Антенная техника — одна из тех редких областей, где «классика» не выходит из моды. Проектирование систем связи до сих пор опирается на фундаментальные принципы XIX века, ведь уравнения Максвелла будут другими разве что в альтернативной вселенной. Но инженерная мысль не стоит на месте: в дополнение к традиционным конструкциям приходят метаструктуры. Они позволяют решать задачи, которые раньше казались невыполнимыми — например, реализовывать отрицательный угол преломления луча. 

Меня зовут Алексей, я радиоинженер, работаю в дивизионе Телеком в YADRO и руковожу кафедрой «Радиофизика, антенны и микроволновая техника» в МАИ. Сегодня мы продолжаем цикл статей о разработке базовых станций. Расскажу об особенности разработки антенн: как менялись требования от поколения к поколению связи, как создаются и тестируются прототипы, какой может быть архитектура и какие вызовы стоят перед нами сейчас.

От натурного моделирования — к численному

В основе работы антенн лежат законы физики и электродинамики, которые не изменятся никогда. Но прорыв в этой области все же был: от натурного моделирования мы перешли к численному. Этот переход часто называют революцией в вычислительной электродинамике (Computational Electromagnetics): он начался в 1960-х годах и окончательно утвердился в 1990-х. 

Основные этапы перехода можно описать так:

  1. Эпоха натурного моделирования — до 1960-х. Антенны проектировались на бумаге, потом создавались в лаборатории или мастерской, а их параметры измерялись на полигонах. Процесс требовал огромных затрат времени и материалов. 

  2. Зарождение численного моделирования — 1960–1970-е. С появлением первых ЭВМ ученые начали применять компьютеры для решения уравнений Максвелла. В этот же период формализовали Метод моментов (MoM), а это позволило моделировать проволочные антенны с помощью матричных вычислений.

  3. Становление алгоритмов — 1980-е. Инженеры писали свои программы для решения задачи прикладной электродинамики, используя различные численные методы: метод конечных разностей (FTDT), метод конечных элементов (FEM), упомянутый выше метод моментов. Каждая диссертация у нас на кафедре в эти годы сопровождалось написанием новой уникальной программы численного моделирования под конкретную задачу. 

  4. Компьютерный бум и переход к коммерческим САПР — 1990-е — настоящее время. Рост вычислительной мощности процессоров и графических ускорителей привел к появлению мощных коммерческих пакетов. Численное моделирование стало основным этапом разработки, сильно обогнав натурные тесты по скорости и детализации.

У современных антенн — даже тех, что «живут» в наших с вами смартфонах — сложная многослойная и миниатюрная структура. На ранних этапах проектирования прототипы для нее изготавливать дорого (а порой и невозможно). Компьютерная симуляция в разы дешевле производства новых опытных образцов: программа показывает распределение токов и напряженности электромагнитного поля внутри антенны (решение внутренней задачи электродинамики) и вне антенны в любой точке (внешняя задача электродинамики). Такое сложно наблюдать при натурном эксперименте. 

Если раньше каждый писал собственную программу, чтобы численно моделировать антенны, то сейчас все проще: появились готовые программные продукты, которые специализируется именно на прикладной электродинамике и моделировании антенн в 3D. 

Хотите развивать телеком‑направление с нашей командой? Сейчас в дивизионе Телеком YADRO открыты такие вакансии:

  • ведущий инженер‑разработчик СВЧ устройств и антенной техники;

  • инженер‑исследователь по системному анализу мобильных сетей радиосвязи;

  • инженер алгоритмов/MAC scheduling algorithms Engineer (LTE, 5G).

    Все вакансии можно изучить здесь.

Создание и тестирование прототипов

Основные этапы проектирования антенн в наше время индустриализированы настолько, насколько это вообще возможно. Остановимся тут подробнее:

  • Первый шаг — это постановка задачи. Нужно определиться с размерами системы и требованиями к излучению: рабочие диапазоны частот, направление, характеристики лепестков диаграммы направленности, диапазоны изменения характеристик, поляризация, мощность и так далее.

