5G基站中的电机控制滤波器

遥控天线和人工智能将如何改变移动网络

自 30 年前部署首批 2G 网络以来，移动无线网络的流量出现了大幅增长。虽然人们很容易相信容量的提升是更有效的无线电协议（3G、4G 和即将到来的 5G 物理层）和更多频谱的结果，但实际的主要贡献者是 "更高的频谱效率"。

要理解这在英语中的含义，可以考虑在一个大房间里，只有两个人相互交谈。然后在同一个房间里再增加 100 人。这些人成对聚集在一起，开始同时互相交谈。现在，房间里交流的信息量增加了 100 倍。由于每个人都在使用相同的机械电波（频谱），频谱效率也会以相同的速度提高。

如果我们将其应用于移动网络，那么基站密集化，也就是频谱的重复使用，在过去几十年的总容量增长中约占 99%（被称为库珀定律）。就像房间里的 100 个人不能站得太近才会起作用一样，无线基站在地理位置上也是相互分离的。一个城市中两个基站之间的站间距有时可能不到 100 米。随着 5G 系统的出现，将在室内和室外部署更多更小的基站。

从基站发出的能量是由天线引导的，就像你通过头部的方向引导声音中的能量一样。如果我们再拿满是人的房间作比喻，你通常希望把嘴对准听众的耳朵。移动基站天线也是如此，如今的移动基站天线都是垂直倾斜、水平定向，以服务于目标区域，而不会相互干扰。对齐可以通过手动、数字（大规模多输入多输出，mMIMO）或使用小型发动机调整垂直倾斜度来完成。如果可以通过小型发动机远程调整倾斜度，我们就可以称之为远程电动倾斜（RET）。

与大规模多输入多输出天线相比，RET 天线具有成本效益，但通常只在安装时设置一次倾斜度。原因是运营商不愿意在网络正常运行后再对其进行调整。改变单根天线的倾斜度可能会给网络的其他部分带来不必要的副作用（掉话或干扰增加），这需要经验丰富的网络优化人员来解决。

鉴于机器学习和人工智能的快速发展，我们可以预见，在不久的将来，自适应天线调谐背后的智能将由软件处理，届时可靠的 RET 天线的价值将迅速增长。举个例子，天线可以在白天覆盖工业区，下午覆盖高速公路，晚上覆盖居民区。人工智能软件会计算并倾斜该区域的所有天线，以优化整个系统资源。

RET 天线面临的一个共同挑战是，时间长了容易损坏。很多问题都与信号电缆和这些电缆的标准化方式有关，但另一个重要方面是，这些天线采用步进电机制造，如果灰尘进入轴承，步进电机就很容易损坏。此外，步进电机的部件也容易生锈。如果改用线性电机，RET 天线的使用寿命和可靠性将大大提高。

5G 基站为何需要电机控制滤波器

过去几十年来，我们已经习惯于将智能手机、汽车、平板电脑和可穿戴设备连接到移动网络。在这种基础设施之上，WhatsApp、Netflix、Uber 和 Spotify 等服务改变了各行各业。

这一演进的基础是移动网络基础设施（2G、3G 和 4G）的进步。迄今为止，移动网络运营商（MNO）在每个国家同时建设了三到五个网络。长期以来，这种模式一直行之有效，但由于每用户附加收入（ARPU）逐年下降，许多移动网络运营商不得不进行必要的网络密集化改造。

与此同时，下一代网络（通常称为 "5G"）即将推出。与早期的移动网络相比，5G 运营成本效益更高，但推出新设备和购买更多频谱的成本也很高。

移动网络运营商降低成本的最佳途径是开始相互合作。理论上，它们可以在每个国家建设一个单一的实体基础设施，然后分担资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）和许可成本。由于传统原因，它们对此兴趣不大，但实际上已经在许多国家共享基础设施，而且这种趋势还将继续。在德国，移动网络运营商已表达了在农村地区为 5G 建设单一、通用基础设施的意愿。

当运营商共享无线电设备时，如果这些设备采用多标准（2G、3G、4G、5G）和多频率组件，就能很好地实现频谱和接入技术的自适应远程添加或移除。这不仅在备件方面节省了大量成本，而且在桅杆攀爬、故障排除、调试和上市时间方面也节省了大量成本。

如今，大多数无线电设备供应商提供的基站都接近多标准。缺少的部分是用于确定基站工作频率的滤波器。这些窄滤波器通常靠近天线，这就意味着，如果某个基站在频谱拍卖或被其他运营商收购后获得了更多频谱，要更换这些滤波器既费钱又费时。

为了获得完全灵活的多频基站，这些窄滤波器需要支持远程调谐。从技术上讲，这可以通过用于调节滤波器截止频率的小型电机来实现。许多公司都在研究这个问题，但由于控制滤波器的电机尚未达到价格、尺寸和质量的综合要求，因此这项技术尚未成熟。

可调谐滤波器的市场规模巨大。目前，全球已部署了数百万个基站，随着 5G 的发展，基站密度还将增加。每个基站都配有许多滤波器，而每个滤波器都需要许多电机才能实现完全可调。电机控制的多频基站前景光明。市场正在等待的是合适的电机。