新型天線節(jié)能減排探討

1 引言

隨著技術(shù)發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商不斷推出一些新型的技術(shù)，如分布式基站、節(jié)能軟件（時隙/載頻智能關(guān)斷）、各種覆蓋增強型技術(shù)、共建共享等。這些節(jié)能減排技術(shù)在工程中靈活應(yīng)用，可以大大節(jié)約建設(shè)成本，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。在天饋層面如何結(jié)合這些新型技術(shù)實現(xiàn)更大程度上節(jié)能減排，對移動通信的發(fā)展具有重要意義。

2  基站天線的小型化實現(xiàn)節(jié)能減排

小型化基站具有體積小、功耗低等特點，有利于站址選取，便于天線的運輸和安裝，可有效降低移動通信系統(tǒng)的建網(wǎng)與運維成本。

2.1  天線小型化技術(shù)

由電磁波輻射原理可知，天線輻射單元的尺寸大小和工作頻段對應(yīng)的波長相比擬。受技術(shù)發(fā)展和工藝水平的限制，現(xiàn)網(wǎng)中應(yīng)用的移動通信基站天線尺寸都較大。以GSM  900 MHz頻段的天線舉例，65°17dBi的天線長度達到2.1 m，90°17dBi天線長度甚至達到2.6 m。天線尺寸過大不僅需要占用較多的天面資源，還會引起居民對電磁輻射的恐慌和抗拒，造成選址和建站困難，新站點的建設(shè)成本明顯提高。

為了解決目前移動通信系統(tǒng)因天線尺寸較大造成的各種難題，基站天線應(yīng)突破半波振子的尺寸限制，采用新技術(shù)實現(xiàn)更小尺寸的輻射單元，并確保天線整體性能的優(yōu)越性。天線的增益與其工作頻率、有效輻射面積、輻射效率有關(guān)，詳見公式（1）。有效輻射面積越大，天線增益越高。因此，如果能提高天線的有效輻射面積，即使減小天線輻射單元物理面積也能獲得增益提升。

目前出現(xiàn)的口徑耦合多層貼片天線等新型輻射單元可以大幅度提高天線有效輻射面積，在輻射單元物理尺寸減小的情況下也能保證輻射單元具有較高的增益。新型輻射單元在移動通信天線中的應(yīng)用可以實現(xiàn)天線的小型化。

2.2  小型化天線實現(xiàn)的節(jié)能減排效果分析

為了應(yīng)對資源日趨緊張的挑戰(zhàn)，目前的基站形態(tài)大多采用分布式基站。分布式基站采用射頻拉遠技術(shù)，將傳統(tǒng)的宏基站設(shè)備分為基帶單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU），采用光纖進行連接，一方面可以降低饋線損耗，增強上下行覆蓋，另一方面可以減少饋線采購的成本。受限于天線的尺寸，分布式基站在選址和能源消耗方面依然有較大的改善空間。

天線實現(xiàn)小型化后，分布式基站可以適應(yīng)多種安裝場景，天線的安裝降低對天面資源的要求，可有效解決站址獲取難題；天線設(shè)備體積變小，重量降低，便于運輸和安裝，加快了工程進度；小型化天線整機功耗可以大幅度降低，配套電源和蓄電池成本也將會大大減少；天線尺寸的減小，使得偽裝天線的應(yīng)用成為可能，這將在更大程度上降低基站選址難度和成本。

因此，根據(jù)目前基站數(shù)量的建站成本估計，天線的小型化將帶來30%建網(wǎng)成本的降低，20%運維成本的降低，以及20%網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)閑置率的降低。

3 天線多制式應(yīng)用實現(xiàn)節(jié)能減排

多制式天線能夠同時支持多種通信系統(tǒng)的無線信號傳輸，可有效減少天線數(shù)量，降低硬件成本與能耗，有利于實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡(luò)的共建共享。

3.1  多制式天線技術(shù)

目前在現(xiàn)網(wǎng)中所應(yīng)用的大部分基站天線工作在單制式模式，也就是一副天線的工作頻段只覆蓋一個制式，僅少數(shù)天線能覆蓋頻段相近的兩個制式。這樣在一個扇區(qū)內(nèi)，每一個制式的都至少需要3面天線?，F(xiàn)在國內(nèi)3家運營商共有3種制式的移動通信系統(tǒng)在運營，分布在5個頻段上。每一家運營商獨立建網(wǎng)，這樣的發(fā)展模式造成了移動通信基站數(shù)量的激增和基站建設(shè)成本居高不下，而且不利于未來網(wǎng)絡(luò)的演進。截止到2 0 1 1年初，中國移動通信基站數(shù)量已超過160萬個，單制式天線的應(yīng)用模式面臨著巨大的挑戰(zhàn)，一副天線覆蓋兩種甚至更多種制式是天線技術(shù)發(fā)展的必要趨勢。

所謂多制式天線，其工作頻段不僅覆蓋多種制式，而且在每一個頻段上均可實現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化的便利性。多制式天線超越了超寬帶天線的概念，通過解決不同頻段的信號合路和分路技術(shù)，獨立調(diào)節(jié)每個頻段上的天線輻射參數(shù)，抑制不同系統(tǒng)之間的信號干擾，可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能和應(yīng)用的靈活性。

3.2  多制式天線實現(xiàn)節(jié)能減排效果分析

多制式天線的實現(xiàn)和應(yīng)用，可以將目前多副天線的功能集中到一副天線中實現(xiàn)，將會極大地減少現(xiàn)網(wǎng)中所需要的天線數(shù)量。更重要的是，多制式天線使得移動通信系統(tǒng)的共建共享成為了可能。按照目前中國聯(lián)通、中國移動和中國電信的網(wǎng)絡(luò)制式和頻譜劃分，未來最理想的情況下，在一個基站上只需要3副多制式天線即可完成網(wǎng)絡(luò)的正常覆蓋，相對于目前的應(yīng)用模式，可以將建站規(guī)模和成本降低至現(xiàn)在的1/6。這里降低的不僅是硬件設(shè)備成本，同時也降低了電源消耗、傳輸線路中的功率損失及電磁污染等。