面向5G的Massive MIMO天線技術(shù)究竟是“何方神圣”

???? ? 摘要：第五代移動(dòng)通信技術(shù)中有許多關(guān)鍵性的技術(shù)突破，其中Massive MIMO技術(shù)是5G通信中比較重要的技術(shù)。根據(jù)Massive MIMO技術(shù)的相關(guān)要求，5G移動(dòng)通信的天線應(yīng)具有高增益、小型化、寬頻段及高隔離度等技術(shù)特征，以滿足5G通信的高傳輸速率、波束智能賦形、波束能量聚集等功能。金智創(chuàng)新主要介紹了5G Massive MIMO天線的發(fā)展?fàn)顩r。

　　5G通信面向中高段頻段，解決了低頻段頻譜資源擁擠的問(wèn)題。但中高頻段通信面臨一系列的技術(shù)問(wèn)題，其中以現(xiàn)有的MIMO通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)所提出的Massive MIMO系統(tǒng)是其中關(guān)鍵的一項(xiàng)。基于陣列式的多入多出(Massive MIMO)技術(shù)使基站天線數(shù)量成倍增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了移動(dòng)終端使用的天線，從而大幅提高通信頻譜效率。

　　5G頻段資源劃分

　　頻譜資源是無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)的基礎(chǔ)。根據(jù)世界無(wú)線電通信大會(huì)(WRC)確定的候選頻段，5G頻譜的新增頻段主要分布在6GHz以下的中頻段和大于6GHz的高頻段兩個(gè)范圍內(nèi)，其中Sub-6G基礎(chǔ)設(shè)施將繼續(xù)利用2.5-2.7GHz的大量可用頻譜，同時(shí)增加3.3-5.9GHz的頻率;我國(guó)高頻頻譜主要分布在24.75-27.5GHz、37-42.5GHz范圍。

圖1 世界無(wú)線電通信大會(huì)(WRC)確定的5G候選頻段

　　在中頻段上，3.5GHz兼具良好的無(wú)線傳播性能和帶寬優(yōu)勢(shì)，被全球多個(gè)國(guó)家視為5G網(wǎng)絡(luò)的先鋒頻段，也就是最有可能率先商用的頻段。另一個(gè) 4.9GHz頻段亦非常優(yōu)秀，但該頻段在歐美韓都已被占用，只有中日啟動(dòng)測(cè)試，在中國(guó)可能會(huì)作為3.5G的補(bǔ)充手段實(shí)施。

　　關(guān)于大于6GHz的高頻毫米波，因掣肘于高頻射頻產(chǎn)業(yè)技術(shù)限制，不屬于率先部署范疇，但其充裕的頻譜資源是未來(lái)5G通信發(fā)展的重要方向。從技術(shù)的成熟度來(lái)看，在短期內(nèi)將率先看到Sub-6GHz無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施大范圍部署，以彌補(bǔ)現(xiàn)有4GLTE網(wǎng)絡(luò)與未來(lái)毫米波(mmW)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)施之間的帶寬差距。

　　Massive MIMO天線

　　Massive MIMO的要求是在有限的空間內(nèi)兼容大量隔離度好的多天線以保證波束賦形所需的增益和精準(zhǔn)度。在 2G到4G 的發(fā)展過(guò)程中，天線從全向的棒狀天線依次演化成定向單/雙極化天線、ESC單/雙極化天線、雙ESC雙極化天線到多頻雙極化天線等。4G 時(shí)代，通信網(wǎng)絡(luò)通常采用2/8/16通道天線，射頻器件與天線分離。在 5G 時(shí)代，頻率增加波長(zhǎng)減小，并且接收信號(hào)的減弱迫使天線元件的數(shù)量增加。Sub-6G和毫米波兩種方案在基站端均要求采用Massive MIMO技術(shù)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)容量和信號(hào)質(zhì)量，高頻段的天線數(shù)量也達(dá)到了64/128/256通道，目前普遍在測(cè)試階段的是128天線陣列64T64R計(jì)劃。

圖1 傳統(tǒng)基站天線與Massive MIMO天線電氣化性能

(數(shù)據(jù)來(lái)源：金智創(chuàng)新行研中心整理)

