5G宏網天線覆蓋解決方案及現網融合技術

卜斌龍 林學進 孫全有

【摘? 要】闡述了5G移動通信基站天線在網絡宏覆蓋的應用形態，包括Massive MIMO天線的64TR、16TR、8TR的解決方案和適用場景。根據當前2G/3G/4G網絡并存以及未來4G/5G長期共用的特征，提出了1+1智簡天面布局方案，并闡述了4G多系統共用天線的關鍵技術、產品形態和適用場景，為5G商用的升級提供了切實可行的工程實現方案。

【關鍵詞】5G天線;宏網覆蓋;多網融合天線;Massive MIMO天線

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）04-0021-04

[Abstract]?The application forms of 5G mobile communications base station antenna in the macro network coverage are addressed， including massive MIMO 64TR， 16TR and 8TR solutions and scenarios. Considering the long-term coexistence of 2G， 3G， 4G and 5G networks， the solution of simple and smart “1 plus 1” antenna array is proposed. The key techniques， product form and application scenarios of 4G multi-system antenna are elaborated to provide a feasible engineering implementation scheme to the 5G commercial use update.

[Key words]5G antenna; macro network coverage; multi-network integration antenna; massive MIMO antenna

1? ?引言

根據愛立信2018年發布的報告[1]，自2017年LTE技術成為主流接入技術，4G移動用戶數量持續增長，預計2024年將達到54億，占移動用戶總數的60%以上。TDIA預測，到2024年，中國5G用戶數只占移動用戶總數的50%;到2030年，中國仍將有約2.5億的4G用戶。5G技術的主要目標是解決超高容量、低時延和大連接等問題。在語音業務方面，VoNR還在規劃階段，距離實際商用還需要很多年，VoLTE在未來很長的一段時間內將是唯一可用的語音業務解決方案。此外，也并不是所有的場景業務都需要使用5G技術，例如即時通信、移動支付等消費互聯網領域，圖像傳輸、短視頻傳輸等寬帶應用領域，4G網絡完全可以滿足用戶需求，真正基于5G技術的高階物聯網應用場景的出現還需要很長一段時間。由此可見，在5G時代，4G網絡仍是基礎承載網絡，5G網絡是4G網絡的疊加，4G/5G將長期共存[2-3]，協同發展。

基于4G/5G網絡將長期共存的組網策略來分析天面架構的演進趨勢。在主流場景下，所有非5G網絡的天線將高度集成為1副一體化高階多系統共用天線，所有服務于5G網絡的天線將高度集成為1副天線，各占一個天面空間，從而形成如圖1所示的5G時代智簡天面架構的1+1雙子星布局。在特殊場景下，所有天線將高度集成為1副4G/5G共用天線，形成5G時代極簡天面架構的ALL-IN-ONE布局。按照圖2所示的5G分場景網絡配置方案，宏站網絡分場景部署的最佳性價比解決方案為：在密集城區的超高容量和流量場景，選用Sub 6 GHz 64TR Massive MIMO天線;在城區高容量廣覆蓋場景，選用Sub 6 GHz 16TR Massive MIMO天線;在郊區和農村中低容量場景，選用8TR/4TR高階MIMO天線以及4G多系統共用的有源或無源天線。

2? ?5G時代高容量場景天線解決方案

2.1? 5G Massive MIMO天線關鍵技術

在無線通信系統中，MIMO技術將2G、3G時代的頻分（FDMA）、時分（TDMA）、碼分（CDMA）多址技術擴展到了空分（SDAM），基于空間角度來分隔信道，極大地提高了數據傳輸速率和傳輸可靠性。Massive MIMO是MIMO技術的再擴展，在基站側使用更多數量的天線陣列形成多發多收的系統，使5G天線系統具有了更強的定向能力和波束賦形能力，增強了基站在空域維度同時接收和發送多路不同信號的能力，從而大大提高了頻譜利用率、數據傳輸速率以及通信的穩定性和可靠性，滿足5G網絡對于超高數據流量和超大規模連接的可靠性要求。

