淺談移動基站天線及發展趨勢

(中郵科通信技術股份有限公司 福建 福州 350000)

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淺談移動基站天線及發展趨勢

范叔亮

(中郵科通信技術股份有限公司福建福州350000)

隨著無線通信技術的不斷發展，高速數據業務以及無處不在的接入需求正呈現出一種爆炸式的增長，每一代通信網絡的發展都是技術的突破和觀念的創新。本文主要淺談移動基站天線(宏站)的發展歷程以及所衍生的天線新技術，通過市場技術需求演進勘測未來天線的發展趨勢。

天線；寬頻小型化；雙極化；MIMO；智能；基站一體化；5G天線

一、引言

天線(antenna)是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導行波，變換成在無界媒介(通常是自由空間)中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。天線作為無線電通訊的發射和接收設備，直接影響電波信號的質量，因而，天線在無線電通訊中占有極其重要的地位。一個結構合理，性能優良的天線可以最大限度地發揮整個站點的覆蓋優勢，從而節約系統成本，同時可以提高整個無線系統的性能。然而，隨著現代化城市的發展，高層建筑物日益增多，天線所處的電磁環境日益復雜化，運營商為了移動通信系統的信號質量，對天線的各項性能要求也不斷提高。因此，當前移動基站天線的設計倍受關注，其代表著天線最前沿的技術及最先進的理念。

二、移動基站天線發展簡史

什么是天線？

1.將傳輸線中的高頻電磁能轉成為自由空間的電磁波；

2.將自由空間中的電磁波轉化為傳輸線中的高頻電磁能。

圖一：天線示意圖

隨著移動通信天線的發展及通信網絡的更迭，每一代天線的發展都是技術的突破和觀念的創新。室外宏站天線(基站天線)由早期的全向天線/單極化定向天線慢慢演進成雙極化天線、多頻天線；隨著3G/4G網絡的到來，智能天線、MIMO天線、2G/3G/4G多網共用天線逐漸興起并被大力的投入投用；面對5G的到來，天線技術還有很長的一段路要走。

以下為近代移動基站天線的發展簡史，詳見圖二。

圖二：基站天線發展史簡圖

三、移動基站天線新技術

(一)超寬頻小型化天線

隨著站址資源的稀缺以及人們對天線視覺和電磁污染的重視程度越來越高，基站天線小型化成為一種趨勢。由于站址資源的稀缺，多系統共站/多系統共用天線的課題相應地提了出來，超寬頻、小型化正是在此背景下衍生出來的。天線的寬頻化使得多系統共站以及多系統共天線成為了可能，這也有效緩解了運營商站址資源選擇困難這一難題；其次，通過多系統共站共用天線可有效降低天線成本。多頻天線在一定程度上增加了天線重量與迎風面積，因此如何設計較輕且具有較小風載荷的多頻天線，是超寬頻小型化天線發展的重要方向。

(二)雙極化電調天線

雙極化電調天線是一種組合的天線技術，它利用電磁波垂直極化的非相干性和移動通信系統電波傳輸的多經等特點，組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時在收發雙工模式下工作，通過手動電調或者遠程遙控電調的方式改變天線的下傾角，促使天線方向圖達到下傾覆蓋的目的。因此其最突出的優點是節省單個站址的天線數量；可遠程遙控電下傾角，避免人工作業爬塔的風險。從而節省基建投資，同時使基站布局更加合理，基站站址的選定更加容易。雙極化電調天線已經是運營商進行網絡覆蓋的理想選擇，在實際工程中已大規模的應用。

圖三：手持控制器遠程遙控電調示意圖

(三)MIMO天線

所謂的MIMO，是Multiple Input Multiple Output(多入多出)的縮寫，指無線網絡訊號通過多重天線進行同步收發，所以可以增加傳輸輸率。

圖四：MIMO天線原理圖

MIMO天線相較傳統天線優勢：

1.提高信道的容量

MIMO接入點到MIMO客戶端之間，可以同時發送和接收多個空間流，信道容量可以隨著天線數量的增大而線性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。

2.提高信道的可靠性

利用MIMO信道提供的空間復用增益及空間分集增益，可以利用多天線來抑制信道衰落。多天線系統的應用，使得并行數據流可以同時傳送，可以顯著克服信道的衰落，降低誤碼率。

多天線(MIMO)技術是移動通信系統發展的方向，在3G和4G研究中，MIMO技術都是一項關鍵技術。MIMO技術可以大大增加無線通信系統的容量，并有效改善無線通信系統的性能，非常適合移動通信系統中對高速率業務的要求。

(四)智能天線

所謂“智能天線”，通常是指帶精密信號處理器的天線陣，它可以調整或自適應其波束方向圖，目的是增強感興趣的信號和減小干擾信號。智能天線技術前身是一種波束成形(Beamforming)技術。波束成形技術是發送方在獲取一定的當前時刻當前位置發送方和接收方之間的信道信息，調整信號發送的參數，使得射頻能量向接收方所處位置集中，從而使得接收方接收到的信號質量較好，最終能保持較高的吞吐量。

智能天線通常包括切換波束系統和自適應波束形成系統。切換波束系統有幾個可用的固定波束方向圖。根據系統要求，判決哪個波束在任何預定的時間點接入；自適應波束形成系統讓天線將波束調向感興趣的方向，而將干擾信號零陷。

