從4G和5G的發(fā)展出發(fā) 看未來天線技術(shù)的發(fā)展路線

本文從4G 和5G 的發(fā)展出發(fā)，從天線的可感知、大規(guī)模陣列天線、在網(wǎng)天線監(jiān)控的技術(shù)發(fā)展、寬帶小型化可電調(diào)天線和美化天線的技術(shù)前瞻等方面，闡述了未來天線技術(shù)的發(fā)展路線，為中國移動(dòng)天線發(fā)展提供可靠依據(jù)。

1、引言

近年來， 我國移動(dòng)通信取得了前所未有的非凡成就，建成了全球最大的4G 網(wǎng)絡(luò)，5G 網(wǎng)絡(luò)蓄勢(shì)待發(fā)。到2016 年年底，全國4G 基站將達(dá)到近300 萬個(gè)，其中中國移動(dòng)150 萬個(gè)，中國電信80 萬個(gè)，中國聯(lián)通70 萬個(gè)。

在萬物互聯(lián)的5G 時(shí)代，智慧城市、無人駕駛、無人工廠、遠(yuǎn)程手術(shù)--5G 暢想曲越發(fā)清晰。5G 網(wǎng)絡(luò)的藍(lán)圖是100 倍于4G 的高速率，將達(dá)到10 Gbit/s、小于1 ms 的低時(shí)延、支持1 000 多億連接的高密度和1 000 倍于4G 的高容量。一方面要求massive MIMO（大規(guī)模陣列天線技術(shù)）天線和一體化有源天線等天線系統(tǒng)服務(wù)于宏基站，另一方面無處不在的微基站要求天線和基站設(shè)備高度融合。

隨著移動(dòng)通信從2G、3G、4G 到5G 的不斷發(fā)展，移動(dòng)通信天線也經(jīng)歷了從單極化天線、雙極化天線到智能天線、MIMO 天線乃至大規(guī)模陣列天線的發(fā)展歷程。天線作為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的感知器官在網(wǎng)絡(luò)中的地位越來越復(fù)雜，并且作用也越來越重要。

2、天線的可感知是移動(dòng)通信天線的一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)

基站天線的工參準(zhǔn)確性對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維和優(yōu)化具有重要的意義，當(dāng)前的研究主要集中在這3 個(gè)方面：利用電調(diào)天線的AISG 線進(jìn)行供電和回傳，適用于新建電調(diào)天線站；采用太陽能或其他方式供電，采用無線回傳，適用于存量站和非電調(diào)天線基站；采用人工上站用姿態(tài)儀采集數(shù)據(jù)。

2.1 利用電調(diào)天線的AISG 線進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)回傳

目前基站智能工參研究主要集中于可感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)天線方位角、機(jī)械下傾角、海拔高度、經(jīng)緯度等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄。其中，海拔高度、經(jīng)緯度可采用北斗或GPS的方式測(cè)量，海拔高度的測(cè)量精度一般是5～10 m，經(jīng)緯度的測(cè)量精度一般是5 m。機(jī)械下傾角可采用重力加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度約0.5°，且測(cè)量速度快，可用于監(jiān)測(cè)天線姿態(tài)。天線方位角的測(cè)量比較復(fù)雜，幾種可能的實(shí)現(xiàn)方式具體如下。

（1）雙GPS 方案

可進(jìn)行絕對(duì)方位角的高精度測(cè)量，測(cè)量時(shí)間約2 min，實(shí)時(shí)性尚可。但當(dāng)兩個(gè)GPS 接收機(jī)之間的距離縮小時(shí)，測(cè)量誤差快速增大， 比如當(dāng)雙GPS 設(shè)備長度小于200 mm時(shí)，測(cè)量誤差大于5°，雖然可通過多次測(cè)量來提高精度，但實(shí)時(shí)性明顯變差。如果在射線方向存在遮擋，其測(cè)量精度會(huì)大大降低。此外，該方案的設(shè)備成本較高。

（2）和差波束方案

也可進(jìn)行絕對(duì)方位角的較高精度測(cè)量，設(shè)備成本比雙GPS 低。缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間過長，實(shí)時(shí)性不滿足要求。如果要求設(shè)備小型化，差波束的斜率明顯下降。同樣，射線方向存在遮擋時(shí)測(cè)量精度同樣降低。