  • Дальше наступает время творчества. Продумываешь возможные решения и конструкции, которые отвечают условиям задачи. Изучаешь научные статьи по теме и наработки других инженеров. На этом этапе могут случиться настоящие прорывы и изобретения.

  • Создаешь электродинамическую 3D‑модель, задаешь условия излучения и проводишь электродинамическое моделирование в САПР. По сути, это работа с цифровым двойником антенны. Современные системы позволяют учитывать не только электромагнитные поля, но и влияние механических изменений при перепадах температуры.

Важно отметить, что проектировать приходится не каждый элемент в отдельности, а в конечном итоге все устройство целиком. В отличие от низких частот — «постоянного тока», как шутят СВЧ‑инженеры — элементы здесь сильно влияют друг на друга

Можно представить себе антенную решетку 5G и посчитать диаграмму направленности, которая покажет, в каких направлениях антенна будет излучать. В качестве примера приведу модель антенны — двухдиапазонной антенной решетки LTE/5G:

Эта антенная решетка может сканировать окружающее пространство, изменяя направление излучения в зависимости от размещения абонентов. Видно, что у нее концентрированный луч в вертикальной плоскости, тогда как в горизонтальной она охватывает большой сектор. Так выглядит типичная антенная решетка в телекоммуникациях, хотя на этой визуализации конструкция получилась специфическая. 

Что дальше? Получив результаты моделирования, оцениваешь, насколько ты далек от цели. Так начинается длинный путь по оптимизации и модификации решения до достижения поставленных целей. Оптимизировать конструкцию можно в полуавтоматическом режиме и при помощи искусственного интеллекта, используя генетические алгоритмы для поиска оптимальных параметров.

Как строится маршрут проектирования антенно‑фидерных устройств (АФУ)

В основе — классический V‑образный цикл, который сочетает нисходящий и восходящий подходы.

На первом, нисходящем этапе (сверху‑вниз), происходит последовательная декомпозиция системных требований. Процесс начинается с анализа общих характеристик целевого устройства. На их основе формируется техническое задание к АФУ: диапазон частот, усиление, диаграмма направленности. Дальше выбирается базовая концепция и топология антенны, которая затем детализируется до уровня отдельных составных частей. На этом шаге определяются жесткие требования к каждому элементу: от фидерного тракта и распределительных сетей до единичного антенного элемента (АЭ).

На втором, восходящем этапе (снизу‑вверх), выполняется синтез и сквозная верификация системы. Разработка переходит в плоскость электродинамического моделирования, начиная с оптимизации изолированных составных частей — отдельного АЭ или узла питания. Потом модель последовательно укрупняется: элементы объединяются в топологическую структуру, где критически важно учесть их взаимное влияние и паразитные эффекты. Финальный шаг — виртуальная, а потом и натурная проверка всей конструкции в сборе (включая корпус и обтекатель) на соответствие исходным системным требованиям. Такой двусторонний подход позволяет выявить и устранить инженерные ошибки еще на этапе проектирования и снизить затраты на доработку опытных образцов.

Компьютерное моделирование помогает сократить время и затраты на прототипирование, но опыт — критерий истины. После этого этапа нужно провести натурный эксперимент на прототипе антенны. Во время него в безэховых камерах измеряются характеристики — это дает возможность оценить, насколько ваши предположения и моделирование оказались верны. Именно здесь проявляются особенности, связанные с точностью исполнения. Даже у самых мощных систем моделирования есть ограничения и нюансы, из‑за которых они не смогут полностью заменить натурные испытания. Чтобы учесть все особенности, нужны детальные 3D‑модели каждого винта, шайбы, а порой и неровностей после механической обработки фрезерованием. Многое зависит от длины волны: частота выше — длина волны меньше, и все мелкие элементы и детали становятся значимыми для анализа. 

Давайте подытожим: сначала определяются продуктовые требования к антенне, сфера применения, поддерживаемые диапазоны и характеристики, которыми она должна обладать. Очевидно, что в маленьком поселке, около скоростного шоссе и в городе требования будут сильно отличаться. Для каждой ситуации должен быть разработан свой тип антенны, которую нужно рассчитать, создать и после этого оценить ее характеристики на прототипе в безэховой камер, отладить модель и сам прототип до момента, когда необходимые характеристики будут достигнуты. 

