有源天線的發(fā)展與應(yīng)用

【摘要】3G時(shí)代，運(yùn)營(yíng)商普遍碰到的困難是：天面資源受限，從而影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，而在下一代LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，運(yùn)營(yíng)商天面資源更加受限，尤其是密集城區(qū)甚至?xí)?yán)重拖累網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)度和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。2011年開(kāi)始，天線設(shè)備廠家相繼推出了有源天線產(chǎn)品，其支持多制式、各制式功率可調(diào)、垂直波束賦形、功率利用率高等特點(diǎn)能夠幫助運(yùn)營(yíng)商解決天面問(wèn)題，本文就有源天線的技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用及發(fā)展前景進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】有源天線多制式融合式疊加式波束賦形MIMO

一、有源天線發(fā)展情況

近期國(guó)際上多家運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商提出了有源天線的概念，并針對(duì)自身的產(chǎn)品做了大量的宣傳。

諾基亞西門(mén)子在2011年第1季度提出了AAS的概念，并于2012年第2季度推出成型產(chǎn)品。AAS將RRU基站設(shè)備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，同傳統(tǒng)無(wú)源天線陣元連接為一體，實(shí)現(xiàn)單陣列雙極化的有源天線系統(tǒng)。

阿爾卡特朗訊在2011年提出lightradio的概念，將單個(gè)寬頻天線單元和多頻段RRH集成在一起成為一個(gè)小型化的射頻輻射單元，集成了雙工器、射頻、功放和天線，能夠覆蓋從700MHz到2.6GHz的所有頻段。

在2012年的亞洲移動(dòng)通信博覽會(huì)，中興通訊在業(yè)界首次推出LTE BeamHop整體解決方案。該解決方案產(chǎn)品包含無(wú)源和有源兩個(gè)部分，無(wú)源部分可用于替換運(yùn)營(yíng)商原2G/3G站點(diǎn)天線，如網(wǎng)絡(luò)需向LTE演進(jìn)，則新增的LTE網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)有源部分實(shí)現(xiàn)，并且LTE射頻部分集成到天線內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了在傳統(tǒng)2G/3G網(wǎng)絡(luò)上不用新增天面空間即可再疊加一張LTE網(wǎng)絡(luò)，使得現(xiàn)有天線站址空間得到充分利用，減少了工程施工難度。該方案的高集成度提升了基站發(fā)射功率和接收機(jī)的靈敏度，可以較好的改善網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋。

二、有源天線的組成及特點(diǎn)

（1）有源天線組成

融合式有源天線將射頻單元與天線單元融為一體，包括收發(fā)模塊PA和天線陣元，其中，PA包含了A/D轉(zhuǎn)換、射頻、功放、帶通濾波器等功能。每個(gè)融合單元可以獨(dú)立控制功率、頻率、相位，可以顯著提高功率利用率和網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，具體組成如圖1所示。

但融合式有源天線的設(shè)計(jì)復(fù)雜度非常高，技術(shù)實(shí)現(xiàn)非常困難，業(yè)界還沒(méi)有研發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品，目前，成型的產(chǎn)品都是疊加式的有源天線，其組成如圖2所示：

（2）有源天線基站與無(wú)源天線基站的功耗對(duì)比

采用有源天線可以大大節(jié)省設(shè)備功耗，提高系統(tǒng)的功率利用率，圖3為某有源天線、RRU塔上拉遠(yuǎn)和室內(nèi)機(jī)房RRU及宏站信源的功率對(duì)比：

在50%TX功率輸出狀態(tài)下，有源天線可以比宏站機(jī)房式節(jié)省近30%耗電。

（3）有源天線支持智能天線技術(shù)

有源天線可以支持TD系統(tǒng)的智能天線水平波束賦形技術(shù)，增加空分集增益。此外，更先進(jìn)的有源天線除水平方向外，還能夠支持智能天線垂直波束賦形技術(shù)，進(jìn)一步增加了空間分集增益，加大了小區(qū)容量和覆蓋范圍。

（4）有源天線支持MIMO技術(shù)

有源天線可以利用同一陣列的不同極化方向或間距多個(gè)波長(zhǎng)的不同陣列實(shí)現(xiàn)LTE的MIMO技術(shù)。

三、有源天線與無(wú)源天線的性能差異

（1）有源天線集成度高，損耗小

與BBU+RRU相比，有源天線將射頻單元集成在天線中，節(jié)省了RRU的安裝空間，大大降低了對(duì)天面資源的要求。而且高度集成的產(chǎn)品替換安裝更容易，能夠節(jié)省工時(shí)和人力成本。另外，有源天線射頻單元與天線之間沒(méi)有射頻損耗，各系統(tǒng)間沒(méi)有合路器損耗，大大提升了機(jī)頂輸出功率的利用率和上行接收機(jī)靈敏度，對(duì)改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能指標(biāo)大有好處。

