卜斌龍 林學(xué)進(jìn) 孫全有

【摘? 要】闡述了5G移動(dòng)通信基站天線在網(wǎng)絡(luò)宏覆蓋的應(yīng)用形態(tài)，包括Massive MIMO天線的64TR、16TR、8TR的解決方案和適用場(chǎng)景。根據(jù)當(dāng)前2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)并存以及未來4G/5G長期共用的特征，提出了1+1智簡(jiǎn)天面布局方案，并闡述了4G多系統(tǒng)共用天線的關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品形態(tài)和適用場(chǎng)景，為5G商用的升級(jí)提供了切實(shí)可行的工程實(shí)現(xiàn)方案。

【關(guān)鍵詞】5G天線;宏網(wǎng)覆蓋;多網(wǎng)融合天線;Massive MIMO天線

中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：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(jù)愛立信2018年發(fā)布的報(bào)告[1]，自2017年LTE技術(shù)成為主流接入技術(shù)，4G移動(dòng)用戶數(shù)量持續(xù)增長，預(yù)計(jì)2024年將達(dá)到54億，占移動(dòng)用戶總數(shù)的60%以上。TDIA預(yù)測(cè)，到2024年，中國5G用戶數(shù)只占移動(dòng)用戶總數(shù)的50%;到2030年，中國仍將有約2.5億的4G用戶。5G技術(shù)的主要目標(biāo)是解決超高容量、低時(shí)延和大連接等問題。在語音業(yè)務(wù)方面，VoNR還在規(guī)劃階段，距離實(shí)際商用還需要很多年，VoLTE在未來很長的一段時(shí)間內(nèi)將是唯一可用的語音業(yè)務(wù)解決方案。此外，也并不是所有的場(chǎng)景業(yè)務(wù)都需要使用5G技術(shù)，例如即時(shí)通信、移動(dòng)支付等消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，圖像傳輸、短視頻傳輸?shù)葘拵?yīng)用領(lǐng)域，4G網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足用戶需求，真正基于5G技術(shù)的高階物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的出現(xiàn)還需要很長一段時(shí)間。由此可見，在5G時(shí)代，4G網(wǎng)絡(luò)仍是基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)是4G網(wǎng)絡(luò)的疊加，4G/5G將長期共存[2-3]，協(xié)同發(fā)展。

基于4G/5G網(wǎng)絡(luò)將長期共存的組網(wǎng)策略來分析天面架構(gòu)的演進(jìn)趨勢(shì)。在主流場(chǎng)景下，所有非5G網(wǎng)絡(luò)的天線將高度集成為1副一體化高階多系統(tǒng)共用天線，所有服務(wù)于5G網(wǎng)絡(luò)的天線將高度集成為1副天線，各占一個(gè)天面空間，從而形成如圖1所示的5G時(shí)代智簡(jiǎn)天面架構(gòu)的1+1雙子星布局。在特殊場(chǎng)景下，所有天線將高度集成為1副4G/5G共用天線，形成5G時(shí)代極簡(jiǎn)天面架構(gòu)的ALL-IN-ONE布局。按照?qǐng)D2所示的5G分場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)配置方案，宏站網(wǎng)絡(luò)分場(chǎng)景部署的最佳性價(jià)比解決方案為：在密集城區(qū)的超高容量和流量場(chǎng)景，選用Sub 6 GHz 64TR Massive MIMO天線;在城區(qū)高容量廣覆蓋場(chǎng)景，選用Sub 6 GHz 16TR Massive MIMO天線;在郊區(qū)和農(nóng)村中低容量場(chǎng)景，選用8TR/4TR高階MIMO天線以及4G多系統(tǒng)共用的有源或無源天線。

2? ?5G時(shí)代高容量場(chǎng)景天線解決方案

2.1? 5G Massive MIMO天線關(guān)鍵技術(shù)

在無線通信系統(tǒng)中，MIMO技術(shù)將2G、3G時(shí)代的頻分（FDMA）、時(shí)分（TDMA）、碼分（CDMA）多址技術(shù)擴(kuò)展到了空分（SDAM），基于空間角度來分隔信道，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸可靠性。Massive MIMO是MIMO技術(shù)的再擴(kuò)展，在基站側(cè)使用更多數(shù)量的天線陣列形成多發(fā)多收的系統(tǒng)，使5G天線系統(tǒng)具有了更強(qiáng)的定向能力和波束賦形能力，增強(qiáng)了基站在空域維度同時(shí)接收和發(fā)送多路不同信號(hào)的能力，從而大大提高了頻譜利用率、數(shù)據(jù)傳輸速率以及通信的穩(wěn)定性和可靠性，滿足5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)于超高數(shù)據(jù)流量和超大規(guī)模連接的可靠性要求。