На этом этапе важна оптимизация материалов и конструкции. Работа инженера — это всегда поиск компромисса. Нужно найти баланс между идеальными, но дорогостоящими материалами и их доступными, но качественными аналогами. К тому же конструкция и механика антенны должны быть технологичными — то есть адаптированными под существующие процессы массового производства. 

Процесс разработки завершится, когда заявленные характеристики будут подтверждены натурными испытаниями (в лаборатории и «в полях») и антенна отправится на производство. На этом процесс не закончится: все характеристики еще нужно будет подтвердить на серийной антенне, так как технологии массового производства и потоковая сборка тоже могут побудить внести коррективы в конструкцию и материалы.

Поколения антенн базовых станций

Почему антенно‑фидерные системы сотовой связи не используются в том же виде, что и, например, 30 лет назад? Во всем виноваты требования к характеристикам радиоканалов при проектировании и оптимизации сетей сотовой связи, которые все время меняются — соответственно, стандарты совершенствуются.

В истории сетей сотовой связи можно условно выделить несколько поколений: 

Во всех поколениях используются антенные решетки — они состоят из отдельных элементов, ансамбль которых составляет антенну с заданными характеристиками.

Ранние поколения связи предполагают создание фазированных антенных решеток (ФАР) — это когда радиомодуль разрабатывается отдельно, а антенна — отдельно. В наших базовых станциях 2G/4G сейчас такой же принцип. А вот в системах последних поколений чаще применяются активные антенные решетки — когда радиомодули и антенны интегрированы в единую конструкцию.

Первое поколение антенн

Первые антенны были достаточно простыми. Основная задача проектирования тогда звучала так: обеспечить максимальную зону обслуживания сотовых сетей при минимальном количестве оборудования. Требования к отношению сигнал/шум в аналоговых стандартах первого поколения (NMT-450, AMPS, TACS и других) были сформулированы в виде общих рекомендаций, в которых значению отношения сигнал/шум (ОСШ) ставилась в соответствие субъективная оценка качества речи. Антенны применяли всенаправленные — по сути, это была антенная решетка из нескольких излучающих элементов:

Антенна RFS 201-7N Stationmaster II® Omni Fiberglass Antenna диапазона 450–470 МГц для базовых станций стандарта NMT-450. Коэффициент усиления антенны 7,1 дБ
Антенна RFS 201–7N Stationmaster II® Omni Fiberglass Antenna диапазона 450–470 МГц для базовых станций стандарта NMT-450. Коэффициент усиления антенны 7,1 дБ

Чтобы достичь максимальной зоны обслуживания в системах первого поколения, применяли антенны с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и узкой диаграммой направленности в вертикальной — с максимумом в направлении горизонта.

Второе поколение антенн

Плотность распределения абонентов росла. Это предопределило появление цифровых систем второго поколения — 2G: TDMA, CDMA, GSM и других. 

Второе поколение связи сопровождалось бурным ростом сетей — нужно было создавать решения с хорошим покрытием, при этом количество площадок для размещения оборудования было ограничено (сейчас, кстати, ситуация такая же). В системах 2G стали применяться конфигурации с тремя секторами. При таком подходе сохранялась классическая сотовая гексагональная структура сетей, но количество площадок можно было сократить в три раза. 

С такими базовыми станциями стали применяться панельные антенны с диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. Эта плоскость была ограничена заданным сектором (например, 120 градусов) и узкой диаграммой направленности в вертикальной плоскости с максимумом в направлении горизонта.

Секторная панельная антенна компании RFS второго поколения AP901213-T0. Работает в диапазоне 824–960 МГц с шириной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости — 120˚ и коэффициентом усиления — 15 дБ. На таких антеннах можно было строить сети стандартов D-AMPS, CDMA, GSM 900
Секторная панельная антенна компании RFS второго поколения AP901213-T0. Работает в диапазоне 824–960 МГц с шириной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости — 120˚ и коэффициентом усиления — 15 дБ. На таких антеннах можно было строить сети стандартов D‑AMPS, CDMA, GSM 900

Одной из ключевых характеристик при размещении антенн в пригородной и городской среде был размер антенны. Производители предлагали один или несколько вариантов реализации антенны для ряда типоразмеров: коэффициент усиления связан с размером антенн. Антенны для рабочей полосы GSM 900 в различных модификациях имели коэффициент усиления от 10 дБ до 17 дБ при вертикальном размере от 0.5 м до 3 м, а антенны для рабочей полосы GSM 1800 в различных модификациях — коэффициент усиления от 16 дБ до 18 дБ при вертикальном размере от 1.3 м до 2 м.

