优化5G网络及物联网的天线设计

2022-09-10

物联网是信息技术中不可或缺的一部分, 也是信息技术未来要实现的重要目标。我们正处于新一代“互联网技术”的发展阶段, 当前主要目标就是把互联网的核心和基础建立在互联网之上, 并使用更多具有延伸性和可扩展性的网络技术, 实现更好的信息交流和沟通, 本文将会对该方面进行探讨。

一、5G网络与物联网发展分析

(一) 5G网络概览

5G通信技术实际上是5代移动通信标准的缩写, 5G网络在新兴的通信网络技术测试的扩展中, 根据多变的合作协议, 将现有的4G网络的连接速度和连接范围扩展到原来的6至7倍, 大大提高了网络链接速度和范围, 现在, 它被人们所认可。5G网络在无线技术与网络技术的关系中, 采用了网络提速技术和移动边缘计算技术, 加上控制平台分离技术和网络功能重构技术的辅助, 5G网络已成为新一代全球统一的网络连接标准, 为人们带来了巨大的经济效益。目前情况, 5G通信网络技术还没有完全成熟, 它成为了全球互联网产业在下一阶段的重点研究对象, 而且5G技术正面临系统验证的初级试水阶段, 在这个关键的阶段, 这项技术将不可避免地与物联网相互作用, 发展趋势和结果与物联网密切相关。

(二) 物联网的现状分析

物联网是促进新兴经济增长的战略性新兴产业, 具有良好的市场效益, 在2014-2018年间, 中国物联网行业应用领域市场需求与投资预测中的数据表明:安全, 交通, 电力, 物流等行业物联网市场规模分别达到600亿元, 300亿元, 280亿元和150亿元, 在2018年, 中国物联网产业规模达到2600多亿元, 成为我国经济发展的一项非常重要的指标。从实际上来看, 物联网实际上是一个由感知层, 网络传输层和应用层组成的传感器网络系统, 它整合了Iliary的网络系统, 然后完成移动网络的计算和传输, 成为互联网业界关键技术发展的新突破。互联网技术可以通过无线网络技术打破人与人之间的沟通瓶颈, 具有非常广泛的应用开发前景。

因此, 人们希望通过物联网技术构建更科学的物联网系统, 利用物联网在网络层面传递和传递信息, 可以促进智能家居, 智能交通, 智能环境监测的发展, 为工业安全生产, 健康监测和公共安全与健康提供有力保障。人们的智能生活的普及将迎来历史性的突破。中国互联网事物的发展趋势与全球化的进程是同一步调的, 虽然我国互联网的发展时间并不长, 但是, 可以使用高级智能先进的数字技术提高社会的智能化形态, 促进我国的物联网技术在特定领域的产品标准不断提高。

(三) 5G网络与物联网之间融合的必要性

只有完整的网络系统标准涵盖的互联网技术在一些方面和5G移动终端技术相互支持, 才能满足人们和事物之间的需求。物联网与5G网络的连接更加需要注意安全性, 为了满足移动通信网络和移动互联网的需求, 对于安全性和隐私性要求较高。特别是, 某些行业机制需要高安全性和隐私要求, 原因是因为物质之间的链接不会违反安全目标。在QOS保护机制的保护下, 移动互联网业务的安全性将会取得更大的进展, 并且随着移动互联网的发展, 5G通信技术与物联网紧密结合, 成为不可分割的整体。目前互联网的应用范围非常广泛, 给人们带来了许多便利, 用户不再需要构建小型局域网, 可以轻松的通讯联系, 更成熟的网络体验促进了服务和营销模式快速发展, 大幅度降低了网络建设成本, 所以说5G网络与物联网之间的融合是非常有必要的。在不久的未来, 中国的互联网需求将继续增长, 5G通信技术延时低, 覆盖范围广, 网络超密集, 链路规模大, 这些优势将带给人们的生活和体验上的革命性变化。

二、优化5G网络的天线设计

(一) 优化5G网络天线设计的关键技术措施

天线作为5G网络收发连接载体, 可承接多个连接方式, 包括WIFI、蓝牙、北斗卫星、GPS、FM等等;多种系统接入不同物联网产品, 对天线产品性能、指标、设计提出更高要求;天线功能十分庞大;传统上, 为了提高无线电信号的传输质量, MIMO技术是一个很好的选择, MIMO技术是通过多个天线同时发送和接收无线电信号, 然后向数十个目标发送和接收无线信号, 以便充分利用空间资源, 增加有效频段资源网络容量, 天线技术天线可以同时处理同一信号, 这种应用模式虽然对空间传输容量和频谱利用率没什么贡献, 但却可以极大地提高无线传输的可靠性。天线设计的设计形态有空间分集、空间复用与波束赋形三种不同的形式, 为了迎合5G系统的频谱, 毫米波技术被广泛应用, 由于该技术可以提高设备的集成化, 为大规模MIMO天线同时实现3种应用模式提供了技术保证。大规模MIMO天线的数量很大, 信道往往是正交的, 系统性能也就更加稳定。

