胡大成

移動基站天線技術的研究

胡大成

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

基站天線作為移動通信系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響移動通信網(wǎng)絡的整體功能。隨著移動通信網(wǎng)絡技術的發(fā)展，移動通信基站天線也不斷地朝著寬帶多頻化、小型化以及MIMO天線的方向發(fā)展。在即將到來的5G時代，天線與射頻模塊高度集成，Massive MIMO天線必將成為未來天線的主流。為了進一步了解Massive MIMO天線，通過分析對比基站天線技術演進與發(fā)展，研究了Massive MIMO有源天線的特點，最后分析了5G時代天線將面臨的挑戰(zhàn)以及一些亟待解決的問題。

基站天線 Massive MIMO 有源天線

1 引言

近四十年來，移動通信行業(yè)取得了長足進步和飛速發(fā)展。從有線通信技術到無線通信網(wǎng)絡，從傳遞模擬信號到傳輸數(shù)字信號，技術標準不斷地更新?lián)Q代，傳輸速率也從1G時代的14.4 kb/s增長為4G時代的100 Mb/s以上[1]。基站天線作為實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡覆蓋的核心設備部件之一，是移動通信系統(tǒng)的重要組成部分，隨著移動通信產(chǎn)業(yè)的進步，基站天線也實現(xiàn)了快速的發(fā)展。與此同時，在無線通信系統(tǒng)中，天線有著不可替代的地位與作用，因此天線的特性將直接決定無線通信設備的整體性能。有著優(yōu)異性能的基站天線不僅能降低對系統(tǒng)的指標要求，而且對整個系統(tǒng)的性能也有顯著的改善作用。

基站天線從最初的全向天線發(fā)展為定向單極化天線和定向雙極化天線，這期間經(jīng)歷了電調(diào)單極化天線、電調(diào)雙極化天線、雙頻電調(diào)雙極化的時代，再到現(xiàn)在的多頻雙極化天線，甚至是MIMO天線、有源天線[2]。本文基于移動基站天線技術發(fā)展的進程，對Massive MIMO有源天線的特點進行了探討和研究。

2 移動基站天線的演進及特點

基站天線是伴隨著通信網(wǎng)絡發(fā)展起來的，工程人員根據(jù)網(wǎng)絡需求來設計不同的天線。因此，隨著移動通信技術的不斷發(fā)展，天線技術也一直在演進。

第一代移動通信幾乎用的都是全向天線，如圖1所示。這種天線在水平面各方向上輻射功率相同。當時移動通信系統(tǒng)的用戶數(shù)量很少，傳輸?shù)乃俾室草^低，還屬于模擬系統(tǒng)[3]。

圖1 傳統(tǒng)全向基站天線

到了第二代移動通信技術，系統(tǒng)進入了蜂窩時代，這一階段的天線逐漸演變成了方向性的，一般波瓣寬度包含60°、90°以及120°。以120°為例，它有三個扇區(qū)[4]。這一階段的單極化天線為平面定向天線陣，采用機械方式調(diào)整下傾角實現(xiàn)波束覆蓋，如圖2中的定向天線。

進入第三代移動通信時代后，雙極化天線（±45°交叉雙極化天線）開始走上歷史舞臺，該種天線技術組合了兩幅極化方向相互正交的天線并同時工作在收發(fā)雙工模式下，其最大的優(yōu)點是節(jié)省單個定向基站的天線數(shù)量，同時由于±45°為正交極化，有效保證了分集接收的良好效果。

圖2 傳統(tǒng)2G/3G基站天線

綜上所述，雙極化形式的天線性能較上一代的單極化形式的天線有了很大的提升，因此不論是在3G時代還是4G時代，雙極化天線形式仍是首選[5]。與此同時，由于技術標準的不同，例如GSM、CDMA等需要兼容共存，這時候的基站較為復雜，為了滿足不同頻段的系統(tǒng)共站需求，多頻段天線應運而生。和窄帶天線相比，多頻段天線能夠有效降低成本以及空間，因此多頻段天線也成了基站天線的主流，如圖2中的雙極化多頻段天線所示。此外，這一階段的基站天線陣列采用遠程電調(diào)的方式調(diào)整波束下傾角，不僅在波束覆蓋性能上優(yōu)于機械方式調(diào)整下傾角，還避免了繁瑣的爬塔工作。

隨著第四代移動通信技術的到來，2013年，在3G基站天線技術基礎上，天線系統(tǒng)引入了MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）技術[6]，MIMO天線如圖3所示。設定MIMO系統(tǒng)有M個發(fā)射天線和N個接收天線，假定信道為相互獨立的瑞利衰落信道，并且M和N的數(shù)目很大，則系統(tǒng)容量C可近似為：