（2）具有一定的自我修復(fù)能力

有源天線一般采用分布式多通路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具有冗余備份功能，某些陣子失效不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)扇區(qū)失去服務(wù)功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到某些陣子失效后，會(huì)通過(guò)調(diào)整剩余陣子的幅度和相位來(lái)補(bǔ)償增益損失，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

（3）靈活的電子下傾角及波束賦形技術(shù)使系統(tǒng)覆蓋和容量明顯提升

有源天線每個(gè)陣子/陣列有獨(dú)立的收發(fā)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)幅度和相位的單獨(dú)控制，具有靈活多樣的電子下傾功能。不同的載波可以使用不同的下傾角，達(dá)到垂直多扇區(qū)，在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中精細(xì)調(diào)整，可以使系統(tǒng)容量和覆蓋有明顯提升。此外，若采用智能天線波束賦形技術(shù)，系統(tǒng)容量和覆蓋還能進(jìn)一步提升。

（4）節(jié)能減排

有源天線減少了饋線和合路器損耗，提高了基站功率利用率，同時(shí)，射頻器件自然散熱，節(jié)省了空調(diào)消耗，若采用多模式基站，還能降低基站基帶處理的功耗，這些都有效降低了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的功耗，有助于幫助運(yùn)營(yíng)商完成節(jié)能減排的目標(biāo)。

（5）多制式集成

有源天線可以集成2G/3G/LTE各種制式，方便維護(hù)，同時(shí)，各制式采用分布式結(jié)構(gòu)，相對(duì)于無(wú)源天線，其中一個(gè)收發(fā)單元損壞不影響整體，提高了網(wǎng)絡(luò)安全性。

四、有源天線在運(yùn)營(yíng)商中的引入策略

目前，有源天線的產(chǎn)品基本全為疊加式有源天線，技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但成本高昂，運(yùn)營(yíng)商引入有源天線需要綜合考慮技術(shù)發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化。

1.中國(guó)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商引入有源天線的策略及應(yīng)用方式

（1）技術(shù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)

中國(guó)移動(dòng)公司自2009年開(kāi)始建設(shè)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)以來(lái)，由于技術(shù)、終端等產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，導(dǎo)致其并沒(méi)有發(fā)揮出既有2G用戶(hù)的資源優(yōu)勢(shì)。目前形成了三分天下的局勢(shì)，而TD-SCDMA的用戶(hù)占比還有下降的趨勢(shì)。2013年，中國(guó)移動(dòng)開(kāi)始大力建設(shè)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，既為搶占移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)制高點(diǎn)，又為打造新形勢(shì)下的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

TD-LTE使用MIMO+OFDM技術(shù)，大大提高上下行數(shù)據(jù)傳輸速率。在TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中下行高速率業(yè)務(wù)覆蓋范圍將受限于下行功率，受設(shè)備輸出功率限制，在組網(wǎng)時(shí)要實(shí)現(xiàn)下行高速率業(yè)務(wù)連續(xù)覆蓋，必須減小站間距，加大了基站密度和投資。此時(shí)，使用有源天線，可以減少接頭和電纜損耗，提高下行功率利用率。未來(lái)，基于8通道的有源天線產(chǎn)品成熟后，可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)天線陣子更細(xì)顆粒度的波束信號(hào)處理，增強(qiáng)天線波瓣的靈活性，進(jìn)一步提高容量，靈活配置站間距。

（2）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)驅(qū)動(dòng)

網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，常常會(huì)碰到業(yè)主強(qiáng)烈反對(duì)安裝天線或者共建共享的站點(diǎn)天面資源以及無(wú)法新增天線的情況。目前的解決辦法是使用多制式一體化天線替換現(xiàn)有天線。多制式一體化天線存在很多可提升的空間，首先是能效問(wèn)題，多制式各自有RRU單元，但每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況是有差別的，若2G、3G負(fù)載差別很大時(shí)，會(huì)造成相對(duì)空載的系統(tǒng)能效低，不利于節(jié)能減排。其次是不同制式網(wǎng)絡(luò)協(xié)同問(wèn)題，2G、3G及LTE的使用頻率差別很大，頻率特性的巨大差別造成覆蓋范圍和質(zhì)量的差別，此時(shí)，依據(jù)3G頻率規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)會(huì)造成2G投資浪費(fèi)，依據(jù)2G頻率規(guī)劃會(huì)造成3G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量低下。若采用融合式的有源天線，可以配比2G、3G的功率資源，頻帶資源，使2G、3G覆蓋范圍和效果相當(dāng)，達(dá)到既節(jié)省投資有提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，此外，還能減少2G、3G互操作的次數(shù)，節(jié)省了核心網(wǎng)的資源。