1.5G天线点阵技术

5G网络是一个密集分布基站网络, 基站分布密度比前几代移动系统都高。其中, 基站移动终端之间采用28Ghz的毫米波频段通讯。基站天线系统采用相控阵天线体制。波束在垂直和水平两个方向交叉极化, 以实现更高的用户密度和增加系统用户容量。5G终端具备自选基站能力, 可以根据基站误码率挑选误码率低的基站和信道通讯。

实现以上这些功能, 依赖阵列天线技术, 基站和终端都用到了毫米波相控阵天线。终端中天线阵列为n Xn点阵。对应垂直和水平两个极化方向的信号收发。

2.5G天线的芯片模组

天线点阵, 不可能用多根屏蔽线引出信号到射频芯片了, 需要引出天线与点阵天线做成一体, 用一个芯片管理四个点阵, 这也为天线设计增加了难度。

天线模组输出不是射频信号, 可以用接插件引出端子到馈电网络、高频振子上, 通过振子接收和发射。

3.5G天线材料

5G天线阵列结构、芯片组控制管理、天线模组等, 再加上固有的馈电网络、振子结构, 给材料带来很大挑战。如果把电路全部印制在印制板上, 则造价非常高。采用改性PP材质支架+激光点焊芯片工艺, 是一种低成本材料体系, 利用PP材质低损耗, 用激光点焊回避了其不耐高温焊接缺陷。激光点焊 (配合特殊焊接锡膏) , 是一种在低温基材上焊接电子元件技术。5G基站天线都可以采用此种工艺大幅度降低材料成本。5G基站更密集, 需要更多天线, 采用先进材料和制造工艺降低成本非常重要[1]。

(二) 物联网和5G网络优化遭遇到的瓶颈

现今阶段我国的物联网正处于发展的初期阶段, 各种技术不足在所难免, 这给物联网的推广带来了很多障碍。目前的物联网技术主要缺乏两个标准:第一个就是接口的标准化, 第二个是数据模型的标准化, 由于中国5G互联网行业比较混乱, 需要各种专业技术强化, 所以上述两个标准无法保证。鉴于物联网的建设处于试用阶段, 基础设施建设还不够完善, 有关于检查和维护专业设施工作中遇到的问题, 有必要在持续调查中找到答案。这为实施移动设备优化的天线设计提供了坚实的技术基础, 促使物联网能够在社会中迅速传播[2]。

(三) 5G网络优化发展展望

5G网络有着较高的频谱利用率, 传输速度和资源利用率, 是4G网络的全方位提升, 5G网络除了在无线覆盖性能, 传输延迟, 系统安全性和用户体验方面做了重大改进之外, 各个国家和通信巨头还开发了PPP和METIS, 它们在访问速度, 内容质量以及语音, 容量, 数据等功能的整合方面全方位优于4G, 可以满足视频, 语音, 即时消息, 在线游戏, 虚拟现实等多种多媒体元素的互动需求。欧盟委员会副主席Nellie Creus表示“5G网络提供新技术, 建立人与人之间的连接, 以及人与社会之间的连接。不管你在哪里, 这些服务都可以很快实现。第五代移动通信网络实现了更加灵活, 更加友好的现象, 5G网络除了支持巨大的数据流量之外, 还可以使用非常低的成本来实现, 成为解决带宽不足问题的重要新技术。与此同时, 5G技术的发展带来了无线通信能力的稳步发展, 并正在向越来越依赖于短距离本地通信的新形式迈进。5G网络以新技术为补充, 为了将来数十亿无线设备的信息传播提供速度和容量支持, 为许多通过互联网相互连接的人们带来便利。未来, 5G网络将在全球通信市场快速发展, 推动结构性改革, 增加附加值。根据欧盟委员会的最新数据, 全球5G用户预计将突破50亿人, 潜在用户数量巨大, 对比世界约70亿人口, 通信市场有望成长壮大, 成为人们以后生活的标配[3]。