NIST的天线评估方法可帮助提升5G网络容量并降低成本

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员开发出一种方法，用于评估和选择适用于未来第五代（5G）手机、其他无线设备和基站的最佳天线设计。

新的NIST方法可以提高5G无线网络容量，降低成本。5G系统将使用更高的毫米波频段来避开拥挤的传统无线信道。这些频率的信号在传输过程中会损失大量能量，从而削弱接收到的信号强度。一种解决方案是“智能”天线，它可以形成非常窄的波束（信号传输或接收的空间区域），并迅速将其引导到不同的方向。天线波束宽度会影响无线系统的设计和性能。NIST新的测量方法使得系统设计者和工程师可以评估真实环境中最合适的天线波束宽度。

“我们的新方法可以在初始网络设计上取得更大的成功，消除目前所需的大量反复试验，从而降低成本，”NIST的工程师Kate Remley说。“该方法还将促进新基站的使用，这些基站可以同时或快速连续地向多个用户传输数据，而不会有一个天线波束干扰到另一个天线波束。反过来，这将增加网络容量，降低成本，并且可靠性更高。”

这是第一个详细的以测量为基础的研究，探讨了天线波束宽度和方向如何与环境产生相互作用，从而影响毫米波信号的传输。在该技术中，覆盖大范围天线波束角度的NIST测量被转换成覆盖所有角度的全向天线图。然后可以将全向图分割为越来越窄的波束宽度。用户可以评估和模拟天线波束特性在特定类型的无线信道中的表现。

工程师可以使用这种方法来选择最适合特定应用的天线。例如，工程师可以选择足够窄的波束宽度来避免某些表面的反射，或者选择允许多个天线在给定的环境中共存而不受到干扰的波束宽度。

为了研发这种新方法，NIST团队使用了一个装有定制通道探测器和其他设备的特殊机器人在NIST研究大楼的走廊和大厅收集实验数据。信道发声器收集了发射端和接收端之间的信号反射、衍射和散射的数据。许多这样的测量可以用来创建关于无线电信道的统计表示，以支持可靠的系统设计和标准化。

NIST的研究结果证实，窄波束可以显著减少信号的干扰和延迟，优化的波束方向可以减少传输过程中的能量损耗。例如，当天线波束宽度从全向（360°）减少到窄3°或所谓的铅笔波束时，信号反射到达的时间间隔（一种称为RMS时延扩展的度量指标）从15 ns急剧下降至约1.4 ns左右。

未来的研究包括将该方法扩展到不同的环境及其他无线信道特性的分析。