智能天線的原理是將無線電的信號導向具體的方向，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時，智能天線技術利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術在同一信道上接收和發射多個移動用戶信號而不發生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質量和網絡擴容的需要。

智能天線系統的核心是智能算法，智能算法決定瞬時響應速率和電路實現的復雜程度，因此重要的是選擇較好算法實現波束的智能控制。通過算法自動調整加權值得到所需空間和頻率濾波器的作用。

定向智能天線一般至少為8+1端口，其中8個為輻射端口，1個端口為校準端口。智能天線含有三個重要輻射特型，即單元波束/廣播波束/業務波束。通過校準端口輸入不同的幅度相位權值，可改變智能天線方向圖特性，即自適應或以預制方式控制波束寬度、指向和零點位置，使波束指向期望的方向，實現對移動用戶的波束跟蹤，并自動地抑制干擾方向的副瓣電平。

隨著4G網絡的大量建設，智能天線(FA、單D、FA/D、FAD、GSM+DCS+FA/D天線)大規模運用于4G網絡建設。

(五)基站一體化美化天線

移動通信建設與城市環境和小區居民之間的矛盾使得傳統的裸露天線已經不能滿足現代社會發展和通信建設的需要，因此，如何對天線加以處理來消除負面影響越來越受到各方面的關注。經過實踐證明，美化天線是最好的解決方案。

美化天線也叫作“偽裝天線”“隱蔽天線”，即在不增加傳播損耗的情況下，通過各種手段對天線進行偽裝，修飾來達到美化的目的，使之融入周圍環境，既美化了城市的視覺環境，也減少了居民對電磁環境的恐懼和抵觸，保證通信的質量。

據不完全統計，在城市建設中，至少30%以上的站點常規基站天線無法順利進駐小區，需要通過美化天線(如：排氣管型美化天線、方柱型美化天線等)來達到隱蔽覆蓋的效果。中國電信已進行了基站一體化美化天線的集采，中國移動也已規劃2017年初集采美化天線，由此可見，美化天線已經越來越受到運營商的重視。

(六)未來通信天線(5G天線)

根據預測到2020年，業務量將為目前業務量的1000倍，基于此，需要提升寬帶無線接入網的能力，適應未來用戶業務需求。從2G/3G到4G，每一代系統的更新，都伴隨著新技術的更新，都是為了解決當時最主要的需求。5G(后4G)時代，小區越來越密集，對容量、耗能和業務的需求越來越高。對于高速發展的數據流量和用戶對帶寬的需求，現有4G蜂窩網絡的多天線技術(8端口MU-MIMO、CoMP)很難滿足需求。最近的研究表明，在基站端采用超大規模天線陣列(比如數百個天線或更多)可以帶來很多的性能優勢。這種基站采用大規模天線陣列的MU-MIMO被稱為大規模天線陣列系統(Large Scale Antenna System，或稱為Massive MIMO)。Massive MIMO天線相對于傳統基站天線或者傳統一體化有源天線，其形態差異為陣列數量非常龐大、單元具備獨立收發能力，相當于更多天線單元(128根、256根或者更多)實現同時收發數據。

大規模天線陣列可通過以下研究方向，摸索未來通信天線(5G天線)的雛形。

1.稀疏陣列綜合、仿真、優化技術。小型化的大規模MIMO陣列基站天線將在較小的區域內排布數百個天線單元，緊湊的天線之間的互耦效應會削弱天線空間分集的效果，制約大規模MIMO提升傳輸速率的能力。為了減少天線單元件的互耦，對基站天線陣面進行稀疏化設計，增大天線單元間距且不改變陣列的輻射性能。

2.共形陣列天線技術。考慮到微基站的使用場景，小型化、共形和美化設計等是該類產品的切實需求。常規陣列通常排布在直線或平面之上，外形常常顯得突兀。為了保證基站的隱形化美觀化，利用共形技術將陣列按照建筑物、路燈、電桿等任意外形物體的表面排布是較好的解決方案。

3.天線罩賦形技術，天線與天線罩一體化設計技術。采用天線罩賦形技術，設計具有復雜內壁花紋的天線罩，以實現對基站天線性能的提升。

大規模天線技術，基于有源天線和3D-MIMO技術，能夠大幅度提升無線通信頻譜效率和功率效率，是支撐5G移動通信最具潛力的研究方向。

四、移動基站天線技術需求演進

表一 技術需求

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2G/3G/4G多網共用天線端口數2+2+8+1個或2+2+16+2個關鍵電氣性能指標項≥50項

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從表一可見，隨著移動通信天線的發展，每一代天線的發展都是技術的突破和觀念的創新，天線的端口數及電氣性能要求也越來越趨于復雜化，對天線工程師及集成商的技術挑戰也越來越高。

五、結語

隨著無線通信技術的不斷發展，每一代通信網絡的發展都是技術的突破和觀念的創新。本文通過淺談基站天線，總結了基站天線的發展歷程以及2G/3G/4G/5G網絡中運用到的關鍵技術，剖析了天線技術的發展趨勢。

雖然5G天線的研究方興未艾，未來天線設計受到廣泛關注，隨著天線技術的發展以及運營商對通信系統信號質量的要求越來越高，天線技術將成為傳統設備商捍衛通信市場最終的舞臺。

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