其中Bi為第i個信道的信號帶寬，為接收端的功率噪聲比，系統(tǒng)容量C代表了通信系統(tǒng)的最大傳輸率。根據(jù)上述公式（1），當功率P和帶寬B固定時，MIMO系統(tǒng)的最大容量隨著收發(fā)天線的數(shù)量增多而線性增長。比起在發(fā)射端或接收端采用普通天線陣列的系統(tǒng)，在不額外增加占用的信號帶寬的基礎上，MIMO系統(tǒng)可以通過高效的算法調(diào)制技術來提高信道容量，為通信性能帶來數(shù)量級的改善。

圖3 LTE&MIMO基站天線

3 新時代的移動基站天線

互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的深度融合使廣大移動用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務產(chǎn)生了近乎無止境的需求，移動網(wǎng)絡不再單純地為語音通信業(yè)務服務，而是正逐步向互聯(lián)網(wǎng)傳媒的方向邁進。隨著4G網(wǎng)絡的逐步規(guī)劃建設，網(wǎng)絡規(guī)模漸漸趨于穩(wěn)定，但頻譜資源緊缺、能源的消耗巨大以及網(wǎng)絡的優(yōu)化問題也漸漸不容小覷。在持續(xù)推進4G產(chǎn)業(yè)化的同時，全球各地已經(jīng)開始著手于新一代無線移動通信技術的研究，希望能使移動通信系統(tǒng)性能和產(chǎn)業(yè)規(guī)模產(chǎn)生新的飛躍。根據(jù)IMT-2020（5G）推進組的定義，5G需要具備比4G更高的性能，支持0.1 Gb/s～1 Gb/s的用戶體驗速率，1 million/km2的連接數(shù)密度，毫秒級的端到端時延，每平方公里數(shù)十Tb/s的流量密度，500 km/h以上的移動性和10 Gb/s的峰值速率。超密集組網(wǎng)（Ultra Density Network，UDN）、超大規(guī)模輸入輸出（Massive MIMO）、非正交傳輸、高頻段通信、云無線接入網(wǎng)（C-RAN）、軟件定義型網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡（Content Delivery Network，CDN）等技術均被認為是5G的潛在關鍵技術[7]。其中，天線的設計方案是實現(xiàn)Massive MIMO系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，將直接影響到5G系統(tǒng)的性能指標。傳統(tǒng)基站天線與Massive MIMO天線波束覆蓋對比如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)基站天線與Massive MIMO天線波束覆蓋對比

傳統(tǒng)的基站天線設計選型主要依據(jù)不同的傳播環(huán)境（如城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村）、不同地形地貌（高山、水面和沙漠等）進行考慮，因地制宜提供對應的增益及波束覆蓋能力。而即將應用于5G系統(tǒng)的Massive MIMO基站天線與傳統(tǒng)的2G/3G/4G基站天線有著巨大的差異，其電氣化性能對比如表1所示。從陣列規(guī)模上講，傳統(tǒng)的基站天線少則4～8根，多則十幾根，而Massive MIMO天線有著大量的陣元數(shù)目（128根、256根或更多），并且每個單元都具有獨立收發(fā)數(shù)據(jù)的能力。Massive MIMO有源天線相比于傳統(tǒng)有源天線有如下特性[8]：

（1）多波束能力；

（2）大陣列波束賦形；

（3）三維波束成形特性；

（4）多通道上行接收。

Massive MIMO是提升通信系統(tǒng)容量的關鍵技術方法，可通過多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）和三維波束成形使頻譜效率提升5～8倍。通過多波束能力、上行MIMO收益以及高階調(diào)制技術極大地提升并改善用戶網(wǎng)絡體驗。通過三維波束成形的技術可解決弱覆蓋問題。其應用場景可針對時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）高頻組網(wǎng)，既可以應用于密集城區(qū)樓層阻擋導致的弱覆蓋場景，也可以用于解決CBD區(qū)域站址緊張的問題，還可以用于高樓覆蓋，解決站址及墻體的傳輸損耗。

3.1 承上啟下的4.5G基站天線

5G系統(tǒng)的研究正在進行著，但5G技術的標準制定預計還有一段時間（保守估計為2018年，計劃商用時間為2020年）。從2015年開始，國內(nèi)外各大設備商如華為、中興、愛立信等紛紛開啟4.5G通信系統(tǒng)的研發(fā)工作[9]。4.5G也稱為Pre 5G，提出讓用戶體驗從Mb/s步入到Gb/s時代的要求，其核心主要是把Massive MIMO和UDN等5G的核心技術應用于4G網(wǎng)絡上，完全兼容現(xiàn)有4G核心網(wǎng)及終端、頻譜，使效率提升4至6倍，其特點是不更改4G終端，無需更換終端。4.5G在吞吐率、延遲等方面能夠提供遠遠高于4G的用戶體驗，已經(jīng)非常接近5G的水平。

