孫善球，林學(xué)進，趙 娜，曾 晨（京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663）

1 概述

隨著5G商用的到來，全球越來越多運營商已規(guī)劃或啟動5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。但與此同時，全球運營商正面臨著營收增長放緩與5G建網(wǎng)成本上升的雙重挑戰(zhàn)，一方面高飽和市場、4G 流量價值回落的大環(huán)境下，移動服務(wù)收入無法支撐持續(xù)增長，甚至出現(xiàn)負增長，運營商總體營收增速持續(xù)下滑，而5G 垂直行業(yè)又處于探索期，盈利模式還有待挖掘；另一方面5G 設(shè)備成本是4G的2～3 倍，5G 基站單站能耗也是4G 的2 倍以上，運營電費高昂，同時大量存量基站的電力配套系統(tǒng)需要改造，改造費用高、周期長。

5G 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要分為廣域覆蓋、深度覆蓋和熱點覆蓋。廣域覆蓋是在保證容量的前提下，要求單站覆蓋距離越大越好，以減少基站建設(shè)數(shù)；深度覆蓋是針對室外或室內(nèi)的弱覆蓋或盲覆蓋區(qū)域進行定制化補盲覆蓋；熱點覆蓋主要針對用戶密集或容量需求極高的場景，提升系統(tǒng)容量吸收能力。三者概念不同，需求不同，不能混淆，應(yīng)區(qū)別對待（見圖1）。

圖1 5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋類型及典型場景

2 5G無線網(wǎng)分場景部署方案

基于5G無線網(wǎng)不同場景的覆蓋需求，結(jié)合運營商無線網(wǎng)絡(luò)部署所面臨的雙重挑戰(zhàn)，5G無線網(wǎng)的部署思路應(yīng)該“基于場景，按需配置，兼顧全域覆蓋和經(jīng)濟建設(shè)”，具體可分為以下3種分場景部署方案（見圖2）。

圖2 5G分場景部署方案示意圖

方案1：全域按需配置，即熱點場景采用64/32TR，中等容量場景廣域覆蓋采用16/8TR，低容量場景廣域覆蓋采用8/4TR。

方案2：在方案1基礎(chǔ)上，為降低網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃難度，按照覆蓋區(qū)域的總體容量大致選擇覆蓋方案，密集市區(qū)采用64/32TR，一般城區(qū)廣域覆蓋采用16/8TR，鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村廣域覆蓋采用8/4TR。

方案3：“1+1”多頻疊加配置，即以中低頻（sub 2.5 GHz）4TR 進行全網(wǎng)廣域覆蓋，形成一張5G 基礎(chǔ)覆蓋網(wǎng)，以中高頻段（sub 2.5 GHz）作為5G 容量層，一二線城市采用64/32TR，其他城區(qū)廣域覆蓋場景采用16/8TR。

3 16TR/32TR基站系統(tǒng)對比分析

眾所周知，當天線口饋入的總功率需求一定時，基站系統(tǒng)覆蓋范圍由天線增益決定；當天線口饋入的總功率需求相同時，基站系統(tǒng)能耗差別由Radio 效率決定。

3.1 16TR/32TR天線陣列設(shè)計原理

16TR/32TR 基站系統(tǒng)配套天線陣列共有8 列，每列在垂直方向均有12 個輻射單元。16TR 每列天線在垂直方向通過機電移相器對每個輻射單元進行獨立的連續(xù)相位調(diào)整，陣列間距設(shè)計自由度大，可以在0.55 λ～0.95 λ 范圍內(nèi)靈活選擇，找到增益和副瓣的最佳平衡點，根據(jù)過往成功的設(shè)計經(jīng)驗，最終輻射單元間距會選擇0.85 λ～0.95 λ。32TR 每列天線在垂直方向首先分為2 個子陣A，每個子陣A 有6 個輻射單元；再進一步將每個子陣A 分為2個子陣B，每個子陣B有3個輻射單元；最后對每個子陣B 的3個輻射單元預(yù)置固定相位差。最終通過對每個子陣B 預(yù)置固定相位差，再聯(lián)合機電移相器對子陣B 按3 倍輻射單元間距調(diào)整相位及采用AAU對子陣A按6倍輻射單元間距進行數(shù)字移相（數(shù)字加權(quán)），實現(xiàn)垂直方向上的電下傾角調(diào)整和波束掃描。因為電下傾角調(diào)整和數(shù)字掃描時的陣列間距分別達到了輻射單元間距的3 倍和6 倍，為平衡增益損失和副瓣干擾電平，輻射單元間距選擇了0.68 λ。