Massive MIMO作為5G的關鍵技術之一，其關鍵技術在于MU-MIMO技術和3D-MIMO技術。MU-MIMO即多用戶MIMO，網絡中的多個用戶可以在同一時頻資源上利用Massive MIMO提供的空分通道與基站同時進行通信，在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率。3D-MIMO技術是基于多陣列的波束賦形，可以賦形不同指向的不同增益的窄波束，這些窄波束可以根據需要在垂直和水平方向進行掃描，具備三維立體的覆蓋能力。同時，還可以根據業務調度的需要匹配相應的波束，實現對小區內不同終端的靈活跟蹤，且具備超強的抗干擾能力。在圖3中，一方面3D-MIMO波束具有更高的增益、更窄的波束寬度，并根據實際的需求指向任意的垂直和水平方向;另一方面，多個這樣的3D-MIMO波束可以同時存在并形成MU-MIMO波束，完成全空域覆蓋。

2.2? Massive MIMO天線產品形態

Massive MIMO天線對于滿足5G容量需求有重要作用。在5G初期，業內普遍認為MIMO級數越高對5G網絡覆蓋更具優勢，64TR/32TR被看作是5G Massive MIMO天線的標準配置。但隨著5G試驗網的開展以及5G產業鏈各項技術的不斷發展，發現5G基站系統通道數的增加并未提升單用戶的感知，其作用主要是增加多用戶的接入容量，但同時也增加了建網投資成本。綜合考慮網絡容量和覆蓋需求，并非所有場景都需要配備高階通道數的5G基站系統，因為隨著基站系統通道數的增加，設備的造價、耗能及站點改造成本會大幅度上升。因此，5G Massive MIMO天線形態不但有64TR/32TR，還應有16TR和8TR，這樣才能滿足5G多樣化的覆蓋場景需求。

2.3? 不同覆蓋場景下天線選型建議

5G覆蓋場景分為廣域覆蓋和連續覆蓋、深度覆蓋和容量覆蓋。廣域覆蓋和連續覆蓋需要滿足用戶的移動性和覆蓋的連續性，對天線的增益和波束寬度要求較高;深度覆蓋主要解決室內及室外場景出現的弱覆蓋或覆蓋盲區，對天線的增益和波束都有一定的要求;容量覆蓋主要是提升熱點區域的覆蓋容量，一般采用MU-MIMO技術來提升系統容量。

（1）廣域覆蓋和連續覆蓋場景

廣域覆蓋和連續覆蓋是移動通信網絡覆蓋的最基本要求，需要同時兼顧用戶的移動性和業務服務的連續性。對于城區和發達省份的城郊結合區域，人流量密集、住宅小區、機關、企事業單位等較多，日常數據流量開銷較大，但負荷量不高，業務調度的頻次也不高。實際覆蓋時不需要在垂直方向進行波束的數字掃描，常規的波束電下傾調整就可以滿足網絡的覆蓋要求。建議選用16TR天線，在滿足廣域覆蓋和連續覆蓋的基礎上，還能兼顧一定的容量覆蓋，性價比最高。

針對農村、郊區等區域，用戶相對較少，相應的數據流量需求也較低，只需滿足5G網絡的最基本需求即可。建議直接選用8TR天線，天線體積、重量與4G天線相當，且不需要對桿塔進行升級。

（2）深度覆蓋場景

在城區，部分上下行鏈路存在遮擋以及基站穿透能力有限，室內或室外部分場景出現了弱覆蓋或覆蓋盲區。為實現連續覆蓋，需要單獨進行補盲，即為深度覆蓋。目前，深度覆蓋的主要解決方案是室外覆蓋室內，該方案一方面要求天線的增益比較高，另一方面對波束寬度也有特定要求，建議選用小于16TR的特定波束天線進行覆蓋，以解決城區深度覆蓋不足的問題。

（3）容量覆蓋場景

主要面向熱點區域進行容量提升，以滿足用戶對數據速率、數據流量的高需求，特別是中心商用街區、人流量密集的廣場及重要交通樞紐區等區域，建議選用64TR/32TR天線、多波束天線、混合波束天線及龍伯透鏡天線，利用MU-MIMO技術解決多用戶同時進行通信，提高整個小區的吞吐量和容量。

（4）其它場景

對于環境和諧度要求高或由于業主的電磁敏感而無法安裝常規基站天線的場景，建議選用小型化、具有隱蔽外觀的5G美化天線進行覆蓋;對于城區天面資源有限，無法新增抱桿安裝5G天線的場景，建議選用4G/5G多系統共用天線或其它微站覆蓋方案。