Третье поколение антенн 

Введение новых методов модуляции повлекло за собой рост требований к отношению сигнал/шум в системах. Теперь нужно было обеспечить максимальное заданное отношение сигнал/шум в пределах зоны обслуживания. Для этого несколько частотных диапазонов стали объединять в рамках одного стандарта. С другой стороны, возрастала плотность сетей в городах. Нужно было больше различных типов антенн с разнообразными характеристиками. 

Чтобы уменьшить помеховое воздействие базовых станций друг на друга, понадобились более сложные антенны со специальными диаграммами направленности. Недостаточно наращивать коэффициент усиления — нужно создавать антенные решетки с предустановленным наклоном луча в зону обслуживания, низким уровнем верхнего бокового лепестка и заднего для снижения помех соседним станциям. Низкий уровень излучения в направлении горизонта позволил снижать общий уровень внутрисистемных помех. 


Многообразие антенн сотовой связи тогда было невероятным. По моим воспоминаниям, в конкурсе на закупку один из российских мобильных операторов запросил у разных поставщиков 194 типа антенн!

Четвертое поколение антенн

Большинство операторов стали использовать существующие позиции сети второго поколения, чтобы развернуть сети третьего поколения. Возросла актуальность антенных систем с изменяемыми параметрами и многодиапазонных систем, которые объединяли два и три частотных диапазона.

Нужна была возможность управлять диаграммой направленности антенн. Представьте: у вас строится сеть, нужны новые базовые станции. Какие‑то из них придется наклонить сильнее, чтобы они не мешали друг другу и светили туда, куда нужно. Похожий пример из бытовой жизни — лампа на столе. Конечно, ты можешь светить в горизонт, но работать‑то тебе нужно здесь.

Соответственно, появилась новая задача — делать антенны с управляемым углом наклона. Так получилось минимизировать перекрытие зон обслуживания, и антенны перестали «конфликтовать» друг с другом. Это позволило повысить производительность сети:


Если в первых антеннах к такому результату можно было прийти только через замену антенн, то в современных системах стали менять характеристики уже существующих. Инженеры стали производить антенны с изменяемыми характеристиками: такие антенны изготавливаются на основе фазированных антенных решеток, внутри размещаются специальные фазовращатели, которые позволяют изменять направление луча диаграммы направленности. Эта конструкция выглядит примерно так:


Угол наклона в таком оборудовании можно изменить механически с помощью специальных винтов, но для этого нужен сервисный инженер: ему пришлось бы ехать непосредственно к антенне. Само оборудование нужно было бы выключить, а сервис прервать. Со временем появилась электромеханическая подстройка с помощью шаговых двигателей и приводов, реализуемых в Remote Electrical Tilt (RET). Отмечу, что эта система не позволяет в реальном времени «качать лучом», следя за пользователями. Она позволяет лишь менять условия сервиса, корректируя зону обслуживания базовой станции и уровни сигналов внутри нее.

Радиомодули, который мы реализуем в YADRO, умеют работать с такими антеннами. Есть специальные стандартизированные интерфейсы, которые позволяют подключить наш RU к антенне разных производителей и менять ее характеристики или угол наклона. Физически антенна при этом меняться не будет: если мы будем наблюдать за ней, то ничего не заметим. 

Изменять угол наклона антенн можно удаленно за счет применения протокола AISG: по команде от оператора он приводит в движение специальный мотор RET, а тот, в свою очередь, заставляет фазовращатели двигаться.