　　為了解決基站臃腫的問(wèn)題，天線有源化、小型化和一體化是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，RRU與天線結(jié)合成AAU不僅簡(jiǎn)化了設(shè)備還大幅降低了功耗。目前國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的是華為科技的安裝天罡芯片的5G基站系統(tǒng)，此芯片可控制業(yè)界最高64路通道，支持200M運(yùn)營(yíng)商頻譜帶寬;同時(shí)該芯片使基站尺寸縮小超50%，重量減輕23%，功耗節(jié)省達(dá)21%，安裝時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)的4G基站節(jié)省一半時(shí)間，有效解決了基站選址難、成本高等問(wèn)題。目前，中國(guó)移動(dòng)已于華為合作開(kāi)展4.9GHz頻段試用，基站采用華為最新64T64R的AAU5913，頻率帶寬高達(dá)100MHz，可兼容4G/5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)測(cè)速率2.8Gbps。

表1 各設(shè)備廠商64T64R AAU電氣參數(shù)

(數(shù)據(jù)來(lái)源：金智創(chuàng)新行研中心整理)

　　國(guó)內(nèi)基站天線寡頭壟斷，小基站成突破方向

　　基站天線行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，但具有一定研發(fā)實(shí)力、較大產(chǎn)能規(guī)模、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的與業(yè)廠家較少。目前國(guó)內(nèi)基站天線設(shè)備商主要包括華為、京信通信、通宇通訊、摩比發(fā)展、盛路通信等少數(shù)幾家企業(yè)，競(jìng)爭(zhēng)格局明晰，華為一家獨(dú)大，京信較為領(lǐng)先，通宇、摩比緊隨其后。其中華為從2014年的14%的市占率一舉擴(kuò)大到32%，主要得益于其通信設(shè)備業(yè)務(wù)拓展至全球，帶動(dòng)了天線業(yè)務(wù)快速擴(kuò)張。

圖2 2017全球基站天線競(jìng)爭(zhēng)格局

(數(shù)據(jù)來(lái)源：中信證券投資顧問(wèn)部)

　　在5G時(shí)代，有源天線已經(jīng)成為主流。天線制造商需要更多地與設(shè)備商集成生產(chǎn)有源天線，造成其對(duì)設(shè)備商的依賴(lài)加強(qiáng)。這種變化一方面削弱了天線制造商的話語(yǔ)權(quán)和盈利能力，另一方面也意味著需要獲得設(shè)備商的認(rèn)同才能進(jìn)入供應(yīng)系統(tǒng)，市場(chǎng)門(mén)檻變高。因此，天線生產(chǎn)商未來(lái)市場(chǎng)份額的變化主要由不同天線廠商所服務(wù)的設(shè)備商的份額變化來(lái)決定，這也正是通信設(shè)備商華為崛起的原因，而京信通信則丟失了其之前的市場(chǎng)份額，其他兩家企業(yè)也面臨同樣的問(wèn)題。

　　5G通信要部署大量的小基站，4G 時(shí)代小基站市場(chǎng)并沒(méi)爆發(fā)，主設(shè)備商也沒(méi)有大力進(jìn)入，但5G時(shí)代小基站有著廣闊的發(fā)展前景。2015 年中國(guó)移動(dòng)曾對(duì)小基站進(jìn)行過(guò)一次集采，華為并沒(méi)有入選，中興通訊份額也不高，而原來(lái)從事WLAN、室內(nèi)分布的中小設(shè)備廠商排名很靠前，如京信通信、邦訊 技術(shù)(博威)、三元達(dá)等。以京信通信為例，小基站已在全國(guó) 21 省市商用，這些商用大多通過(guò)省級(jí)運(yùn)營(yíng)商散采獲得，而京信通信通過(guò)遍布全國(guó)的辦事處以及前期做室分業(yè)務(wù)的積累，獲取了豐富的站址資源，因此獲得了絕大多數(shù)省份市場(chǎng) 50% 的份額，遙遙領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，儼然成為小基站領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊企業(yè)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　隨著Massive MIMO技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)Massive MIMO技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用，天線小型化有利于陣列天線的安裝部署。頻段升高，基站數(shù)量增加也必將加強(qiáng)有源一體化天線的普及趨勢(shì)，一體化基站子系統(tǒng)將會(huì)被廣泛地應(yīng)用。