（3）電子羅盤方案

因受工程現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜磁環(huán)境的影響不能測(cè)量絕對(duì)方位角，但相對(duì)方位角的測(cè)量精度很高，約10 s 的測(cè)量時(shí)間，在3 種方案中耗時(shí)最短、實(shí)時(shí)性最好；設(shè)備可以做到不超過雙頻天線的截面積， 滿足一體化設(shè)計(jì)的小型化要求；成本也比較低。其缺點(diǎn)有兩點(diǎn)，第一不能測(cè)量絕對(duì)方位角；第二，抗近距離磁環(huán)境的干擾能力差，在其設(shè)備100 mm 范圍內(nèi)不能有磁性物質(zhì)。這種方案不建議采用。

上述3 種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)階段成本上比較能夠接收的方案是通過雙GPS 方案進(jìn)行一次絕對(duì)方位角測(cè)量，用來對(duì)電子羅盤測(cè)量的方位角進(jìn)行校準(zhǔn)，可以到達(dá)事半功倍的效果。所以，采用電子羅盤和重力加速度計(jì)作為可感知技術(shù)的基本方案與天線一體化設(shè)計(jì)，再配合雙GPS 工具做一次性校準(zhǔn)的組合方案性價(jià)比最高。方案的實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1、可感知天線技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)

該方案通過雙GPS 工具測(cè)量絕對(duì)方位角，對(duì)海拔高度、經(jīng)緯度進(jìn)行工程測(cè)量和記錄；通過電子羅盤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天線相對(duì)方位角，利用雙GPS 工具測(cè)量的絕對(duì)值校準(zhǔn)后可得到實(shí)時(shí)的絕對(duì)方位角；通過重力加速度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天線的機(jī)械下傾角，從而完成了天線工程參數(shù)自感知的任務(wù)。

以上方案的都有共同的缺點(diǎn)就是工參模塊的供電和數(shù)據(jù)的回傳依靠電調(diào)天線的AISG 線， 對(duì)于中國移動(dòng)大量的存量非電調(diào)天線基站無法應(yīng)用。

2.2 非電調(diào)天線基站的無線回傳方式

對(duì)于存量站和非電調(diào)天線基站的應(yīng)用場(chǎng)景，中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院通過采集模塊利用ZigBee （紫蜂協(xié)議）技術(shù)進(jìn)行短距離無線通信，將采集數(shù)據(jù)傳輸至傳輸模塊。通信基站附近有著復(fù)雜的電磁環(huán)境， 為了保證數(shù)據(jù)的可靠、安全傳輸，采集模塊使用了自主研發(fā)的抗干擾、頻點(diǎn)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行通信，同時(shí)通信使用AES 加密算法，能夠有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

采集模塊利用太陽能為自身供電，太陽能本身會(huì)受多方面因素影響，如天氣、太陽能面板朝向、建筑物遮擋、安裝位置等，進(jìn)而使得不同設(shè)備、不同時(shí)間獲得的太陽能波動(dòng)很大，對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)采集及電池安全有較大的影響。采集模塊擁有自行設(shè)計(jì)的智能電源管理算法，能夠根據(jù)太陽能獲取情況智能的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、電池充電，能夠有效地保障設(shè)備的工作情況，霧霾天、雨雪天都能正常工作，提高電池效率，延長設(shè)備壽命。

3、大規(guī)模陣列天線是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一

5G 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可歸為連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠4 個(gè)主要技術(shù)場(chǎng)景。

連續(xù)廣域覆蓋和熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景主要滿足2020 年及未來的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求， 也是傳統(tǒng)4G 主要的技術(shù)場(chǎng)景。低功耗大連接和低時(shí)延高可靠場(chǎng)景主要面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，是5G 新拓展的場(chǎng)景，重點(diǎn)解決傳統(tǒng)移動(dòng)通信無法很好地支持物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用的情況。

3.1 大規(guī)模陣列天線仿真分析平臺(tái)

由于massive MIMO 天線的有源特性， 很難進(jìn)行天線性能的測(cè)試。為此，中國移動(dòng)設(shè)計(jì)院開發(fā)了大規(guī)模陣列天線綜合仿真分析平臺(tái)用于評(píng)估各個(gè)設(shè)備商的5G 天線性能，如圖2 所示。

圖2、大規(guī)模陣列天線綜合仿真分析平臺(tái)

3.2 大陣列天線的PIM 研究

無源互調(diào)（passive intermodulation，PIM）即指當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)頻率信號(hào)經(jīng)過天線時(shí)，由于天線的非線性而引起的與原信號(hào)頻率有和差關(guān)系的射頻信號(hào)。