Radio Unit (RU) — радиомодуль базовой станции, Baseband Unit (BBU) — модуль цифровой обработки 
Radio Unit (RU) — радиомодуль базовой станции, Baseband Unit (BBU) — модуль цифровой обработки 

Управление по протоколу AISG стало стандартом отрасли. Протоколы управления антеннами стандарта четвертого поколения 3GPP TS 36.461 (физический уровень) и 3GPP TS 36.466 (прикладной уровень) базируются именно на разработках AISG и дают возможность совмещать оборудование от разных производителей.

В сетях операторов работают сотни антенн различных производителей и моделей, и наш радиомодуль должен уметь работать с каждой из них. Это сложная задача, так как протоколы общения у сотен моделей антенн отличаются, и нам нужно поддерживать их все. Опыт показывает, что при интеграции систем управления в каждом случае есть какие‑то особенности, которые нужно учитывать. Соответственно, мы адаптируем наше оборудование и программное обеспечение под каждую такую модель. К тому же нужно учитывать и особенности физических интерфейсов: распиновка разъемов бывает неожиданно отличной от той, что используют все остальные.

Меняем законы физики с метаструктурами

Классические ФАР требовательны к размеру: чтобы все работало, антенные элементы должны стоять на определенном расстоянии друг от друга: обычно это около половины длины волны. Но часто нам нужно сделать антенну компактнее, избавиться от паразитных эффектов (когда соседние антенны влияют друг на друга и искажают диаграмму направленности) или заставить антенну отклонять луч сильнее. В этом случае «спасательным кругом» становятся метаструктуры. По сути, они позволяют «переписать» правила игры для радиоволн и дают инженерам новые инструменты, чтобы создавать антенны с невиданными ранее свойствами. 

Метаструктуры, которые появились в антенной технике в конце прошлого века, легли в основу современных метаматериалов в нанотехнологиях. Мы работаем с достаточно большими длинами волн: длина волны для диапазона 900 МГц — примерно 30 см, для 1800 МГц — примерно 16 см, и так далее. Чем выше частота сотовой связи, тем короче длина волны, и это напрямую влияет на проникающую способность сигнала и размер антенн. Все объекты антенны соизмеримы с этой длиной волны. А в нанотехнологиях длине волны соизмеримы очень маленькие элементы структуры, которые можно «запечатать» в материал. В этой сфере появились метаматериалы, которые позволяют изменить угол преломления — например, сделать его отрицательным. 

Подытожим. Выше я говорил о пассивных решениях — конструкции такого рода позволяют добиваться нужных характеристик и интегрироваться в базовую станцию. Эти решения сейчас используются в сетях четвертого поколения.

Пятое поколение антенн

Тенденция пятого поколения — интерес к многолучевым антенным решеткам, адаптивному диаграммообразованию (Beamforming) и Massive MIMO, которые позволяют повысить отношение сигнал/шум для определенного абонента.

В 4G функции современных систем сотовой связи действительно широки: голосовая связь, SMS, видеосвязь, передача TV‑ и видеопотоков, передача файлов и так далее. В 5G основным потребителем услуг становятся разнообразные устройства — от умного дома и систем видеонаблюдения до высокоскоростного транспорта, автономного транспорта и промышленного применения. К тому же изменился характер абонентских устройств сотовой связи. Функция голосовой связи в смартфонах уже давно не единственная и даже не основная.

Тот факт, что у устройств разные функции, определяет разницу в требованиях к радиоканалу связи. Например, для традиционных телефонов нужно обеспечивать минимальное соответствующее отношение сигнал/шум, а для модемов — максимизировать отношение сигнал/шум. Классический подход к проектированию и оптимизации сотовых сетей, ориентированных на определенные профиль и характер поведения абонента, здесь работает уже не так хорошо. Задача проектирования и оптимизации не сводится к определенному шаблону — например, выбору в качестве основного критерия качества голосовой связи, в то время как другие услуги становятся неприоритетными.

Как я уже сказал выше, требований много и они жесткие. Приходится акцентироваться на адаптивных подходах к оптимизации отношения сигнал/шум для определенного абонента. Отвечать на возрастающие требования к скоростям передачи данных помогают методы пространственного разделения сигналов (MIMO).

