(中郵科通信技術(shù)股份有限公司 福建 福州 350000)

?

淺談移動(dòng)基站天線及發(fā)展趨勢

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)以及無處不在的接入需求正呈現(xiàn)出一種爆炸式的增長，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)，通過市場技術(shù)需求演進(jìn)勘測未來天線的發(fā)展趨勢。

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。天線作為無線電通訊的發(fā)射和接收設(shè)備，直接影響電波信號的質(zhì)量，因而，天線在無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，從而節(jié)約系統(tǒng)成本，同時(shí)可以提高整個(gè)無線系統(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)營商為了移動(dòng)通信系統(tǒng)的信號質(zhì)量，對天線的各項(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，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5G的到來，天線技術(shù)還有很長的一段路要走。

以下為近代移動(dòng)基站天線的發(fā)展簡史，詳見圖二。

圖二：基站天線發(fā)展史簡圖

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天線視覺和電磁污染的重視程度越來越高，基站天線小型化成為一種趨勢。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，超寬頻、小型化正是在此背景下衍生出來的。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)營商站址資源選擇困難這一難題；其次，通過多系統(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，指無線網(wǎng)絡(luò)訊號通過多重天線進(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：

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)可以大大增加無線通信系統(tǒng)的容量，并有效改善無線通信系統(tǒng)的性能，非常適合移動(dòng)通信系統(tǒng)中對高速率業(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)感興趣的信號和減小干擾信號。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，而將干擾信號零陷。

智能天線的原理是將無線電的信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時(shí)，智能天線技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。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，如何對天線加以處理來消除負(fù)面影響越來越受到各方面的關(guān)注。經(jīng)過實(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，通過各種手段對天線進(jìn)行偽裝，修飾來達(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)基站天線無法順利進(jìn)駐小區(qū)，需要通過美化天線(如：排氣管型美化天線、方柱型美化天線等)來達(dá)到隱蔽覆蓋的效果。中國電信已進(jìn)行了基站一體化美化天線的集采，中國移動(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)越來越受到運(yùn)營商的重視。

(六)未來通信天線(5G天線)

根據(jù)預(yù)測到2020年，業(yè)務(wù)量將為目前業(yè)務(wù)量的1000倍，基于此，需要提升寬帶無線接入網(wǎng)的能力，適應(yīng)未來用戶業(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)越來越密集，對容量、耗能和業(yè)務(wù)的需求越來越高。對于高速發(fā)展的數(shù)據(jù)流量和用戶對帶寬的需求，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)可以帶來很多的性能優(yōu)勢。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)模天線陣列可通過以下研究方向，摸索未來通信天線(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)?？紤]到微基站的使用場景，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

↓

↓

↓

↓

↓

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)

↓

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越趨于復(fù)雜化，對天線工程師及集成商的技術(shù)挑戰(zhàn)也越來越高。

五、結(jié)語

隨著無線通信技術(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。

雖然5G天線的研究方興未艾，未來天線設(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)營商對通信系統(tǒng)信號質(zhì)量的要求越來越高，天線技術(shù)將成為傳統(tǒng)設(shè)備商捍衛(wèi)通信市場最終的舞臺。

[1]John D.Kraus，Ronald J.Marhefka，《Antennas》

[2]Frank Gross《智能天線》

[3]伍裕江.有源天線及Massive MIMO天線測試探討.電信技術(shù),2016,08.

[4]李煦,李耀煥.基站天線的發(fā)展與應(yīng)用.

[5]彭小平.第一代到第五代移動(dòng)通信的演進(jìn),2007(4).

[6]王書旺.中國移動(dòng)通信的發(fā)展與現(xiàn)狀.科技資訊,2009(22).

[7]周峰.移動(dòng)通信天線技術(shù)與工程應(yīng)用.人民郵電出版社,2015,02.