寬頻帶移動(dòng)通信基站天線的應(yīng)用研究

葉樺

摘 ?要：基站作為移動(dòng)通信系統(tǒng)中有線與無(wú)線的結(jié)合體，扮演著至關(guān)重要的角色，既接收來(lái)自移動(dòng)臺(tái)（MS）的信號(hào)，又響應(yīng)信號(hào)然后發(fā)射給移動(dòng)臺(tái)。天線作為基站系統(tǒng)的重要組成部分，天線性能的好壞直接影響著基站的可靠性。面對(duì)越來(lái)越多的通信用戶、復(fù)雜的通信環(huán)境以及多變的地形，通過優(yōu)化基站天線可以成倍的提高基站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。

關(guān)鍵詞：基站天線;蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu);多波束天線;寬頻帶

引言

基站天線作為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的核心設(shè)備之一，是移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分，已經(jīng)伴隨移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。發(fā)達(dá)國(guó)家需繼續(xù)增加通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容，新興市場(chǎng)國(guó)家正處于大規(guī)模移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)階段，這都為移動(dòng)通信設(shè)備行業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)空間，保障基站天線產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)需求的持續(xù)增長(zhǎng)。隨著移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，視頻、VR、物聯(lián)網(wǎng)等各種應(yīng)用層出不窮，用戶流量需求增長(zhǎng)迅猛，全球基站天線產(chǎn)業(yè)空間穩(wěn)中有增。

一、目基站天線發(fā)展趨勢(shì)

（一）容量

不同用戶、不同地區(qū)對(duì)容量有不同需求，2020年的目標(biāo)網(wǎng)將擁有滿足語(yǔ)音等需求的低頻覆蓋層、滿足視頻等需求的中低頻容量層以及滿足未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的熱點(diǎn)容量層。基站天線將面臨更多的頻段以及每個(gè)頻段需要更多通道的挑戰(zhàn)，對(duì)此未來(lái)全制式4T4R/8T8R天線將成為標(biāo)配，同時(shí)天線需要集成更多陣列。

更多的頻段、更多的通道將面臨天面資源有限的困境，那么如何解決這一問題？從容量上來(lái)著，增加通道進(jìn)行擴(kuò)容不及提升每個(gè)扇區(qū)的容量有優(yōu)勢(shì)。單天線多波束（又稱劈裂天線）混合組網(wǎng)，可以快速提升網(wǎng)絡(luò)容量，通常，劈裂天線可將容量提升2.2倍。

（二）站點(diǎn)

全球191個(gè)運(yùn)營(yíng)商擁有TDD網(wǎng)絡(luò)，其中114張網(wǎng)絡(luò)為商用網(wǎng)絡(luò)，83張網(wǎng)絡(luò)的帶寬大于40Mbit/s。全球TDD商用網(wǎng)絡(luò)逐步增多，TDD新頻段部署時(shí)，需要在天面空間有限的情況下兼顧FDD頻段，F(xiàn)DD司職覆蓋，TDD主攻容量，充分利用各個(gè)制式的優(yōu)勢(shì)，通過TDD 8T8R快速大幅地提升網(wǎng)絡(luò)容量，F(xiàn)DD/TDD融合組網(wǎng)勢(shì)在必行。

解決網(wǎng)絡(luò)容量問題的宏站部署越來(lái)越困難，因此桿站形態(tài)越來(lái)越重要。ABI分析指出，到2021年，超過45%的站點(diǎn)會(huì)是桿站，對(duì)基站天線行業(yè)來(lái)講，未來(lái)在桿站領(lǐng)域的創(chuàng)新需求將越來(lái)越重要。

二、移動(dòng)通信技術(shù)及其對(duì)基站天線的基本要求

相對(duì)于傳統(tǒng)固定通信方式，移動(dòng)通信具有不同的特點(diǎn)。移動(dòng)通信可以滿足人們隨時(shí)隨地進(jìn)行通信的需求，它依賴電磁波傳輸信號(hào)。電磁波在空間傳輸時(shí)易受建筑物等物體的遮擋導(dǎo)致信號(hào)的衰落;電磁波在基站天線和用戶終端間傳輸時(shí)，存在著多個(gè)不同的傳輸路徑，會(huì)存在多徑效應(yīng);當(dāng)移動(dòng)用戶處于高速運(yùn)動(dòng)（如搭乘高鐵）當(dāng)中時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移效應(yīng)。

