淺談移動(dòng)基站天線及發(fā)展趨勢(shì)

(中郵科通信技術(shù)股份有限公司 福建 福州 350000)

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淺談移動(dòng)基站天線及發(fā)展趨勢(shì)

范叔亮

(中郵科通信技術(shù)股份有限公司福建福州350000)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及無(wú)處不在的接入需求正呈現(xiàn)出一種爆炸式的增長(zhǎng)，每一代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展都是技術(shù)的突破和觀念的創(chuàng)新。本文主要淺談移動(dòng)基站天線(宏站)的發(fā)展歷程以及所衍生的天線新技術(shù)，通過(guò)市場(chǎng)技術(shù)需求演進(jìn)勘測(cè)未來(lái)天線的發(fā)展趨勢(shì)。

天線；寬頻小型化；雙極化；MIMO；智能；基站一體化；5G天線

一、引言

天線(antenna)是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無(wú)界媒介(通常是自由空間)中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。天線作為無(wú)線電通訊的發(fā)射和接收設(shè)備，直接影響電波信號(hào)的質(zhì)量，因而，天線在無(wú)線電通訊中占有極其重要的地位。一個(gè)結(jié)構(gòu)合理，性能優(yōu)良的天線可以最大限度地發(fā)揮整個(gè)站點(diǎn)的覆蓋優(yōu)勢(shì)，從而節(jié)約系統(tǒng)成本，同時(shí)可以提高整個(gè)無(wú)線系統(tǒng)的性能。然而，隨著現(xiàn)代化城市的發(fā)展，高層建筑物日益增多，天線所處的電磁環(huán)境日益復(fù)雜化，運(yùn)營(yíng)商為了移動(dòng)通信系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量，對(duì)天線的各項(xiàng)性能要求也不斷提高。因此，當(dāng)前移動(dòng)基站天線的設(shè)計(jì)倍受關(guān)注，其代表著天線最前沿的技術(shù)及最先進(jìn)的理念。

二、移動(dòng)基站天線發(fā)展簡(jiǎn)史

什么是天線？

1.將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波；

2.將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能。

圖一：天線示意圖

隨著移動(dòng)通信天線的發(fā)展及通信網(wǎng)絡(luò)的更迭，每一代天線的發(fā)展都是技術(shù)的突破和觀念的創(chuàng)新。室外宏站天線(基站天線)由早期的全向天線/單極化定向天線慢慢演進(jìn)成雙極化天線、多頻天線；隨著3G/4G網(wǎng)絡(luò)的到來(lái)，智能天線、MIMO天線、2G/3G/4G多網(wǎng)共用天線逐漸興起并被大力的投入投用；面對(duì)5G的到來(lái)，天線技術(shù)還有很長(zhǎng)的一段路要走。

以下為近代移動(dòng)基站天線的發(fā)展簡(jiǎn)史，詳見圖二。

圖二：基站天線發(fā)展史簡(jiǎn)圖

三、移動(dòng)基站天線新技術(shù)

(一)超寬頻小型化天線

隨著站址資源的稀缺以及人們對(duì)天線視覺和電磁污染的重視程度越來(lái)越高，基站天線小型化成為一種趨勢(shì)。由于站址資源的稀缺，多系統(tǒng)共站/多系統(tǒng)共用天線的課題相應(yīng)地提了出來(lái)，超寬頻、小型化正是在此背景下衍生出來(lái)的。天線的寬頻化使得多系統(tǒng)共站以及多系統(tǒng)共天線成為了可能，這也有效緩解了運(yùn)營(yíng)商站址資源選擇困難這一難題；其次，通過(guò)多系統(tǒng)共站共用天線可有效降低天線成本。多頻天線在一定程度上增加了天線重量與迎風(fēng)面積，因此如何設(shè)計(jì)較輕且具有較小風(fēng)載荷的多頻天線，是超寬頻小型化天線發(fā)展的重要方向。

(二)雙極化電調(diào)天線

雙極化電調(diào)天線是一種組合的天線技術(shù)，它利用電磁波垂直極化的非相干性和移動(dòng)通信系統(tǒng)電波傳輸?shù)亩嘟?jīng)等特點(diǎn)，組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時(shí)在收發(fā)雙工模式下工作，通過(guò)手動(dòng)電調(diào)或者遠(yuǎn)程遙控電調(diào)的方式改變天線的下傾角，促使天線方向圖達(dá)到下傾覆蓋的目的。因此其最突出的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省單個(gè)站址的天線數(shù)量；可遠(yuǎn)程遙控電下傾角，避免人工作業(yè)爬塔的風(fēng)險(xiǎn)。從而節(jié)省基建投資，同時(shí)使基站布局更加合理，基站站址的選定更加容易。雙極化電調(diào)天線已經(jīng)是運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋的理想選擇，在實(shí)際工程中已大規(guī)模的應(yīng)用。

