有源天線的發展與應用

【摘要】3G時代，運營商普遍碰到的困難是：天面資源受限，從而影響網絡質量，而在下一代LTE網絡建設中，運營商天面資源更加受限，尤其是密集城區甚至會嚴重拖累網絡建設進度和網絡質量。2011年開始，天線設備廠家相繼推出了有源天線產品，其支持多制式、各制式功率可調、垂直波束賦形、功率利用率高等特點能夠幫助運營商解決天面問題，本文就有源天線的技術特點、應用及發展前景進行探討。

【關鍵詞】有源天線多制式融合式疊加式波束賦形MIMO

一、有源天線發展情況

近期國際上多家運營商和設備商提出了有源天線的概念，并針對自身的產品做了大量的宣傳。

諾基亞西門子在2011年第1季度提出了AAS的概念，并于2012年第2季度推出成型產品。AAS將RRU基站設備進行模塊化設計，同傳統無源天線陣元連接為一體，實現單陣列雙極化的有源天線系統。

阿爾卡特朗訊在2011年提出lightradio的概念，將單個寬頻天線單元和多頻段RRH集成在一起成為一個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年的亞洲移動通信博覽會，中興通訊在業界首次推出LTE BeamHop整體解決方案。該解決方案產品包含無源和有源兩個部分，無源部分可用于替換運營商原2G/3G站點天線，如網絡需向LTE演進，則新增的LTE網絡可以通過有源部分實現，并且LTE射頻部分集成到天線內部，實現了在傳統2G/3G網絡上不用新增天面空間即可再疊加一張LTE網絡，使得現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射功率和接收機的靈敏度，可以較好的改善網絡容量和覆蓋。

二、有源天線的組成及特點

（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，包括收發模塊PA和天線陣元，其中，PA包含了A/D轉換、射頻、功放、帶通濾波器等功能。每個融合單元可以獨立控制功率、頻率、相位，可以顯著提高功率利用率和網絡覆蓋質量，具體組成如圖1所示。

但融合式有源天線的設計復雜度非常高，技術實現非常困難，業界還沒有研發出相應的產品，目前，成型的產品都是疊加式的有源天線，其組成如圖2所示：

（2）有源天線基站與無源天線基站的功耗對比

采用有源天線可以大大節省設備功耗，提高系統的功率利用率，圖3為某有源天線、RRU塔上拉遠和室內機房RRU及宏站信源的功率對比：

在50%TX功率輸出狀態下，有源天線可以比宏站機房式節省近30%耗電。

（3）有源天線支持智能天線技術

有源天線可以支持TD系統的智能天線水平波束賦形技術，增加空分集增益。此外，更先進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，進一步增加了空間分集增益，加大了小區容量和覆蓋范圍。

（4）有源天線支持MIMO技術

有源天線可以利用同一陣列的不同極化方向或間距多個波長的不同陣列實現LTE的MIMO技術。

三、有源天線與無源天線的性能差異

（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，節省了RRU的安裝空間，大大降低了對天面資源的要求。而且高度集成的產品替換安裝更容易，能夠節省工時和人力成本。另外，有源天線射頻單元與天線之間沒有射頻損耗，各系統間沒有合路器損耗，大大提升了機頂輸出功率的利用率和上行接收機靈敏度，對改善網絡覆蓋性能指標大有好處。

（2）具有一定的自我修復能力

有源天線一般采用分布式多通路設計結構，具有冗余備份功能，某些陣子失效不會導致整個扇區失去服務功能。當系統檢測到某些陣子失效后，會通過調整剩余陣子的幅度和相位來補償增益損失，從而實現自動補償功能，大大提高了系統的可靠性。

（3）靈活的電子下傾角及波束賦形技術使系統覆蓋和容量明顯提升

有源天線每個陣子/陣列有獨立的收發單元，能夠實現對信號幅度和相位的單獨控制，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，達到垂直多扇區，在網絡優化中精細調整，可以使系統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，系統容量和覆蓋還能進一步提升。

（4）節能減排

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，射頻器件自然散熱，節省了空調消耗，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網絡的功耗，有助于幫助運營商完成節能減排的目標。

（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，同時，各制式采用分布式結構，相對于無源天線，其中一個收發單元損壞不影響整體，提高了網絡安全性。

四、有源天線在運營商中的引入策略

目前，有源天線的產品基本全為疊加式有源天線，技術實現簡單，但成本高昂，運營商引入有源天線需要綜合考慮技術發展、網絡建設和優化。

1.中國移動運營商引入有源天線的策略及應用方式

（1）技術發展驅動

中國移動公司自2009年開始建設TD-SCDMA網絡以來，由于技術、終端等產業鏈不成熟，導致其并沒有發揮出既有2G用戶的資源優勢。目前形成了三分天下的局勢，而TD-SCDMA的用戶占比還有下降的趨勢。2013年，中國移動開始大力建設TD-LTE網絡，既為搶占移動互聯網制高點，又為打造新形勢下的競爭優勢。