對(duì)于多頻多端口天線，由于互耦效應(yīng)，可能使得相鄰?fù)ǖ赖纳漕l信號(hào)耦合到被測(cè)通道內(nèi)， 從而引入f3信號(hào)，這樣與f1和f2信號(hào)產(chǎn)生更為復(fù)雜的互調(diào)信號(hào)，現(xiàn)有方法不能體現(xiàn)這種影響。盡管由于隔離度的保證，f3信號(hào)可能較f1和f2信號(hào)微弱， 但其互調(diào)產(chǎn)物的電平究竟處于什么量級(jí)，尚無結(jié)論。

特別是進(jìn)入4.5G 和5G 時(shí)代以后，大規(guī)模陣列天線的應(yīng)用，端口間的PIM 性能將是影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的一個(gè)重要因素。在2016 年的IEEE 年會(huì)上，中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院代表提出了中國移動(dòng)的PIM 標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)申請(qǐng)，得到了與會(huì)人員的一致贊同，并建立了PIM 標(biāo)準(zhǔn)工作組，主要對(duì)PIM 的測(cè)量環(huán)境以及傳輸PIM 進(jìn)行研究。因此，有必要對(duì)陣列天線的PIM 做進(jìn)一步研究。

因此，非常有必要圍繞面向LTE-Advanced（長期演進(jìn)技術(shù)升級(jí)版）后續(xù)演進(jìn)，推進(jìn)5G 大規(guī)模陣列天線的技術(shù)基礎(chǔ)性研究、應(yīng)用研究、標(biāo)準(zhǔn)化及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在測(cè)量和建立大規(guī)模陣列天線信道模型、建立和完善技術(shù)評(píng)估與仿真平臺(tái)、設(shè)計(jì)新型的5G 天線、進(jìn)一步開發(fā)其3D 覆蓋能力、形成系統(tǒng)完整的3D-MIMO 解決方案等多個(gè)方面展開工作。

4、在網(wǎng)天線的監(jiān)控和故障診斷具有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的生命線地位

天饋系統(tǒng)作為無源設(shè)備很難進(jìn)行監(jiān)控。基站天饋系統(tǒng)狀態(tài)直接影響通話質(zhì)量、信號(hào)覆蓋和基站設(shè)備運(yùn)行。對(duì)于天饋系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量缺乏有效的監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)問題的手段，主要依據(jù)客戶投訴、性能指標(biāo)等逐級(jí)排查發(fā)現(xiàn)問題。事實(shí)上，除了天線自身電氣和輻射參數(shù)對(duì)質(zhì)量的影響外，由于工程維護(hù)以及外部干擾等原因， 也會(huì)體現(xiàn)到網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量上。天線參數(shù)影響因素與網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)聯(lián)如圖3 所示。

圖3、天線參數(shù)影響因素與網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)聯(lián)

電路特性與輻射特性是基站天線的重要表征指標(biāo),例如增益、波瓣寬度、前后比、駐波比、隔離度、三階互調(diào)等。隨著天線使用年限的增加以及間斷性的高功率輸入，則會(huì)使射頻路徑溫度急速升高，加速其材質(zhì)老化、導(dǎo)致其輻射特性衰減而影響整個(gè)基站系統(tǒng)。天饋產(chǎn)品質(zhì)量問題受到集團(tuán)公司和各省公司的重視，但是目前天饋系統(tǒng)并沒有納入中國移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)管理中， 天饋設(shè)備一旦安裝到基站現(xiàn)場(chǎng)，很難實(shí)現(xiàn)主動(dòng)監(jiān)控。

在2G/3G/4G 的系統(tǒng)中，如何通過現(xiàn)網(wǎng)的已有參數(shù)（例如MR、話統(tǒng)指標(biāo)和掃頻數(shù)據(jù)等） 來對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的天饋系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和診斷，是亟待解決的問題。

隨著3D-MIMO 和5G 大規(guī)模陣列天線的應(yīng)用，天饋系統(tǒng)的在網(wǎng)監(jiān)控相對(duì)變得容易，但其監(jiān)控也沒有完全做到振子級(jí)，天線的輻射性能以及干擾問題還需要通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，如何通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)天饋系統(tǒng)的檢測(cè)與監(jiān)控也是未來幾年內(nèi)需要研究的問題。

5、小型化寬頻帶多系統(tǒng)共用電調(diào)天線將成為4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要方向