圖三：手持控制器遠(yuǎn)程遙控電調(diào)示意圖

(三)MIMO天線

所謂的MIMO，是Multiple Input Multiple Output(多入多出)的縮寫，指無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訊號(hào)通過(guò)多重天線進(jìn)行同步收發(fā)，所以可以增加傳輸輸率。

圖四：MIMO天線原理圖

MIMO天線相較傳統(tǒng)天線優(yōu)勢(shì)：

1.提高信道的容量

MIMO接入點(diǎn)到MIMO客戶端之間，可以同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)空間流，信道容量可以隨著天線數(shù)量的增大而線性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高無(wú)線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。

2.提高信道的可靠性

利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益及空間分集增益，可以利用多天線來(lái)抑制信道衰落。多天線系統(tǒng)的應(yīng)用，使得并行數(shù)據(jù)流可以同時(shí)傳送，可以顯著克服信道的衰落，降低誤碼率。

多天線(MIMO)技術(shù)是移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展的方向，在3G和4G研究中，MIMO技術(shù)都是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)可以大大增加無(wú)線通信系統(tǒng)的容量，并有效改善無(wú)線通信系統(tǒng)的性能，非常適合移動(dòng)通信系統(tǒng)中對(duì)高速率業(yè)務(wù)的要求。

(四)智能天線

所謂“智能天線”，通常是指帶精密信號(hào)處理器的天線陣，它可以調(diào)整或自適應(yīng)其波束方向圖，目的是增強(qiáng)感興趣的信號(hào)和減小干擾信號(hào)。智能天線技術(shù)前身是一種波束成形(Beamforming)技術(shù)。波束成形技術(shù)是發(fā)送方在獲取一定的當(dāng)前時(shí)刻當(dāng)前位置發(fā)送方和接收方之間的信道信息，調(diào)整信號(hào)發(fā)送的參數(shù)，使得射頻能量向接收方所處位置集中，從而使得接收方接收到的信號(hào)質(zhì)量較好，最終能保持較高的吞吐量。

智能天線通常包括切換波束系統(tǒng)和自適應(yīng)波束形成系統(tǒng)。切換波束系統(tǒng)有幾個(gè)可用的固定波束方向圖。根據(jù)系統(tǒng)要求，判決哪個(gè)波束在任何預(yù)定的時(shí)間點(diǎn)接入；自適應(yīng)波束形成系統(tǒng)讓天線將波束調(diào)向感興趣的方向，而將干擾信號(hào)零陷。

智能天線的原理是將無(wú)線電的信號(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。同時(shí)，智能天線技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號(hào)空間特征的差異，通過(guò)陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，使無(wú)線電頻譜的利用和信號(hào)的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。

智能天線系統(tǒng)的核心是智能算法，智能算法決定瞬時(shí)響應(yīng)速率和電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，因此重要的是選擇較好算法實(shí)現(xiàn)波束的智能控制。通過(guò)算法自動(dòng)調(diào)整加權(quán)值得到所需空間和頻率濾波器的作用。

定向智能天線一般至少為8+1端口，其中8個(gè)為輻射端口，1個(gè)端口為校準(zhǔn)端口。智能天線含有三個(gè)重要輻射特型，即單元波束/廣播波束/業(yè)務(wù)波束。通過(guò)校準(zhǔn)端口輸入不同的幅度相位權(quán)值，可改變智能天線方向圖特性，即自適應(yīng)或以預(yù)制方式控制波束寬度、指向和零點(diǎn)位置，使波束指向期望的方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)用戶的波束跟蹤，并自動(dòng)地抑制干擾方向的副瓣電平。

隨著4G網(wǎng)絡(luò)的大量建設(shè)，智能天線(FA、單D、FA/D、FAD、GSM+DCS+FA/D天線)大規(guī)模運(yùn)用于4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

(五)基站一體化美化天線

移動(dòng)通信建設(shè)與城市環(huán)境和小區(qū)居民之間的矛盾使得傳統(tǒng)的裸露天線已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展和通信建設(shè)的需要，因此，如何對(duì)天線加以處理來(lái)消除負(fù)面影響越來(lái)越受到各方面的關(guān)注。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，美化天線是最好的解決方案。

美化天線也叫作“偽裝天線”“隱蔽天線”，即在不增加傳播損耗的情況下，通過(guò)各種手段對(duì)天線進(jìn)行偽裝，修飾來(lái)達(dá)到美化的目的，使之融入周圍環(huán)境，既美化了城市的視覺環(huán)境，也減少了居民對(duì)電磁環(huán)境的恐懼和抵觸，保證通信的質(zhì)量。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在城市建設(shè)中，至少30%以上的站點(diǎn)常規(guī)基站天線無(wú)法順利進(jìn)駐小區(qū)，需要通過(guò)美化天線(如：排氣管型美化天線、方柱型美化天線等)來(lái)達(dá)到隱蔽覆蓋的效果。中國(guó)電信已進(jìn)行了基站一體化美化天線的集采，中國(guó)移動(dòng)也已規(guī)劃2017年初集采美化天線，由此可見，美化天線已經(jīng)越來(lái)越受到運(yùn)營(yíng)商的重視。

