移动基站天线技术的研究

2017-12-27胡大成

移动通信 2017年22期

胡大成

移动基站天线技术的研究

胡大成

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都 610036）

基站天线作为移动通信系统的重要组成部分，其性能直接影响移动通信网络的整体功能。随着移动通信网络技术的发展，移动通信基站天线也不断地朝着宽带多频化、小型化以及MIMO天线的方向发展。在即将到来的5G时代，天线与射频模块高度集成，Massive MIMO天线必将成为未来天线的主流。为了进一步了解Massive MIMO天线，通过分析对比基站天线技术演进与发展，研究了Massive MIMO有源天线的特点，最后分析了5G时代天线将面临的挑战以及一些亟待解决的问题。

基站天线 Massive MIMO 有源天线

1 引言

近四十年来，移动通信行业取得了长足进步和飞速发展。从有线通信技术到无线通信网络，从传递模拟信号到传输数字信号，技术标准不断地更新换代，传输速率也从1G时代的14.4 kb/s增长为4G时代的100 Mb/s以上[1]。基站天线作为实现移动通信网络覆盖的核心设备部件之一，是移动通信系统的重要组成部分，随着移动通信产业的进步，基站天线也实现了快速的发展。与此同时，在无线通信系统中，天线有着不可替代的地位与作用，因此天线的特性将直接决定无线通信设备的整体性能。有着优异性能的基站天线不仅能降低对系统的指标要求，而且对整个系统的性能也有显著的改善作用。

基站天线从最初的全向天线发展为定向单极化天线和定向双极化天线，这期间经历了电调单极化天线、电调双极化天线、双频电调双极化的时代，再到现在的多频双极化天线，甚至是MIMO天线、有源天线[2]。本文基于移动基站天线技术发展的进程，对Massive MIMO有源天线的特点进行了探讨和研究。

2 移动基站天线的演进及特点

基站天线是伴随着通信网络发展起来的，工程人员根据网络需求来设计不同的天线。因此，随着移动通信技术的不断发展，天线技术也一直在演进。

第一代移动通信几乎用的都是全向天线，如图1所示。这种天线在水平面各方向上辐射功率相同。当时移动通信系统的用户数量很少，传输的速率也较低，还属于模拟系统[3]。

图1 传统全向基站天线

到了第二代移动通信技术，系统进入了蜂窝时代，这一阶段的天线逐渐演变成了方向性的，一般波瓣宽度包含60°、90°以及120°。以120°为例，它有三个扇区[4]。这一阶段的单极化天线为平面定向天线阵，采用机械方式调整下倾角实现波束覆盖，如图2中的定向天线。

进入第三代移动通信时代后，双极化天线（±45°交叉双极化天线）开始走上历史舞台，该种天线技术组合了两幅极化方向相互正交的天线并同时工作在收发双工模式下，其最大的优点是节省单个定向基站的天线数量，同时由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。

图2 传统2G/3G基站天线

综上所述，双极化形式的天线性能较上一代的单极化形式的天线有了很大的提升，因此不论是在3G时代还是4G时代，双极化天线形式仍是首选[5]。与此同时，由于技术标准的不同，例如GSM、CDMA等需要兼容共存，这时候的基站较为复杂，为了满足不同频段的系统共站需求，多频段天线应运而生。和窄带天线相比，多频段天线能够有效降低成本以及空间，因此多频段天线也成了基站天线的主流，如图2中的双极化多频段天线所示。此外，这一阶段的基站天线阵列采用远程电调的方式调整波束下倾角，不仅在波束覆盖性能上优于机械方式调整下倾角，还避免了繁琐的爬塔工作。

随着第四代移动通信技术的到来，2013年，在3G基站天线技术基础上，天线系统引入了MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）技术[6]，MIMO天线如图3所示。设定MIMO系统有M个发射天线和N个接收天线，假定信道为相互独立的瑞利衰落信道，并且M和N的数目很大，则系统容量C可近似为：