Технология Massive MIMO

Большинство современных антенн состоят из множества антенных элементов. В антеннах, которые сейчас устанавливаются на базовых станциях, таких элементов может быть два, четыре, а иногда и восемь. Управляя фазовыми соотношениями сигналов на них, можно формировать и наклонять узкий луч в вертикальной плоскости и широкий в горизонтальной, чтобы обеспечить покрытие в широком секторе углов.

Изменение угла наклона увеличивает соотношение сигнал/шум в канале и позволяет передать больше данных. В отличие от обычных антенн, с помощью большего количества элементов можно создавать один или несколько независимых остронаправленных лучей для отдельных пользователей, и это еще больше усиливает эффект. Такую технологию называют Massive MIMO — обычно она ассоциируется с пятым поколением связи. 

Решения Massive MIMO предназначены для диаграммообразования и пространственного мультиплексирования. Подробнее об этих технологиях расскажу дальше.

Формирование луча — Beamforming

Massive MIMO и фазированные антенные решетки позволяют создавать различные формы лучей в секторе — в зависимости от того, какая задача решается. Этот процесс называется Beamforming (формирование луча):

Как сформировать луч? Путей несколько: 

  • Секторизация — это когда при помощи одной антенны один сектор делится, например, на два. Люди, находящиеся в получившихся секторах, будут считать, что работают с двумя разными базовыми станциями. Между секторами можно будет переходить так, как будто это две разных локации. Операторы используют такой подход, чтобы увеличить емкость сети без закупки нового оборудования. В пространство можно просто добавить новый сектор базовой станции с помощью уже имеющейся антенны.

  • Формирование луча в направлении пользовательского устройства (Single‑User MIMO). Это когда вся энергия базовой станции и вся энергия антенной решетки направлена на определенный участок локации, где нужно создать очень высокий уровень сигнала и обеспечить хорошую скорость передачи данных на границе зоны обслуживания.


  • Формирование луча в направлении нескольких пользовательских устройств (Multi‑User MIMO). Это когда можно одновременно создать несколько лучей для нескольких отдельных пользователей или групп пользователей.

Более того: лучами в Single‑User MIMO, и в Multi‑User MIMO можно управлять, отслеживая местоположение абонента. Передается некий подкрашенный сигнал, который позволяет мобильному устройству и оценить качество канала и сообщить, какой лучше использовать. Или, наоборот, мобильный телефон посылает сигналы о своем местоположении, а базовая станция оценивает местоположение абонента и подстраивает под него луч. Пример таких подкрашенных каналов — это SRS (Sounding Reference Signal, зондирующий опорный сигнал) и DM‑RS (Demodulation Reference Signal, демодуляционный опорный сигнал). Какой именно канал используется — зависит от подхода, диапазона и стандарта связи. 

Такие механизмы называются алгоритмами Beamforming, сейчас мы в компании их разрабатываем. На разработках антенных систем для Massive MIMO в нашей компании специализируется радиочастотный центр. 

Пространственное мультиплексирование

Для передачи потока данных нужна полоса радиочастот или частотный канал. Пространственное мультиплексирование позволяет передавать несколько потоков данных по разным пространственным путям, но используя один и тот же частотный канал. Мы как будто добавляем виртуальную полосу частот, а за счет этого увеличивается пропускная способность. 

Когда пространственные каналы предназначены для одного пользователя, такой вариант пространственного мультиплексирования мы называем SU‑MIMO (Single‑User MIMO), а когда разные пространственные каналы передаются разным пользователям — MU‑MIMO (Multi‑User MIMO). 

Разные пространственные пути могут формироваться как изменением направления лучей диаграммы направленности, так и разделением поляризаций излучения — например, первый поток данных излучается с поляризацией +45 °С, а второй — с -45 °С. Каждый канал проходит по своему маршруту и испытывает различные переотражения. Для телефона, обладающего несколькими антеннами, сигналы, приходящие по пространственным каналам, могут быть различимы несмотря на то, что передаются в одном частотном канале.

Можно сказать, что ключевая часть Massive MIMO — это активная фазированная решетка, позволяющая реализовать функциональность Beamforming (для трафиковых и широковещательных каналов) вместе с SU‑MIMO и MU‑MIMO. Это позволяет увеличить площадь и дальность покрытия и значительно повысить емкость сети. 