圖3給出了16TR和32TR垂直陣列原理圖。

圖3 16TR和32TR垂直陣列原理圖

3.2 基站系統(tǒng)增益和覆蓋范圍能力對比

16TR天線由于垂直陣列間距設(shè)計自由度高，每個輻射單元可獨立調(diào)整相位，可以獲得良好的增益和副瓣電平抑制。而32TR 由于子陣A 間距超過4 λ，在AAU 給予數(shù)字相位移相時，其垂直面方向圖的副瓣快速惡化，當掃描范圍超過±0.5°時，副瓣電平已經(jīng)超出指標要求，同時因副瓣過高占據(jù)太多能量，導(dǎo)致天線增益快速降低，達到無法使用的程度。

圖4給出了32TR（數(shù)字移相）天線垂直面方向圖。

圖4 32TR（數(shù)字移相）天線垂直面方向圖

為了彌補上述缺陷，在子陣A 內(nèi)聯(lián)合機電移相器對每個子陣B 進行射頻移相，因機電移相的子陣B 間距仍超過2 λ，導(dǎo)致其在電下傾角調(diào)整過程中，副瓣電平抑制能力減弱，副瓣電平相比16TR 仍高5 dB，增益相比16TR低1 dB。

圖5 給出了16TR/32TR（數(shù)字移相+機電移相）天線垂直面方向圖。

圖5 16TR/32TR（數(shù)字移相+機電移相）天線垂直面方向圖

3.3 實時波束掃描和電下傾角可調(diào)范圍能力對比

16TR 和32TR 在水平方向的波束掃描能力相同。在垂直方向，16TR天線可以支持較大范圍內(nèi)的連續(xù)電下傾角調(diào)整；而32TR 天線只能支持±0.5°范圍內(nèi)的實時多波束數(shù)字掃描，超出該范圍時，副瓣電平抑制性能已超出網(wǎng)絡(luò)最低指標要求，最終選擇聯(lián)合機電移相器進行波束的電下傾角調(diào)整，因機電移相器調(diào)整時延為數(shù)秒級或數(shù)十秒級，導(dǎo)致其失去了實時3D波束掃描能力，但因其調(diào)整相位的子陣間距超過16TR 的2 倍，電下傾角可調(diào)范圍受限?？梢姡?2TR 在實時3D 波束掃描功能上與16TR 無本質(zhì)區(qū)別，但電下傾角可調(diào)范圍反而更小。

3.4 基站系統(tǒng)能耗及成本對比

眾所周知，當天線口饋入的總功率需求相同時，基站系統(tǒng)能耗差別主要由Radio 的效率決定，而Radio能耗效率主要取決于功放、射頻電路等部分，其中低功率的功放效率低于高功率功放效率，即在Radio 同等輸出功率下，基站系統(tǒng)的通道數(shù)越多，功放的效率越低，Radio 的能耗越大。經(jīng)測算，16TR 能耗比32TR下降12%以上，比64TR下降30%以上。

此外，基站系統(tǒng)的通道數(shù)越多，Radio所需功放、射頻電路設(shè)計及信號處理等方面越復(fù)雜，基站系統(tǒng)成本越高。據(jù)了解，16TR設(shè)備成本相比32TR會下降27%。

4 結(jié)束語

16/8/4TR 是廣域覆蓋場景主流配置，64T/32TR 是熱點場景的增強配置，而且16TR是一般城區(qū)廣域覆蓋場景最佳配置。32TR 實時3D 波束掃描能力局限在±0.5°的范圍內(nèi)，不具有實用價值，當聯(lián)合機電移相器進行移相時，功能上與16TR 無本質(zhì)區(qū)別；16TR 容量和水平面多波束能力足以滿足廣域覆蓋場景掃描要求，且相比32TR 來說增益提升1.0 dB，副瓣電平抑制性能改善5 dB，同時能耗降低12%，設(shè)備成本降低27%，電下傾角調(diào)整范圍更大。綜上，16TR 相比32TR 具有明顯的性價比優(yōu)勢。當然，如采用中低頻4TR 和中高頻8TR 疊加組網(wǎng)，其覆蓋效果會優(yōu)于16TR 和32TR，通過載波聚合等技術(shù)，其容量性能也可能達到甚至超過16TR和32TR。