有源天線可以幫助中國(guó)移動(dòng)完善無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，但目前支持TD-LTE的有源天線產(chǎn)品不成熟，還不具備可實(shí)施的條件。

2.中國(guó)聯(lián)通運(yùn)營(yíng)商引入有源天線的策略及應(yīng)用方式

中國(guó)聯(lián)通的WCDMA制式不需要智能天線技術(shù)，因此，其有源天線的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。從已經(jīng)生產(chǎn)的產(chǎn)品可以看出來(lái)，幾個(gè)廠家推出的產(chǎn)品全為支持WCDMA的有源天線。

中國(guó)聯(lián)通引入有源天線的策略與中國(guó)移動(dòng)類(lèi)似，并且產(chǎn)品具備了實(shí)施條件，但考慮有源天線的價(jià)格高昂，須分析比較使用有源天線的效益和投入成本。

五、有源天線的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)目前有源天線的概念提出及產(chǎn)品來(lái)看，主要受限于目前的器件實(shí)現(xiàn)能力等各方面因素，真正意義上的有源天線還停留在概念階段。結(jié)合目前的多制式應(yīng)用并存情況和技術(shù)發(fā)展規(guī)律，立足于運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)需求，有源天線未來(lái)技術(shù)還需按以下要求進(jìn)行開(kāi)發(fā)：

（1）開(kāi)發(fā)多制式天線

目前2G和3G制式天線會(huì)長(zhǎng)期并存，同時(shí)要兼顧未來(lái)LTE的發(fā)展，需發(fā)展多制式天線。首先實(shí)現(xiàn)天線單元的小型化和寬帶化，同一副天線實(shí)現(xiàn)多種制式覆蓋，達(dá)到節(jié)約天面資源的目的，為后續(xù)有源天線的發(fā)展奠定好基礎(chǔ)。

多制式天線可通過(guò)天線的寬帶化來(lái)實(shí)現(xiàn)，即天線的工作頻率可覆蓋多種制式，此時(shí)不同制式可共用一副寬帶天線實(shí)現(xiàn)輻射覆蓋功能。多制式天線的另外一種實(shí)現(xiàn)方法是多陣列布局，即采用獨(dú)立的高、低頻陣列，通過(guò)合理的布放設(shè)計(jì)、合路和隔離處理，實(shí)現(xiàn)不同制式的覆蓋。無(wú)論哪一種實(shí)現(xiàn)方式，都要考慮未來(lái)獨(dú)立調(diào)節(jié)下傾角和獨(dú)立網(wǎng)優(yōu)的需求和趨勢(shì)。

（2）開(kāi)發(fā)寬帶射頻天線

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基站主設(shè)備器件的寬帶化和小型化，將功率放大器和低噪聲放大器小型化后，與寬頻天線單元連接為新的單元，實(shí)現(xiàn)多通道小功率輻射，為MIMO應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

目前來(lái)看，最佳的解決方式是采用芯片級(jí)多頻帶的放大器，目前這種放大器在國(guó)際上已開(kāi)始應(yīng)用，需要推動(dòng)產(chǎn)品在有源天線中的成熟應(yīng)用。

（3）開(kāi)發(fā)真正意義上的有源天線

在寬帶、多制式天線單元和寬帶、小型射頻器件的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)基于芯片級(jí)的軟件無(wú)線電設(shè)計(jì)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、全兼容融合RAN、端到端的IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和管理等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化MIMO、數(shù)字波束賦型、光纖回傳、SON自適應(yīng)規(guī)劃等真正意義上的有源天線。

有源天線是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前業(yè)內(nèi)推出了一些產(chǎn)品，但都是通過(guò)模塊疊加實(shí)現(xiàn)有源化，其工作頻段有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有源天線的優(yōu)越功能。在有源天線技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)商應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和應(yīng)用要求，推動(dòng)天線輻射單元與射頻模塊的一體化融合，實(shí)現(xiàn)真正意義上的有源天線；推動(dòng)天線及射頻器件的寬帶化，實(shí)現(xiàn)有源天線的多制式靈活應(yīng)用；更重要的一點(diǎn)是，推動(dòng)基帶信號(hào)傳輸接口的標(biāo)準(zhǔn)化，保證有源天線與上端設(shè)備的兼容性應(yīng)用。

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