叫浪费,不叫高科技。

科技创新的伟大提升生产力,在过去一百年里,麦克斯韦方程式主导的天线一直没有变,而透镜理论彻底改变了天线设计,这是一场革命。

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