4.5 G系統(tǒng)采用的Massive MIMO天線基本可概括為多分集、多波束、低相關與高隔離。圖5為設備商研制的4.5G Massive MIMO天線陣面原理樣機。

圖5中的天線陣由64個天線陣元（按8行8列雙極化陣元布陣）按照三角柵格排列組成，垂直列通過合路器進行二合一合并，共輸出64個射頻端口（包含32個+45°極化端口和32個-45°極化端口）。天線陣分為兩個模塊。每個模塊由32個天線陣元（按4行8列雙極化陣元排列）組成，垂直列進行2合1合并，共輸出32個射頻端口（包含16個+45°極化端口和16個-45°極化端口）。每個模塊包含32合1校準網(wǎng)絡，輸出一個校準射頻端口。通過控制終端進行幅相控制，使天線在廣播狀態(tài)下進行波束賦形，也可以在業(yè)務狀態(tài)下實現(xiàn)多波束輻射。

圖5 4.5G Massive MIMO天線陣面原理樣機

3.2 煥然一新的5G基站天線

（1）頻譜的改變

過去的2G/3G/4G網(wǎng)絡的主要工作頻率低于3 GHz，工作波長λ＞10 cm，頻譜范圍如表2所示。目前應用于4G基站和終端中的MIMO天線一般是由8根基站天線和2列天線組成，空間復用、空間分集和波束賦形的效果與天線的數(shù)目成正比，因此少量的天線使得現(xiàn)有MIMO基站天線的性能非常有限。

目前5G的頻譜標準尚未公布，但從先行研究情況來看，歐盟5G預計采用24.5 GHz—27.5 GHz，美日韓則在27.5 GHz—29.5 GHz頻段上試驗5G。雖然目前我國針對5G的研究集中在Sub-6G頻段，但同樣也在24 GHz—27 GHz以及37 GHz—42.5 GHz頻段上開展部署工作。IMT-2020（5G）推進組一直致力于加強各國在5G技術、標準、頻譜及試驗等方面的交流合作，推動形成全球統(tǒng)一的5G標準，預計5G商用頻段在毫米波頻段的可能性很高。在毫米波頻段，單個天線可以做的非常小，就算在比現(xiàn)有基站體積更小的尺寸下，也能夠組成有成百上千個陣元的Massive MIMO天線陣，憑借數(shù)量如此多的Massive MIMO天線陣，足以設計出可同時進行空間復用、空間分集和波束賦形應用的Massive MIMO系統(tǒng)[10]。

表1 傳統(tǒng)基站天線與Massive MIMO天線電氣化性能對比

表2 移動通信系統(tǒng)的頻譜范圍

（2）體制的改變

從無源天線到有源天線，未來的網(wǎng)絡會變得越來越細，需要根據(jù)周圍的場景來進行定制化的設計。例如在城市區(qū)域內(nèi)布站會更加精細，而不是簡單地覆蓋。一體化有源天線將射頻模塊與天線作為一個整體協(xié)同設計，在減少系統(tǒng)饋線損耗的基礎上還簡化了站點部署，使網(wǎng)絡覆蓋性能得到提升。再結合多頻段天線技術，僅靠一體化有源天線就可以實現(xiàn)一個區(qū)域的多頻段站點覆蓋要求，和傳統(tǒng)的無源天線相比，大幅降低了部署時間和運營維護成本。因此一體化有源天線不但可以滿足逐漸苛刻的部署要求，而且在將來可承載更多天線陣列新技術和新特性[8]。

（3）功能的改變

過去在2G/3G/4G時代，天線僅僅是充當一個發(fā)射接收轉換器，只需考慮駐波、方向圖和增益等性能的器件。進入5G時代后，天線設計變得系統(tǒng)化和復雜化。例如波束陣列（實現(xiàn)空分復用）、多波束以及多/高頻段，這些都對天線提出了很高的要求，它會涉及到整個系統(tǒng)以及互相兼容的問題。未來天線必須要和系統(tǒng)一起設計而不是單獨設計，甚至可以說天線將會成為5G的一個瓶頸，如果不突破這一瓶頸，系統(tǒng)上的信號處理都無法實現(xiàn)，所以天線已經(jīng)成為5G移動通信系統(tǒng)的關鍵技術。天線不再只是一個輻射器，它具有濾波特性、放大作用、抑制干擾信號的功能，在這種情況下天線技術早已超越了元器件模塊的概念，進入了系統(tǒng)的設計。