進(jìn)入4G 及4G+時(shí)代， 全球多數(shù)運(yùn)營商同時(shí)運(yùn)營多個(gè)制式、多個(gè)頻段的網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致基站的天面資源更加緊張，在一些高話務(wù)量區(qū)域已經(jīng)“天線林立”，新增抱桿困難，再加上民眾對(duì)“電磁輻射”的恐慌，選址難、建站難、新增天線更難已成為4G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨的最大挑戰(zhàn)。另一方面，在一些共用鐵塔或桿塔的站點(diǎn)，天線數(shù)量成倍增加，帶來了天饋施工難度增加，系統(tǒng)的可靠性能降低。這些都標(biāo)志著小型化寬頻帶多系統(tǒng)共用電調(diào)天線成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的迫切需求。

為滿足不同制式通信系統(tǒng)的混合組網(wǎng)需求， 相關(guān)小型化寬頻帶多系統(tǒng)共用電調(diào)天線產(chǎn)品需涵蓋到4 端口、6 端口、8 端口、10 端口、12 端口以及外置RCU 等全系列產(chǎn)品。

因此，小型化與寬頻帶化多系統(tǒng)共用電調(diào)天線可為不同制式通信系統(tǒng)提供簡(jiǎn)便、高度集成的基站天饋系統(tǒng)解決方案。

6、美化天線應(yīng)用場(chǎng)景及發(fā)展方向

隨著LTE 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，基站選址日益困難，為解決基站天線安裝困難，基站天線美化成為一個(gè)比較理想的解決方案。美化天線的種類主要有兩種加罩美化天線和一體化美化天線。加罩美化天線是指在常規(guī)天線外增加外罩的方式進(jìn)行美化，相當(dāng)于在天線振子外包圍了兩層外罩;一體化美化天線是指天線振子與天線美化外罩一體化設(shè)計(jì)，省略二次加罩。

一體化美化天線將天線外罩設(shè)計(jì)成不同形狀不同顏色的美化外罩， 并與天線輻射單元進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而在保證整體天線輻射及電路性能的前提下，無需額外加裝美化外罩即可達(dá)到與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一的天線。其特點(diǎn)是美化外罩與輻射單元采用一體化整體設(shè)計(jì)制造，而非常規(guī)基站天線與美化外罩的簡(jiǎn)單組合。中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院在2010 年起就開展了“一體化美化天線研究與試驗(yàn)”的集團(tuán)重點(diǎn)課題，2014 年承擔(dān)了集團(tuán)督辦項(xiàng)目“美化天線產(chǎn)品研發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)編制”，2015 年承擔(dān)了采購共享中心的潛在集采天線類型的摸底測(cè)試。經(jīng)過大量的仿真和測(cè)試，得出如下結(jié)論。

·一體化天線對(duì)天線性能的影響程度明顯低于加罩美化的影響，一體化美化天線與普通天線性能基本相當(dāng)，可滿足網(wǎng)絡(luò)性能的要求。

·在條件許可的場(chǎng)景下，建議優(yōu)先選用一體化美化天線，并嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和中國移動(dòng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采購、施工。

·加罩美化天線相比普通天線在增益、前后比、波束寬度、交叉極化比等指標(biāo)均有不同程度的下降，尤其是在高頻段、大下傾情況下，性能下降更加嚴(yán)重，建議盡量減少使用加罩美化天線。

·在實(shí)際的施工中， 如不得不采用加罩美化天線，建議采用“交鑰匙”的方式實(shí)現(xiàn)。以避免在傳統(tǒng)天線美化過程中，基站、天線、美化外罩分屬不同廠商，從而造成天線性能不可控的不利局面。同時(shí)，需嚴(yán)格規(guī)范美化天線罩安裝的準(zhǔn)確性與合理性。

7、結(jié)束語

可見，未來移動(dòng)通信天線將向有源化、小型化、陣列化和可感知等方向發(fā)展，國內(nèi)多數(shù)天線廠商只著眼于當(dāng)前的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)達(dá)成，對(duì)新技術(shù)新產(chǎn)品的布局和開發(fā)重視程度不夠，研發(fā)資源投入少，導(dǎo)致中國天線在新技術(shù)新產(chǎn)品方面落后國外廠商，缺少技術(shù)話語權(quán)，制約了中國天線產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。作為運(yùn)營商可以在引導(dǎo)天線技術(shù)創(chuàng)新和全球?qū)＠季址较虬l(fā)揮作用，為天線產(chǎn)業(yè)從產(chǎn)業(yè)大國邁向產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國貢獻(xiàn)力量。