5G宏网天线覆盖解决方案及现网融合技术

卜斌龙 林学进 孙全有

【摘  要】阐述了5G移动通信基站天线在网络宏覆盖的应用形态，包括Massive MIMO天线的64TR、16TR、8TR的解决方案和适用场景。根据当前2G/3G/4G网络并存以及未来4G/5G长期共用的特征，提出了1+1智简天面布局方案，并阐述了4G多系统共用天线的关键技术、产品形态和适用场景，为5G商用的升级提供了切实可行的工程实现方案。

【关键词】5G天线;宏网覆盖;多网融合天线;Massive MIMO天线

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）04-0021-04

[Abstract] The application forms of 5G mobile communications base station antenna in the macro network coverage are addressed， including massive MIMO 64TR， 16TR and 8TR solutions and scenarios. Considering the long-term coexistence of 2G， 3G， 4G and 5G networks， the solution of simple and smart “1 plus 1” antenna array is proposed. The key techniques， product form and application scenarios of 4G multi-system antenna are elaborated to provide a feasible engineering implementation scheme to the 5G commercial use update.

[Key words]5G antenna; macro network coverage; multi-network integration antenna; massive MIMO antenna

1   引言

根据爱立信2018年发布的报告[1]，自2017年LTE技术成为主流接入技术，4G移动用户数量持续增长，预计2024年将达到54亿，占移动用户总数的60%以上。TDIA预测，到2024年，中国5G用户数只占移动用户总数的50%;到2030年，中国仍将有约2.5亿的4G用户。5G技术的主要目标是解决超高容量、低时延和大连接等问题。在语音业务方面，VoNR还在规划阶段，距离实际商用还需要很多年，VoLTE在未来很长的一段时间内将是唯一可用的语音业务解决方案。此外，也并不是所有的场景业务都需要使用5G技术，例如即时通信、移动支付等消费互联网领域，图像传输、短视频传输等宽带应用领域，4G网络完全可以满足用户需求，真正基于5G技术的高阶物联网应用场景的出现还需要很长一段时间。由此可见，在5G时代，4G网络仍是基础承载网络，5G网络是4G网络的叠加，4G/5G将长期共存[2-3]，协同发展。

基于4G/5G网络将长期共存的组网策略来分析天面架构的演进趋势。在主流场景下，所有非5G网络的天线将高度集成为1副一体化高阶多系统共用天线，所有服务于5G网络的天线将高度集成为1副天线，各占一个天面空间，从而形成如图1所示的5G时代智简天面架构的1+1双子星布局。在特殊场景下，所有天线将高度集成为1副4G/5G共用天线，形成5G时代极简天面架构的ALL-IN-ONE布局。按照图2所示的5G分场景网络配置方案，宏站网络分场景部署的最佳性价比解决方案为：在密集城区的超高容量和流量场景，选用Sub 6 GHz 64TR Massive MIMO天線;在城区高容量广覆盖场景，选用Sub 6 GHz 16TR Massive MIMO天线;在郊区和农村中低容量场景，选用8TR/4TR高阶MIMO天线以及4G多系统共用的有源或无源天线。

2   5G时代高容量场景天线解决方案

2.1  5G Massive MIMO天线关键技术

在无线通信系统中，MIMO技术将2G、3G时代的频分（FDMA）、时分（TDMA）、码分（CDMA）多址技术扩展到了空分（SDAM），基于空间角度来分隔信道，极大地提高了数据传输速率和传输可靠性。Massive MIMO是MIMO技术的再扩展，在基站侧使用更多数量的天线阵列形成多发多收的系统，使5G天线系统具有了更强的定向能力和波束赋形能力，增强了基站在空域维度同时接收和发送多路不同信号的能力，从而大大提高了频谱利用率、数据传输速率以及通信的稳定性和可靠性，满足5G网络对于超高数据流量和超大规模连接的可靠性要求。