（4）測試的改變

傳統(tǒng)的移動基站天線屬于元器件模塊，可以與射頻拉遠單元（RRU）相互分離。通過獨立測試，例如方向圖和端口駐波等指標檢驗天線的性能。然而5G中的Massive MIMO天線是一套高度集成化的復雜系統(tǒng)，其輻射指標本身包括了傳統(tǒng)的一體化有源天線中的波束指向精度、副瓣電平、波瓣寬度、有效全向輻射功率（EIRP）、G/T值以及有效全向靈敏度（EIS）等系統(tǒng)指標。同時，由于Massive MIMO天線其多通道射頻架構、3D-Beamforming特性以及多波束特性，其輻射特性還會存在如何選擇業(yè)務狀態(tài)下多波束輻射測試場景和多波束天線的測試效率等問題。因此，傳統(tǒng)的測試方式在對Massive MIMO天線的真實輻射性能和射頻指標進行測試方面會面臨全新的改變。

4 移動基站天線的機遇和挑戰(zhàn)

移動寬帶網(wǎng)絡的跨越式發(fā)展使通信系統(tǒng)從人與人、人與機器的相連，進一步擴展到機器與機器的連接，直到萬物互聯(lián)。中國移動、中國電信、中國聯(lián)通三大運營商都在為建設5G網(wǎng)絡迎接物聯(lián)網(wǎng)時代到來做著各種準備工作。

由于5G采用UDN技術，對基站天線需求量巨大，所以其市場容量極大。以目前4G基站作為參考進行評估，如圖6所示：

圖6 三大運營商的4G基站總數(shù)/萬個

截止2016年，國內(nèi)4G基站存量大約314萬個，由于UDN技術，預計5G基站數(shù)目需求量比現(xiàn)有的4G基站保有量會有數(shù)量級的提升，其市場價值極其巨大。

5G基站天線有著十分美好的應用前景及市場需求，同時也面臨著極大的挑戰(zhàn)。

（1）從設計層面來講：對基站天線的要求是小型化、多頻段、寬頻段、可調(diào)諧。雖然這些特性現(xiàn)在的基站天線也有，但5G的要求會更加苛刻，Massive MIMO這樣的多天線系統(tǒng)怎樣降低相互之間的耦合影響，如何增加信道的隔離度，這是5G系統(tǒng)中設計單個天線陣面最大的挑戰(zhàn)。除此之外，5G基站天線中系統(tǒng)層面的技術，包括天線系統(tǒng)總體架構設計、信道功能實現(xiàn)和芯片研發(fā)能力等，每一項都是無比艱巨的工作。

（2）從成本方面來講：5G基站天線系統(tǒng)復雜，技術難度高，同時需求量巨大。如果價格高昂則難以在市場立足。因此如何控制成本，選擇合適低成本的方案，是將來進行大規(guī)模生產(chǎn)加工前必須考慮的因素。

（3）從測試方面來講：5G基站天線的測試方法相比傳統(tǒng)的測試有了全新的改變，有更多更復雜的測試項目。按照5G基站天線的市場需求量，大批量的產(chǎn)品交付前的測試驗收工作將無比繁重。因此，如何建立高效、快速、準確的測試平臺和測試方法也是需要面臨的考驗。

5 結束語

本文通過分析對比移動基站天線技術演進與發(fā)展，接著介紹Massive MIMO天線的技術特點，對4.5G和5G移動基站天線進行探索和研究，最后對5G基站天線提出了一些亟待解決的問題。希望隨著相關研究的持續(xù)深入，能夠找到這些問題的解決方案，推動Massive MIMO和5G相關技術在各個領域中的成熟運用。

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Research of Base Station Antenna Technology in Mobile Communications

HU Dacheng
(The 10th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Chengdu 610036, China)

Base station antenna is the key component of mobile communication systems, whose performance directly affects the overall functions of mobile communication networks. With the development of the mobile communication network technology, the mobile communication base station antenna constantly develops toward the direction of broadband, multiband, miniaturization and MIMO. In the forthcoming 5G era, the antenna and RF module are highly integrated, and the Massive MIMO antenna is bound to become the mainstream of the future antenna. In order to further investigate MIMO antenna, the evolution and development of the base station antenna technology were analyzed and compared. The characteristics of the active Massive MIMO antenna were addressed. Finally, the challenge and some suspended problems faced by the antenna in 5G era were analyzed.

base station antenna Massive MIMO active antenna

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.22.014

TN820

A

1006-1010(2017)22-0071-06

胡大成. 移動基站天線技術的研究[J]. 移動通信, 2017,41(22): 71-76.

2017-09-17

劉妙 liumiao@mbcom.cn

胡大成：工程師，碩士畢業(yè)于電子科技大學，現(xiàn)任職于中國電子科技集團公司第十研究所，主要研究方向為相控陣天線和智能天線。