【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(wǎng)絡質(zhì)量，而在下一代LTE網(wǎng)絡建設中，運營商天面資源更加受限，尤其是密集城區(qū)甚至會嚴重拖累網(wǎng)絡建設進度和網(wǎng)絡質(zhì)量。2011年開始，天線設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能夠幫助運營商解決天面問題，本文就有源天線的技術(shù)特點、應用及發(fā)展前景進行探討。

【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(chǎn)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(chǎn)品。AAS將RRU基站設備進行模塊化設計，同傳統(tǒng)無源天線陣元連接為一體，實現(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(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(wǎng)絡需向LTE演進，則新增的LTE網(wǎng)絡可以通過有源部分實現(xiàn)，并且LTE射頻部分集成到天線內(nèi)部，實現(xiàn)了在傳統(tǒng)2G/3G網(wǎng)絡上不用新增天面空間即可再疊加一張LTE網(wǎng)絡，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)射功率和接收機的靈敏度，可以較好的改善網(wǎng)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(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(wǎng)絡覆蓋質(zhì)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(shù)實現(xiàn)非常困難，業(yè)界還沒有研發(fā)出相應的產(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）有源天線基站與無源天線基站的功耗對比

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

在50%TX功率輸出狀態(tài)下，有源天線可以比宏站機房式節(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波長的不同陣列實現(xiàn)LTE的MIMO技術(shù)。

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(jié)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(chǎn)品替換安裝更容易，能夠節(jié)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(tǒng)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(wǎng)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(jié)構(gòu)，具有冗余備份功能，某些陣子失效不會導致整個扇區(qū)失去服務功能。當系統(tǒng)檢測到某些陣子失效后，會通過調(diào)整剩余陣子的幅度和相位來補償增益損失，從而實現(xiàn)自動補償功能，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

有源天線每個陣子/陣列有獨立的收發(fā)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)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(qū)，在網(wǎng)絡優(yōu)化中精細調(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，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網(wǎng)絡的功耗，有助于幫助運營商完成節(jié)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(jié)構(gòu)，相對于無源天線，其中一個收發(fā)單元損壞不影響整體，提高了網(wǎng)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(chǎn)品基本全為疊加式有源天線，技術(shù)實現(xiàn)簡單，但成本高昂，運營商引入有源天線需要綜合考慮技術(shù)發(fā)展、網(wǎng)絡建設和優(yōu)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(shù)發(fā)展驅(qū)動

中國移動公司自2009年開始建設TD-SCDMA網(wǎng)絡以來，由于技術(shù)、終端等產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，導致其并沒有發(fā)揮出既有2G用戶的資源優(yōu)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(wǎng)絡，既為搶占移動互聯(lián)網(wǎng)制高點，又為打造新形勢下的競爭優(yōu)勢。

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)絡中下行高速率業(yè)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(wǎng)時要實現(xiàn)下行高速率業(yè)務連續(xù)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(chǎn)品成熟后，可以實現(xiàn)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(wǎng)絡建設驅(qū)動

網(wǎng)絡建設時，常常會碰到業(yè)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(xiàn)有天線。多制式一體化天線存在很多可提升的空間，首先是能效問題，多制式各自有RRU單元，但每個網(wǎng)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(tǒng)能效低，不利于節(jié)能減排。其次是不同制式網(wǎng)絡協(xié)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(zhì)量的差別，此時，依據(jù)3G頻率規(guī)劃網(wǎng)絡會造成2G投資浪費，依據(jù)2G頻率規(guī)劃會造成3G網(wǎng)絡質(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，達到既節(jié)省投資有提高網(wǎng)絡質(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移動完善無線網(wǎng)絡，但目前支持TD-LTE的有源天線產(chǎn)品不成熟，還不具備可實施的條件。

2.中國聯(lián)通運營商引入有源天線的策略及應用方式

中國聯(lián)通的WCDMA制式不需要智能天線技術(shù)，因此，其有源天線的實現(xiàn)相對簡單。從已經(jīng)生產(chǎn)的產(chǎn)品可以看出來，幾個廠家推出的產(chǎn)品全為支持WCDMA的有源天線。

中國聯(lián)通引入有源天線的策略與中國移動類似，并且產(chǎn)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(fā)展趨勢

根據(jù)目前有源天線的概念提出及產(chǎn)品來看，主要受限于目前的器件實現(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)合目前的多制式應用并存情況和技術(shù)發(fā)展規(guī)律，立足于運營商的業(yè)務需求，有源天線未來技術(shù)還需按以下要求進行開發(fā)：

（1）開發(fā)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(fā)展，需發(fā)展多制式天線。首先實現(xiàn)天線單元的小型化和寬帶化，同一副天線實現(xiàn)多種制式覆蓋，達到節(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。

多制式天線可通過天線的寬帶化來實現(xiàn)，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(xiàn)輻射覆蓋功能。多制式天線的另外一種實現(xiàn)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(xiàn)不同制式的覆蓋。無論哪一種實現(xiàn)方式，都要考慮未來獨立調(diào)節(jié)下傾角和獨立網(wǎng)優(yōu)的需求和趨勢。

（2）開發(fā)寬帶射頻天線

設計實現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)品在有源天線中的成熟應用。

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

有源天線是未來網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢。目前業(yè)內(nèi)推出了一些產(chǎn)品，但都是通過模塊疊加實現(xiàn)有源化，其工作頻段有限，無法實現(xiàn)有源天線的優(yōu)越功能。在有源天線技術(shù)的發(fā)展過程中，運營商應根據(jù)網(wǎng)絡發(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)及未來發(fā)展應用研究[A]，2011全國無線及移動通信學術(shù)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(tǒng)中的應用研究[A]，2011全國無線及移動通信學術(shù)大會論文集[C]，2011年