Massive MIMO作为5G的关键技术之一，其关键技术在于MU-MIMO技术和3D-MIMO技术。MU-MIMO即多用户MIMO，网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用Massive MIMO提供的空分通道与基站同时进行通信，在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。3D-MIMO技术是基于多阵列的波束赋形，可以赋形不同指向的不同增益的窄波束，这些窄波束可以根据需要在垂直和水平方向进行扫描，具备三维立体的覆盖能力。同时，还可以根据业务调度的需要匹配相应的波束，实现对小区内不同终端的灵活跟踪，且具备超强的抗干扰能力。在图3中，一方面3D-MIMO波束具有更高的增益、更窄的波束宽度，并根据实际的需求指向任意的垂直和水平方向;另一方面，多个这样的3D-MIMO波束可以同时存在并形成MU-MIMO波束，完成全空域覆盖。

2.2  Massive MIMO天线产品形态

Massive MIMO天线对于满足5G容量需求有重要作用。在5G初期，业内普遍认为MIMO级数越高对5G网络覆盖更具优势，64TR/32TR被看作是5G Massive MIMO天线的标准配置。但随着5G试验网的开展以及5G产业链各项技术的不断发展，发现5G基站系统通道数的增加并未提升单用户的感知，其作用主要是增加多用户的接入容量，但同时也增加了建网投资成本。综合考虑网络容量和覆盖需求，并非所有场景都需要配备高阶通道数的5G基站系统，因为随着基站系统通道数的增加，设备的造价、耗能及站点改造成本会大幅度上升。因此，5G Massive MIMO天线形态不但有64TR/32TR，还应有16TR和8TR，这样才能满足5G多样化的覆盖场景需求。

2.3  不同覆盖场景下天线选型建议

5G覆盖场景分为广域覆盖和连续覆盖、深度覆盖和容量覆盖。广域覆盖和连续覆盖需要满足用户的移动性和覆盖的连续性，对天线的增益和波束宽度要求较高;深度覆盖主要解决室内及室外场景出现的弱覆盖或覆盖盲区，对天线的增益和波束都有一定的要求;容量覆盖主要是提升热点区域的覆盖容量，一般采用MU-MIMO技术来提升系统容量。

（1）广域覆盖和连续覆盖场景

广域覆盖和连续覆盖是移动通信网络覆盖的最基本要求，需要同时兼顾用户的移动性和业务服务的连续性。对于城区和发达省份的城郊结合区域，人流量密集、住宅小区、机关、企事业单位等较多，日常数据流量开销较大，但负荷量不高，业务调度的频次也不高。实际覆盖时不需要在垂直方向进行波束的数字扫描，常规的波束电下倾调整就可以满足网络的覆盖要求。建议选用16TR天线，在满足广域覆盖和连续覆盖的基础上，还能兼顾一定的容量覆盖，性价比最高。

针对农村、郊区等区域，用户相对较少，相应的数据流量需求也较低，只需满足5G网络的最基本需求即可。建议直接选用8TR天线，天线体积、重量与4G天线相当，且不需要对杆塔进行升级。

（2）深度覆盖场景

在城区，部分上下行链路存在遮挡以及基站穿透能力有限，室内或室外部分场景出现了弱覆盖或覆盖盲区。为实现连续覆盖，需要单独进行补盲，即为深度覆盖。目前，深度覆盖的主要解决方案是室外覆盖室内，该方案一方面要求天线的增益比较高，另一方面对波束宽度也有特定要求，建议选用小于16TR的特定波束天线进行覆盖，以解决城区深度覆盖不足的问题。

（3）容量覆盖场景

主要面向热点区域进行容量提升，以满足用户对数据速率、数据流量的高需求，特别是中心商用街区、人流量密集的广场及重要交通枢纽区等区域，建议选用64TR/32TR天线、多波束天线、混合波束天线及龙伯透镜天线，利用MU-MIMO技术解决多用户同时进行通信，提高整个小区的吞吐量和容量。