TD-LTE使用MIMO+OFDM技術，大大提高上下行數據傳輸速率。在TD-LTE網絡中下行高速率業務覆蓋范圍將受限于下行功率，受設備輸出功率限制，在組網時要實現下行高速率業務連續覆蓋，必須減小站間距，加大了基站密度和投資。此時，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，基于8通道的有源天線產品成熟后，可以實現針對天線陣子更細顆粒度的波束信號處理，增強天線波瓣的靈活性，進一步提高容量，靈活配置站間距。

（2）網絡建設驅動

網絡建設時，常常會碰到業主強烈反對安裝天線或者共建共享的站點天面資源以及無法新增天線的情況。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，首先是能效問題，多制式各自有RRU單元，但每個網絡的負載情況是有差別的，若2G、3G負載差別很大時，會造成相對空載的系統能效低，不利于節能減排。其次是不同制式網絡協同問題，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量的差別，此時，依據3G頻率規劃網絡會造成2G投資浪費，依據2G頻率規劃會造成3G網絡質量低下。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，達到既節省投資有提高網絡質量，此外，還能減少2G、3G互操作的次數，節省了核心網的資源。

有源天線可以幫助中國移動完善無線網絡，但目前支持TD-LTE的有源天線產品不成熟，還不具備可實施的條件。

2.中國聯通運營商引入有源天線的策略及應用方式

中國聯通的WCDMA制式不需要智能天線技術，因此，其有源天線的實現相對簡單。從已經生產的產品可以看出來，幾個廠家推出的產品全為支持WCDMA的有源天線。

中國聯通引入有源天線的策略與中國移動類似，并且產品具備了實施條件，但考慮有源天線的價格高昂，須分析比較使用有源天線的效益和投入成本。

五、有源天線的發展趨勢

根據目前有源天線的概念提出及產品來看，主要受限于目前的器件實現能力等各方面因素，真正意義上的有源天線還停留在概念階段。結合目前的多制式應用并存情況和技術發展規律，立足于運營商的業務需求，有源天線未來技術還需按以下要求進行開發：

（1）開發多制式天線

目前2G和3G制式天線會長期并存，同時要兼顧未來LTE的發展，需發展多制式天線。首先實現天線單元的小型化和寬帶化，同一副天線實現多種制式覆蓋，達到節約天面資源的目的，為后續有源天線的發展奠定好基礎。

多制式天線可通過天線的寬帶化來實現，即天線的工作頻率可覆蓋多種制式，此時不同制式可共用一副寬帶天線實現輻射覆蓋功能。多制式天線的另外一種實現方法是多陣列布局，即采用獨立的高、低頻陣列，通過合理的布放設計、合路和隔離處理，實現不同制式的覆蓋。無論哪一種實現方式，都要考慮未來獨立調節下傾角和獨立網優的需求和趨勢。

（2）開發寬帶射頻天線

設計實現基站主設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，實現多通道小功率輻射，為MIMO應用奠定基礎。

目前來看，最佳的解決方式是采用芯片級多頻帶的放大器，目前這種放大器在國際上已開始應用，需要推動產品在有源天線中的成熟應用。

（3）開發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上，開發基于芯片級的軟件無線電設計和數字信號處理技術、全兼容融合RAN、端到端的IP網絡設計和管理等先進技術，實現數字化MIMO、數字波束賦型、光纖回傳、SON自適應規劃等真正意義上的有源天線。

有源天線是未來網絡發展的必然趨勢。目前業內推出了一些產品，但都是通過模塊疊加實現有源化，其工作頻段有限，無法實現有源天線的優越功能。在有源天線技術的發展過程中，運營商應根據網絡發展和應用要求，推動天線輻射單元與射頻模塊的一體化融合，實現真正意義上的有源天線；推動天線及射頻器件的寬帶化，實現有源天線的多制式靈活應用；更重要的一點是，推動基帶信號傳輸接口的標準化，保證有源天線與上端設備的兼容性應用。

參考文獻

[1]李新中，楊軍，陳新明.有源天線系統及未來發展應用研究[A]，2011全國無線及移動通信學術大會論文集[C]，2011年

[2]楊濤，謝偉良，朱雪田.有源天線在移動通信系統中的應用研究[A]，2011全國無線及移動通信學術大會論文集[C]，2011年