和其它自然資源一樣，電磁波頻譜資源也是有限的，被劃分為無(wú)線通信專用的電磁波頻段十分有限。而移動(dòng)用戶的數(shù)量不斷增加，每一個(gè)移動(dòng)通信用戶都需要占據(jù)一定的頻帶寬度，如何用有限的頻譜資源為更多的移動(dòng)通信用戶提供服務(wù)是一個(gè)棘手的問題。蜂窩網(wǎng)（即蜂窩狀小區(qū)制）有效地解決了頻率復(fù)用（C FDMA這一問題。同時(shí)蜂窩狀的小區(qū)分布形式，可以使用最少的通信基站對(duì)一定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)通信覆蓋，正是因此從第一代移動(dòng)通信開始到如今的第三、第四代移動(dòng)通信，均是按照蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)建立通信基站以覆蓋移動(dòng)通信區(qū)域。蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有以下主要特點(diǎn)：

1.蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基本單元（cell）是正六邊形的小區(qū)，移動(dòng)通信基站位于每個(gè)小區(qū)的中央。用戶從一個(gè)小區(qū)進(jìn)入到另一個(gè)小區(qū)時(shí)，通信鏈接相應(yīng)改變。

2.每個(gè)小區(qū)被六個(gè)相鄰的正六邊形小區(qū)環(huán)繞，這七個(gè)距離較近的小區(qū)中的任意兩個(gè)所使用的通信頻率不能相同，以避免同頻干擾。而離得更遠(yuǎn)的兩個(gè)小區(qū)，則可以使用同樣的通信頻段，從而實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用。

三、基站天線設(shè)計(jì)思想

宏蜂窩傳播模型：主要用于實(shí)現(xiàn)大面積的無(wú)線信號(hào)覆蓋，大部分都建在較高的鐵塔或建筑物上。由于信號(hào)分布的非常稀疏，一般用在郊區(qū)和農(nóng)村，室外宏蜂窩基站覆蓋范圍從幾公里到十幾公里不等，而市區(qū)的宏蜂窩基站覆蓋范圍僅為幾百米到幾公里。由于宏蜂窩基站因?yàn)楦采w范圍大小的不同，相應(yīng)的發(fā)射功率也從幾瓦到幾十瓦不等。

微蜂窩傳播模型：微蜂窩型基站系統(tǒng)是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)線子系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方式，以基站或直放站作為輻射源，帶有信號(hào)分布系統(tǒng)，通常為特定的建筑物內(nèi)部及建筑物之間的有限區(qū)域提供無(wú)線移動(dòng)通信信號(hào)，通常覆蓋的范圍在100m到1OOOm。

室內(nèi)傳播模型：在室內(nèi)環(huán)境下，由于室內(nèi)物體的多次反射、透射和繞射以及散射，發(fā)射信號(hào)是通過多條路徑達(dá)到接收者，這就是眾所周知的多徑衰落，模型的建模比較復(fù)雜。

在郊區(qū)和農(nóng)村的地方因?yàn)橐苿?dòng)臺(tái)較稀疏，通常采用宏蜂窩小區(qū)建站。在這些地方地形較平坦，不存在周圍建筑物反射的影響，常常僅考慮地面的影響，可以考慮以下模型：假設(shè)基站的輻射區(qū)域是準(zhǔn)平坦地形，僅有地面對(duì)天線輻射有影響，可以適當(dāng)?shù)募尤肷絽^(qū)地形（此時(shí)基站建在山頂上），這對(duì)應(yīng)于宏基站傳播模型，常為鐵塔運(yùn)營(yíng)基站。輻射模型：無(wú)須考慮天線形態(tài)，大地等效為平面介質(zhì)，天線的極化方式和高度，以及地面的介電參數(shù)是模型的變量，在此模型中測(cè)量某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)僅有天線的直射波和地面的反射波。

城市中人口密集，移動(dòng)臺(tái)數(shù)量大，通常采用微蜂窩建站。一般基站建在樓頂平臺(tái)上，可以考慮以下2種模型：一種是基站處于樓頂且周圍無(wú)高于基站天線的建筑，在低于基站的區(qū)域存在建筑物。另一種是通常在基站輻射區(qū)域內(nèi)有與基站等高的建筑（可能存在比基站高的建筑物情況），并且周圍的建筑物對(duì)電磁波具有反射，繞射的作用。輻射模型：建筑物等效為豎直長(zhǎng)方體介質(zhì)，大地等效為平面介質(zhì)。一般建筑物可能引起面的反射和透射（衰減很大），以及邊緣的繞射。

結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)近年來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)基站天線技術(shù)的基本要求，對(duì)不同場(chǎng)景應(yīng)用移動(dòng)基站的覆蓋方案做了簡(jiǎn)要介紹，突出了本文研究?jī)?nèi)容的意義所在。

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