（4）其它场景

对于环境和谐度要求高或由于业主的电磁敏感而无法安装常规基站天线的场景，建议选用小型化、具有隐蔽外观的5G美化天线进行覆盖;对于城区天面资源有限，无法新增抱杆安装5G天线的场景，建议选用4G/5G多系统共用天线或其它微站覆盖方案。

3   5G时代基础承载网络天线

在5G时代，为满足多网并存和多制式融合条件下高性能网络覆盖需求，用于基础承载网络覆盖的4G天线将具有混合制式和超多端口多系统共用两大产品系列。混合制式天线主要指能满足TDD和FDD系统使用的基站天线，适用于TDD/FDD混合组网的应用场景，典型产品是中国移动FDD/TDD混合制式天线。超多端口多系统天线通常指满足5个频段、端口数多于10个的基站天线，能满足多网络共天线的应用需求，典型产品是支持800 MHz、900 MHz、1 800 MHz、2 100 MHz和2 600 MHz的10端口天线。为更好地满足应用需求，两大系列天线的每个频段都将向高阶MIMO演进（或具备高阶MIMO功能）。

5G时代多系统共天线的应用需求对天线设计提出了新的挑战，空间重叠复用技术、超薄馈网技术、电机复用嵌入式控制技术已成为5G时代高性价比天线的技术基础。

（1）一体化融合组阵及多维度复用技术

通过在天线产品中融合应用多维度的复用技术可使混合制式天线、多系统共用天线两大系列的天线产品体积大幅度减小，有助于实现天线小型化、集成化，缓解站址资源紧张、天线视觉冲击大的困境。可使用的复用技术包括在阵列空间中对辐射单元进行优化布局的复用技术、在单元空间中对不同频段辐射单元进行嵌套组合的复用技术及使用内置合路器实现多频段共用同一辐射单元的复用技术。

（2）一体化移相器及超薄馈网技术

通过将移相器、功分器、滤波器三项功能集成于单一腔体，将内导体以外的所有金属组件集成为单一金属体，通过异构介质的运动改变相位，可实现高性能高可靠性的移相、功分一体化馈电网络，并显著减小部件厚度。该技术可为天线小型化、集成化和产品性能指标提升创造条件，有助于提升天线的技术指标，改善网络覆盖性能。

（3）电机复用及嵌入式控制技术

多频段天线中电机数量增多不仅占用天线内部空间，制约天线小型化的实现，而且也将带来成本和可靠性问题。电机复用及嵌入式控制技术将具有突出的现实意义。極限情况下，该类技术可仅用1个电机完成多个天线波束指向调整的嵌入式控制技术，且能实现多路移相器的正向切换、反向驱动功能，该类技术可进一步为天线小型化、集成化和产品性能指标提升创造条件。

图4是移动通信天线行业最近十年来上述三项关键技术历年专利申请数量的统计结果（数据来源：incoPat），从中可以看出，随着通信系统的发展，上述关键技术已成为基站天线厂家的关注焦点。

4   结束语

本文依据通信系统的应用需求和天线技术特征，阐述了5G时代基站天线的产品形态和关键技术。就5G天线而言，16TR天线将是未来城市覆盖的主流配置，8TR将是郊区和农村覆盖的主流配置，64TR和32TR将是密集城区超高容量场景的增强配置。就4G/5G融合的多频段、多系统共用天线而言，空间重叠复用技术、超薄馈网技术、电机复用嵌入式控制技术将成为5G时代高性价天线的技术基础。

参考文献：

[1] Ericsson. Ericsson Mobility Report[EB/OL]. [2019-03-15]. https：//www.ericsson.com/mobility-report.

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[3] 卜斌龙. 5G时代移动通信天线产业的机遇和挑战[J]. 电信技术， 2019（1）： 101-104.

[4] 孙善球，刘旭，孙全有. 天线产业为5G无线网提供的高性价比解决方案[J]. 电信技术， 2019（1）： 72-74.

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