(六)未來(lái)通信天線(5G天線)

根據(jù)預(yù)測(cè)到2020年，業(yè)務(wù)量將為目前業(yè)務(wù)量的1000倍，基于此，需要提升寬帶無(wú)線接入網(wǎng)的能力，適應(yīng)未來(lái)用戶業(yè)務(wù)需求。從2G/3G到4G，每一代系統(tǒng)的更新，都伴隨著新技術(shù)的更新，都是為了解決當(dāng)時(shí)最主要的需求。5G(后4G)時(shí)代，小區(qū)越來(lái)越密集，對(duì)容量、耗能和業(yè)務(wù)的需求越來(lái)越高。對(duì)于高速發(fā)展的數(shù)據(jù)流量和用戶對(duì)帶寬的需求，現(xiàn)有4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多天線技術(shù)(8端口MU-MIMO、CoMP)很難滿足需求。最近的研究表明，在基站端采用超大規(guī)模天線陣列(比如數(shù)百個(gè)天線或更多)可以帶來(lái)很多的性能優(yōu)勢(shì)。這種基站采用大規(guī)模天線陣列的MU-MIMO被稱為大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)(Large Scale Antenna System，或稱為Massive MIMO)。Massive MIMO天線相對(duì)于傳統(tǒng)基站天線或者傳統(tǒng)一體化有源天線，其形態(tài)差異為陣列數(shù)量非常龐大、單元具備獨(dú)立收發(fā)能力，相當(dāng)于更多天線單元(128根、256根或者更多)實(shí)現(xiàn)同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。

大規(guī)模天線陣列可通過(guò)以下研究方向，摸索未來(lái)通信天線(5G天線)的雛形。

1.稀疏陣列綜合、仿真、優(yōu)化技術(shù)。小型化的大規(guī)模MIMO陣列基站天線將在較小的區(qū)域內(nèi)排布數(shù)百個(gè)天線單元，緊湊的天線之間的互耦效應(yīng)會(huì)削弱天線空間分集的效果，制約大規(guī)模MIMO提升傳輸速率的能力。為了減少天線單元件的互耦，對(duì)基站天線陣面進(jìn)行稀疏化設(shè)計(jì)，增大天線單元間距且不改變陣列的輻射性能。

2.共形陣列天線技術(shù)。考慮到微基站的使用場(chǎng)景，小型化、共形和美化設(shè)計(jì)等是該類產(chǎn)品的切實(shí)需求。常規(guī)陣列通常排布在直線或平面之上，外形常常顯得突兀。為了保證基站的隱形化美觀化，利用共形技術(shù)將陣列按照建筑物、路燈、電桿等任意外形物體的表面排布是較好的解決方案。

3.天線罩賦形技術(shù)，天線與天線罩一體化設(shè)計(jì)技術(shù)。采用天線罩賦形技術(shù)，設(shè)計(jì)具有復(fù)雜內(nèi)壁花紋的天線罩，以實(shí)現(xiàn)對(duì)基站天線性能的提升。

大規(guī)模天線技術(shù)，基于有源天線和3D-MIMO技術(shù)，能夠大幅度提升無(wú)線通信頻譜效率和功率效率，是支撐5G移動(dòng)通信最具潛力的研究方向。

四、移動(dòng)基站天線技術(shù)需求演進(jìn)

表一 技術(shù)需求

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2G/3G/4G多網(wǎng)共用天線端口數(shù)2+2+8+1個(gè)或2+2+16+2個(gè)關(guān)鍵電氣性能指標(biāo)項(xiàng)≥50項(xiàng)

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從表一可見，隨著移動(dòng)通信天線的發(fā)展，每一代天線的發(fā)展都是技術(shù)的突破和觀念的創(chuàng)新，天線的端口數(shù)及電氣性能要求也越來(lái)越趨于復(fù)雜化，對(duì)天線工程師及集成商的技術(shù)挑戰(zhàn)也越來(lái)越高。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，每一代通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展都是技術(shù)的突破和觀念的創(chuàng)新。本文通過(guò)淺談基站天線，總結(jié)了基站天線的發(fā)展歷程以及2G/3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用到的關(guān)鍵技術(shù)，剖析了天線技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

雖然5G天線的研究方興未艾，未來(lái)天線設(shè)計(jì)受到廣泛關(guān)注，隨著天線技術(shù)的發(fā)展以及運(yùn)營(yíng)商對(duì)通信系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量的要求越來(lái)越高，天線技術(shù)將成為傳統(tǒng)設(shè)備商捍衛(wèi)通信市場(chǎng)最終的舞臺(tái)。

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