3? ?5G時代基礎承載網絡天線

在5G時代，為滿足多網并存和多制式融合條件下高性能網絡覆蓋需求，用于基礎承載網絡覆蓋的4G天線將具有混合制式和超多端口多系統共用兩大產品系列。混合制式天線主要指能滿足TDD和FDD系統使用的基站天線，適用于TDD/FDD混合組網的應用場景，典型產品是中國移動FDD/TDD混合制式天線。超多端口多系統天線通常指滿足5個頻段、端口數多于10個的基站天線，能滿足多網絡共天線的應用需求，典型產品是支持800 MHz、900 MHz、1 800 MHz、2 100 MHz和2 600 MHz的10端口天線。為更好地滿足應用需求，兩大系列天線的每個頻段都將向高階MIMO演進（或具備高階MIMO功能）。

5G時代多系統共天線的應用需求對天線設計提出了新的挑戰，空間重疊復用技術、超薄饋網技術、電機復用嵌入式控制技術已成為5G時代高性價比天線的技術基礎。

（1）一體化融合組陣及多維度復用技術

通過在天線產品中融合應用多維度的復用技術可使混合制式天線、多系統共用天線兩大系列的天線產品體積大幅度減小，有助于實現天線小型化、集成化，緩解站址資源緊張、天線視覺沖擊大的困境。可使用的復用技術包括在陣列空間中對輻射單元進行優化布局的復用技術、在單元空間中對不同頻段輻射單元進行嵌套組合的復用技術及使用內置合路器實現多頻段共用同一輻射單元的復用技術。

（2）一體化移相器及超薄饋網技術

通過將移相器、功分器、濾波器三項功能集成于單一腔體，將內導體以外的所有金屬組件集成為單一金屬體，通過異構介質的運動改變相位，可實現高性能高可靠性的移相、功分一體化饋電網絡，并顯著減小部件厚度。該技術可為天線小型化、集成化和產品性能指標提升創造條件，有助于提升天線的技術指標，改善網絡覆蓋性能。

（3）電機復用及嵌入式控制技術

多頻段天線中電機數量增多不僅占用天線內部空間，制約天線小型化的實現，而且也將帶來成本和可靠性問題。電機復用及嵌入式控制技術將具有突出的現實意義。極限情況下，該類技術可僅用1個電機完成多個天線波束指向調整的嵌入式控制技術，且能實現多路移相器的正向切換、反向驅動功能，該類技術可進一步為天線小型化、集成化和產品性能指標提升創造條件。

圖4是移動通信天線行業最近十年來上述三項關鍵技術歷年專利申請數量的統計結果（數據來源：incoPat），從中可以看出，隨著通信系統的發展，上述關鍵技術已成為基站天線廠家的關注焦點。

4? ?結束語

本文依據通信系統的應用需求和天線技術特征，闡述了5G時代基站天線的產品形態和關鍵技術。就5G天線而言，16TR天線將是未來城市覆蓋的主流配置，8TR將是郊區和農村覆蓋的主流配置，64TR和32TR將是密集城區超高容量場景的增強配置。就4G/5G融合的多頻段、多系統共用天線而言，空間重疊復用技術、超薄饋網技術、電機復用嵌入式控制技術將成為5G時代高性價天線的技術基礎。

參考文獻：

[1] Ericsson. Ericsson Mobility Report[EB/OL]. [2019-03-15]. https：//www.ericsson.com/mobility-report.

[2] 劉寧，袁宏偉. 5G大規模天線系統研究現狀及發展趨勢[J]. 電子科技， 2015，28（4）： 182-185.

[3] 卜斌龍. 5G時代移動通信天線產業的機遇和挑戰[J]. 電信技術， 2019（1）： 101-104.

[4] 孫善球，劉旭，孫全有. 天線產業為5G無線網提供的高性價比解決方案[J]. 電信技術， 2019（1）： 72-74.

[5] 李艷芬，朱雪田. 面向5G Massive MIMO部署的挑戰研究[J]. 電信技術， 2019（1）： 65-67.

[6] A GUPTA， R KUMAR， JHA. A Survey of 5G Network： Architecture and Emerging Technologies[J]. IEEE Access， 2015，3（7）： 1206-1232.

[7] Wei Fan， Ines Carton. A Step Toward 5G in 2020 Low-cost OTA performance evaluation of massive MIMO base stations[J]. IEEE Antenna & Propagation Magazine， 2017（2）： 38-47.

[8] 詹文浩，戴國華. 高階MIMO實驗驗證及商用分析[J]. 移動通信， 2017，41（11）： 1-5.