其中Bi为第i个信道的信号带宽，为接收端的功率噪声比，系统容量C代表了通信系统的最大传输率。根据上述公式（1），当功率P和带宽B固定时，MIMO系统的最大容量随着收发天线的数量增多而线性增长。比起在发射端或接收端采用普通天线阵列的系统，在不额外增加占用的信号带宽的基础上，MIMO系统可以通过高效的算法调制技术来提高信道容量，为通信性能带来数量级的改善。

图3 LTE&MIMO基站天线

3 新时代的移动基站天线

互联网与移动通信网的深度融合使广大移动用户对数据业务产生了近乎无止境的需求，移动网络不再单纯地为语音通信业务服务，而是正逐步向互联网传媒的方向迈进。随着4G网络的逐步规划建设，网络规模渐渐趋于稳定，但频谱资源紧缺、能源的消耗巨大以及网络的优化问题也渐渐不容小觑。在持续推进4G产业化的同时，全球各地已经开始着手于新一代无线移动通信技术的研究，希望能使移动通信系统性能和产业规模产生新的飞跃。根据IMT-2020（5G）推进组的定义，5G需要具备比4G更高的性能，支持0.1 Gb/s～1 Gb/s的用户体验速率，1 million/km2的连接数密度，毫秒级的端到端时延，每平方公里数十Tb/s的流量密度，500 km/h以上的移动性和10 Gb/s的峰值速率。超密集组网（Ultra Density Network，UDN）、超大规模输入输出（Massive MIMO）、非正交传输、高频段通信、云无线接入网（C-RAN）、软件定义型网络（Software Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）、内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）等技术均被认为是5G的潜在关键技术[7]。其中，天线的设计方案是实现Massive MIMO系统的重要环节，将直接影响到5G系统的性能指标。传统基站天线与Massive MIMO天线波束覆盖对比如图4所示。

图4 传统基站天线与Massive MIMO天线波束覆盖对比

传统的基站天线设计选型主要依据不同的传播环境（如城区、郊区和农村）、不同地形地貌（高山、水面和沙漠等）进行考虑，因地制宜提供对应的增益及波束覆盖能力。而即将应用于5G系统的Massive MIMO基站天线与传统的2G/3G/4G基站天线有着巨大的差异，其电气化性能对比如表1所示。从阵列规模上讲，传统的基站天线少则4～8根，多则十几根，而Massive MIMO天线有着大量的阵元数目（128根、256根或更多），并且每个单元都具有独立收发数据的能力。Massive MIMO有源天线相比于传统有源天线有如下特性[8]：

（1）多波束能力；

（2）大阵列波束赋形；

（3）三维波束成形特性；

（4）多通道上行接收。

Massive MIMO是提升通信系统容量的关键技术方法，可通过多用户多输入多输出（MU-MIMO）和三维波束成形使频谱效率提升5～8倍。通过多波束能力、上行MIMO收益以及高阶调制技术极大地提升并改善用户网络体验。通过三维波束成形的技术可解决弱覆盖问题。其应用场景可针对时分双工（Time Division Duplexing，TDD）高频组网，既可以应用于密集城区楼层阻挡导致的弱覆盖场景，也可以用于解决CBD区域站址紧张的问题，还可以用于高楼覆盖，解决站址及墙体的传输损耗。

3.1 承上启下的4.5G基站天线

5G系统的研究正在进行着，但5G技术的标准制定预计还有一段时间（保守估计为2018年，计划商用时间为2020年）。从2015年开始，国内外各大设备商如华为、中兴、爱立信等纷纷开启4.5G通信系统的研发工作[9]。4.5G也称为Pre 5G，提出让用户体验从Mb/s步入到Gb/s时代的要求，其核心主要是把Massive MIMO和UDN等5G的核心技术应用于4G网络上，完全兼容现有4G核心网及终端、频谱，使效率提升4至6倍，其特点是不更改4G终端，无需更换终端。4.5G在吞吐率、延迟等方面能够提供远远高于4G的用户体验，已经非常接近5G的水平。