Заглянем в будущее

А что с шестым поколением антенн? Если заглянуть в будущее, мы увидим, что требования к скорости передачи данных и уникальности каналов для каждого пользователя будут расти. Неважно, человек это или машина. 

Развивается стандарт 5G Advanced, а в конце этого десятилетия будет принят стандарт 6G. С ним связывают появление новых антенных технологий — 3D MIMO и H‑MIMO. Эти передовые технологии антенных систем управляют радиоволнами в пространстве, чтобы кардинально увеличить емкость и покрытие сети. Главное различие между ними — плотность размещения элементов и физический принцип формирования лучей.

Технологии Giga MIMO и XL MIMO

Базовая станция использует двухмерную матрицу антенн — планарную решетку. Так она может направлять узкие лучи индивидуально на пользователя, даже если один человек находится на первом, а другой — на верхнем этаже небоскреба. Преимущество такой технологии — устранение взаимных помех между абонентами на разной высоте. Точечная фокусировка энергии значительно улучшает качество приема сигнала. 

Количество антенных элементов в Massive MIMO — от единиц в низких диапазонах и до сотен на высоких частотах. Сверхточный 3D‑фокус (игольчатые лучи) может быть создан в системах Giga‑MIMO и XL‑MIMO с количеством антенных элементов 1024 и более. Передовые системы 3D MIMO работают в верхней части сантиметрового диапазона, а также в миллиметровом (mmWave) или перспективном Upper Mid‑Band (7–24 ГГц). Длина волны в таком случае настолько мала, что тысяча элементов легко помещается в панель размером с обычный чемодан.

Технология H‑MIMO

H‑MIMO (Holographic MIMO) — это эволюционный шаг к непрерывным излучающим поверхностям, где вместо отдельных крупных антенн используется сверхплотная матрица из тысяч крошечных метаэлементов. Расстояние между ними существенно меньше длины волны сигнала. Вместо классического цифрового формирования лучей H‑MIMO создает голографическую картину интерференции электромагнитного поля. Поверхность буквально «рисует» точную конфигурацию радиоволн вокруг приемника и адаптируется под любые препятствия.

С H‑MIMO связывают предельную пространственную точность и практически стопроцентное использование емкости канала связи, возможность интеграции антенн прямо в стены зданий, стекла автомобилей или элементы интерьера.

Технология опирается на интеллектуальные поверхности RIS (Reconfigurable Intelligent Surfaces, реконфигурируемые интеллектуальные поверхности) — это одна из ключевых концепций для мобильных сетей шестого поколения (6G). Такие искусственные поверхности (своеобразные «умные зеркала») состоят из тысяч микроскопических элементов. Каждый элемент может динамически изменять фазу, амплитуду и поляризацию падающих на него электромагнитных волн. RIS отражает луч точно в направлении движущегося пользователя, собирает рассеянную энергию волн в узкий направленный пучок.


Выше мы посмотрели на несколько подходов, и каждый из них — будь то пассивные антенны или Massive MIMO — решает свою задачу. 

Если оператору нужно обеспечить максимальное покрытие огромных территорий ограниченным количеством базовых станций с надлежащим качеством, подход с использованием классического радиомодуля и внешней пассивной антенной надолго останется гегемоном. Именно такое решение мы сейчас используем в наших базовых станциях 2G/4G/5G. Но, учитывая плотные сети с высоким трафиком, возрастающие требования пользователя и выход в новые частотные диапазоны, мы также работаем над решениями на основе антенно‑интегрированных систем Massive MIMO. Не за горами Giga MIMO и H‑MIMO… 

Еще статья по теме: «Простая конструкция, но высокая вычислительная мощность: в чем особенность разработки базовых станций».

Комментарии (1)


  1. Alex283
    28.07.2026 08:41

    Интересная статья, но важно держать в уме, что базовая проблематика распространения электромагнитных волн по-прежнему остаётся в плоскости теории - в первую очередь теории Максвелла. Практические реализации опираются на её следствия, но фундаментальные представления до сих пор не имеют прямого экспериментального доказательства и продолжают быть предметом теоретических построений