宽频带移动通信基站天线的应用研究

叶桦

摘  要：基站作为移动通信系统中有线与无线的结合体，扮演着至关重要的角色，既接收来自移动台（MS）的信号，又响应信号然后发射给移动台。天线作为基站系统的重要组成部分，天线性能的好坏直接影响着基站的可靠性。面对越来越多的通信用户、复杂的通信环境以及多变的地形，通过优化基站天线可以成倍的提高基站系统的数据传输效率。

关键词：基站天线;蜂窝网结构;多波束天线;宽频带

引言

基站天线作为实现移动通信网络覆盖的核心设备之一，是移动通信系统的重要组成部分，已经伴随移动通信产业的进步实现快速发展。发达国家需继续增加通信网络的扩容，新兴市场国家正处于大规模移动通信网络建网阶段，这都为移动通信设备行业的发展提供了广阔的市场空间，保障基站天线产业市场需求的持续增长。随着移动宽带业务的快速发展，视频、VR、物联网等各种应用层出不穷，用户流量需求增长迅猛，全球基站天线产业空间稳中有增。

一、目基站天线发展趋势

（一）容量

不同用户、不同地区对容量有不同需求，2020年的目标网将拥有满足语音等需求的低频覆盖层、满足视频等需求的中低频容量层以及满足未来5G网络应用的热点容量层。基站天线将面临更多的频段以及每个频段需要更多通道的挑战，对此未来全制式4T4R/8T8R天线将成为标配，同时天线需要集成更多阵列。

更多的频段、更多的通道将面临天面资源有限的困境，那么如何解决这一问题？从容量上来着，增加通道进行扩容不及提升每个扇区的容量有优势。单天线多波束（又称劈裂天线）混合组网，可以快速提升网络容量，通常，劈裂天线可将容量提升2.2倍。

（二）站点

全球191个运营商拥有TDD网络，其中114张网络为商用网络，83张网络的带宽大于40Mbit/s。全球TDD商用网络逐步增多，TDD新频段部署时，需要在天面空间有限的情况下兼顾FDD频段，FDD司职覆盖，TDD主攻容量，充分利用各个制式的优势，通过TDD 8T8R快速大幅地提升网络容量，FDD/TDD融合组网势在必行。

解决网络容量问题的宏站部署越来越困难，因此杆站形态越来越重要。ABI分析指出，到2021年，超过45%的站点会是杆站，对基站天线行业来讲，未来在杆站领域的創新需求将越来越重要。

二、移动通信技术及其对基站天线的基本要求

相对于传统固定通信方式，移动通信具有不同的特点。移动通信可以满足人们随时随地进行通信的需求，它依赖电磁波传输信号。电磁波在空间传输时易受建筑物等物体的遮挡导致信号的衰落;电磁波在基站天线和用户终端间传输时，存在着多个不同的传输路径，会存在多径效应;当移动用户处于高速运动（如搭乘高铁）当中时，还会产生多普勒频移效应。

和其它自然资源一样，电磁波频谱资源也是有限的，被划分为无线通信专用的电磁波频段十分有限。而移动用户的数量不断增加，每一个移动通信用户都需要占据一定的频带宽度，如何用有限的频谱资源为更多的移动通信用户提供服务是一个棘手的问题。蜂窝网（即蜂窝状小区制）有效地解决了频率复用（C FDMA这一问题。同时蜂窝状的小区分布形式，可以使用最少的通信基站对一定区域内实现通信覆盖，正是因此从第一代移动通信开始到如今的第三、第四代移动通信，均是按照蜂窝网状结构建立通信基站以覆盖移动通信区域。蜂窝网结构具有以下主要特点：

1.蜂窝网结构的基本单元（cell）是正六边形的小区，移动通信基站位于每个小区的中央。用户从一个小区进入到另一个小区时，通信链接相应改变。

2.每个小区被六个相邻的正六边形小区环绕，这七个距离较近的小区中的任意两个所使用的通信频率不能相同，以避免同频干扰。而离得更远的两个小区，则可以使用同样的通信频段，从而实现了频率复用。

三、基站天线设计思想

宏蜂窝传播模型：主要用于实现大面积的无线信号覆盖，大部分都建在较高的铁塔或建筑物上。由于信号分布的非常稀疏，一般用在郊区和农村，室外宏蜂窝基站覆盖范围从几公里到十几公里不等，而市区的宏蜂窝基站覆盖范围仅为几百米到几公里。由于宏蜂窝基站因为覆盖范围大小的不同，相应的发射功率也从几瓦到几十瓦不等。

微蜂窝传播模型：微蜂窝型基站系统是移动通信网络无线子系统的一种实现方式，以基站或直放站作为辐射源，带有信号分布系统，通常为特定的建筑物内部及建筑物之间的有限区域提供无线移动通信信号，通常覆盖的范围在100m到1OOOm。

室内传播模型：在室内环境下，由于室内物体的多次反射、透射和绕射以及散射，发射信号是通过多条路径达到接收者，这就是众所周知的多径衰落，模型的建模比较复杂。

在郊区和农村的地方因为移动台较稀疏，通常采用宏蜂窝小区建站。在这些地方地形较平坦，不存在周围建筑物反射的影响，常常仅考虑地面的影响，可以考虑以下模型：假设基站的辐射区域是准平坦地形，仅有地面对天线辐射有影响，可以适当的加入山区地形（此时基站建在山顶上），这对应于宏基站传播模型，常为铁塔运营基站。辐射模型：无须考虑天线形态，大地等效为平面介质，天线的极化方式和高度，以及地面的介电参数是模型的变量，在此模型中测量某点的场强仅有天线的直射波和地面的反射波。

城市中人口密集，移动台数量大，通常采用微蜂窝建站。一般基站建在楼顶平台上，可以考虑以下2种模型：一种是基站处于楼顶且周围无高于基站天线的建筑，在低于基站的区域存在建筑物。另一种是通常在基站辐射区域内有与基站等高的建筑（可能存在比基站高的建筑物情况），并且周围的建筑物对电磁波具有反射，绕射的作用。辐射模型：建筑物等效为竖直长方体介质，大地等效为平面介质。一般建筑物可能引起面的反射和透射（衰减很大），以及边缘的绕射。

结语

本文首先对近年来移动通信技术的发展状况及移动通信技术对基站天线技术的基本要求，对不同场景应用移动基站的覆盖方案做了简要介绍，突出了本文研究内容的意义所在。

参考文献

[1]  包增娣.宽频带移动通信基站天线的设计与优化[D].电子科技大学，2014.

[2]  吴祖兵.宽频带移动通信基站天线的研究[D].电子科技大学，2011.

[3]  黄友火.移动基站天线及波束赋形天线研究[D].西安电子科技大学，2009.