4.5 G系统采用的Massive MIMO天线基本可概括为多分集、多波束、低相关与高隔离。图5为设备商研制的4.5G Massive MIMO天线阵面原理样机。

图5中的天线阵由64个天线阵元（按8行8列双极化阵元布阵）按照三角栅格排列组成，垂直列通过合路器进行二合一合并，共输出64个射频端口（包含32个+45°极化端口和32个-45°极化端口）。天线阵分为两个模块。每个模块由32个天线阵元（按4行8列双极化阵元排列）组成，垂直列进行2合1合并，共输出32个射频端口（包含16个+45°极化端口和16个-45°极化端口）。每个模块包含32合1校准网络，输出一个校准射频端口。通过控制终端进行幅相控制，使天线在广播状态下进行波束赋形，也可以在业务状态下实现多波束辐射。

图5 4.5G Massive MIMO天线阵面原理样机

3.2 焕然一新的5G基站天线

（1）频谱的改变

过去的2G/3G/4G网络的主要工作频率低于3 GHz，工作波长λ＞10 cm，频谱范围如表2所示。目前应用于4G基站和终端中的MIMO天线一般是由8根基站天线和2列天线组成，空间复用、空间分集和波束赋形的效果与天线的数目成正比，因此少量的天线使得现有MIMO基站天线的性能非常有限。

目前5G的频谱标准尚未公布，但从先行研究情况来看，欧盟5G预计采用24.5 GHz—27.5 GHz，美日韩则在27.5 GHz—29.5 GHz频段上试验5G。虽然目前我国针对5G的研究集中在Sub-6G频段，但同样也在24 GHz—27 GHz以及37 GHz—42.5 GHz频段上开展部署工作。IMT-2020（5G）推进组一直致力于加强各国在5G技术、标准、频谱及试验等方面的交流合作，推动形成全球统一的5G标准，预计5G商用频段在毫米波频段的可能性很高。在毫米波频段，单个天线可以做的非常小，就算在比现有基站体积更小的尺寸下，也能够组成有成百上千个阵元的Massive MIMO天线阵，凭借数量如此多的Massive MIMO天线阵，足以设计出可同时进行空间复用、空间分集和波束赋形应用的Massive MIMO系统[10]。

表1 传统基站天线与Massive MIMO天线电气化性能对比

表2 移动通信系统的频谱范围

（2）体制的改变

从无源天线到有源天线，未来的网络会变得越来越细，需要根据周围的场景来进行定制化的设计。例如在城市区域内布站会更加精细，而不是简单地覆盖。一体化有源天线将射频模块与天线作为一个整体协同设计，在减少系统馈线损耗的基础上还简化了站点部署，使网络覆盖性能得到提升。再结合多频段天线技术，仅靠一体化有源天线就可以实现一个区域的多频段站点覆盖要求，和传统的无源天线相比，大幅降低了部署时间和运营维护成本。因此一体化有源天线不但可以满足逐渐苛刻的部署要求，而且在将来可承载更多天线阵列新技术和新特性[8]。

（3）功能的改变

过去在2G/3G/4G时代，天线仅仅是充当一个发射接收转换器，只需考虑驻波、方向图和增益等性能的器件。进入5G时代后，天线设计变得系统化和复杂化。例如波束阵列（实现空分复用）、多波束以及多/高频段，这些都对天线提出了很高的要求，它会涉及到整个系统以及互相兼容的问题。未来天线必须要和系统一起设计而不是单独设计，甚至可以说天线将会成为5G的一个瓶颈，如果不突破这一瓶颈，系统上的信号处理都无法实现，所以天线已经成为5G移动通信系统的关键技术。天线不再只是一个辐射器，它具有滤波特性、放大作用、抑制干扰信号的功能，在这种情况下天线技术早已超越了元器件模块的概念，进入了系统的设计。

（4）测试的改变

传统的移动基站天线属于元器件模块，可以与射频拉远单元（RRU）相互分离。通过独立测试，例如方向图和端口驻波等指标检验天线的性能。然而5G中的Massive MIMO天线是一套高度集成化的复杂系统，其辐射指标本身包括了传统的一体化有源天线中的波束指向精度、副瓣电平、波瓣宽度、有效全向辐射功率（EIRP）、G/T值以及有效全向灵敏度（EIS）等系统指标。同时，由于Massive MIMO天线其多通道射频架构、3D-Beamforming特性以及多波束特性，其辐射特性还会存在如何选择业务状态下多波束辐射测试场景和多波束天线的测试效率等问题。因此，传统的测试方式在对Massive MIMO天线的真实辐射性能和射频指标进行测试方面会面临全新的改变。

4 移动基站天线的机遇和挑战

移动宽带网络的跨越式发展使通信系统从人与人、人与机器的相连，进一步扩展到机器与机器的连接，直到万物互联。中国移动、中国电信、中国联通三大运营商都在为建设5G网络迎接物联网时代到来做着各种准备工作。

由于5G采用UDN技术，对基站天线需求量巨大，所以其市场容量极大。以目前4G基站作为参考进行评估，如图6所示：

图6 三大运营商的4G基站总数/万个

截止2016年，国内4G基站存量大约314万个，由于UDN技术，预计5G基站数目需求量比现有的4G基站保有量会有数量级的提升，其市场价值极其巨大。

5G基站天线有着十分美好的应用前景及市场需求，同时也面临着极大的挑战。

（1）从设计层面来讲：对基站天线的要求是小型化、多频段、宽频段、可调谐。虽然这些特性现在的基站天线也有，但5G的要求会更加苛刻，Massive MIMO这样的多天线系统怎样降低相互之间的耦合影响，如何增加信道的隔离度，这是5G系统中设计单个天线阵面最大的挑战。除此之外，5G基站天线中系统层面的技术，包括天线系统总体架构设计、信道功能实现和芯片研发能力等，每一项都是无比艰巨的工作。

（2）从成本方面来讲：5G基站天线系统复杂，技术难度高，同时需求量巨大。如果价格高昂则难以在市场立足。因此如何控制成本，选择合适低成本的方案，是将来进行大规模生产加工前必须考虑的因素。

（3）从测试方面来讲：5G基站天线的测试方法相比传统的测试有了全新的改变，有更多更复杂的测试项目。按照5G基站天线的市场需求量，大批量的产品交付前的测试验收工作将无比繁重。因此，如何建立高效、快速、准确的测试平台和测试方法也是需要面临的考验。

5 结束语

本文通过分析对比移动基站天线技术演进与发展，接着介绍Massive MIMO天线的技术特点，对4.5G和5G移动基站天线进行探索和研究，最后对5G基站天线提出了一些亟待解决的问题。希望随着相关研究的持续深入，能够找到这些问题的解决方案，推动Massive MIMO和5G相关技术在各个领域中的成熟运用。

[1] Gohil A, Modi H, Patel S K. 5G technology of mobile communication: A survey[C]//Intelligent Systems and Signal Processing(ISSP), 2013 International Conference on IEEE, 2013: 288-292.

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[3] 李卫,郭骅. 浅谈移动通信基站天线系统设计[J]. 邮电设计技术, 2003(8): 10-18.

[4] Veneela Ammula, Stuart M Wentworth, Sadasiva M Rao.Design and implementation of a dual excited planar circular array antenna for base stations[C]//Antennas and Propagation Society International Symposium(APSURSI), 2010.

[5] 董攀. 移动通信系统中的3G基站天线设计[D]. 昆明: 云南大学, 2012.

[6] 邢君. 移动终端MIMO天线前端技术研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2013.

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[11] 张勇. 小型超宽带平面天线阵列设计与优化[J]. 电子信息对抗技术, 2017,32(1): 65-69.★

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

1006-1010(2017)22-0071-06

胡大成. 移动基站天线技术的研究[J]. 移动通信, 2017,41(22): 71-76.

2017-09-17

刘妙 liumiao@mbcom.cn