Massive MIMO作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，其關(guān)鍵技術(shù)在于MU-MIMO技術(shù)和3D-MIMO技術(shù)。MU-MIMO即多用戶MIMO，網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)用戶可以在同一時(shí)頻資源上利用Massive MIMO提供的空分通道與基站同時(shí)進(jìn)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(shù)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(jù)需要在垂直和水平方向進(jìn)行掃描，具備三維立體的覆蓋能力。同時(shí)，還可以根據(jù)業(yè)務(wù)調(diào)度的需要匹配相應(yīng)的波束，實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)內(nèi)不同終端的靈活跟蹤，且具備超強(qiáng)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(jù)實(shí)際的需求指向任意的垂直和水平方向;另一方面，多個(gè)這樣的3D-MIMO波束可以同時(shí)存在并形成MU-MIMO波束，完成全空域覆蓋。

2.2? Massive MIMO天線產(chǎn)品形態(tài)

Massive MIMO天線對(duì)于滿足5G容量需求有重要作用。在5G初期，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為MIMO級(jí)數(shù)越高對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋更具優(yōu)勢(shì)，64TR/32TR被看作是5G Massive MIMO天線的標(biāo)準(zhǔn)配置。但隨著5G試驗(yàn)網(wǎng)的開展以及5G產(chǎn)業(yè)鏈各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)現(xiàn)5G基站系統(tǒng)通道數(shù)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(shí)也增加了建網(wǎng)投資成本。綜合考慮網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋需求，并非所有場(chǎng)景都需要配備高階通道數(shù)的5G基站系統(tǒng)，因?yàn)殡S著基站系統(tǒng)通道數(shù)的增加，設(shè)備的造價(jià)、耗能及站點(diǎn)改造成本會(huì)大幅度上升。因此，5G Massive MIMO天線形態(tài)不但有64TR/32TR，還應(yīng)有16TR和8TR，這樣才能滿足5G多樣化的覆蓋場(chǎng)景需求。

2.3? 不同覆蓋場(chǎng)景下天線選型建議

5G覆蓋場(chǎng)景分為廣域覆蓋和連續(xù)覆蓋、深度覆蓋和容量覆蓋。廣域覆蓋和連續(xù)覆蓋需要滿足用戶的移動(dòng)性和覆蓋的連續(xù)性，對(duì)天線的增益和波束寬度要求較高;深度覆蓋主要解決室內(nèi)及室外場(chǎng)景出現(xiàn)的弱覆蓋或覆蓋盲區(qū)，對(duì)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(diǎn)區(qū)域的覆蓋容量，一般采用MU-MIMO技術(shù)來提升系統(tǒng)容量。

（1）廣域覆蓋和連續(xù)覆蓋場(chǎng)景

廣域覆蓋和連續(xù)覆蓋是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的最基本要求，需要同時(shí)兼顧用戶的移動(dòng)性和業(yè)務(wù)服務(wù)的連續(xù)性。對(duì)于城區(qū)和發(fā)達(dá)省份的城郊結(jié)合區(qū)域，人流量密集、住宅小區(qū)、機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位等較多，日常數(shù)據(jù)流量開銷較大，但負(fù)荷量不高，業(yè)務(wù)調(diào)度的頻次也不高。實(shí)際覆蓋時(shí)不需要在垂直方向進(jìn)行波束的數(shù)字掃描，常規(guī)的波束電下傾調(diào)整就可以滿足網(wǎng)絡(luò)的覆蓋要求。建議選用16TR天線，在滿足廣域覆蓋和連續(xù)覆蓋的基礎(chǔ)上，還能兼顧一定的容量覆蓋，性價(jià)比最高。

針對(duì)農(nóng)村、郊區(qū)等區(qū)域，用戶相對(duì)較少，相應(yīng)的數(shù)據(jù)流量需求也較低，只需滿足5G網(wǎng)絡(luò)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(dāng)，且不需要對(duì)桿塔進(jìn)行升級(jí)。

（2）深度覆蓋場(chǎng)景

在城區(qū)，部分上下行鏈路存在遮擋以及基站穿透能力有限，室內(nèi)或室外部分場(chǎng)景出現(xiàn)了弱覆蓋或覆蓋盲區(qū)。為實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋，需要單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)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(nèi)，該方案一方面要求天線的增益比較高，另一方面對(duì)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(jìn)行覆蓋，以解決城區(qū)深度覆蓋不足的問題。

（3）容量覆蓋場(chǎng)景

主要面向熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行容量提升，以滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)流量的高需求，特別是中心商用街區(qū)、人流量密集的廣場(chǎng)及重要交通樞紐區(qū)等區(qū)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(shù)解決多用戶同時(shí)進(jìn)行通信，提高整個(gè)小區(qū)的吞吐量和容量。

（4）其它場(chǎng)景

對(duì)于環(huán)境和諧度要求高或由于業(yè)主的電磁敏感而無法安裝常規(guī)基站天線的場(chǎng)景，建議選用小型化、具有隱蔽外觀的5G美化天線進(jìn)行覆蓋;對(duì)于城區(qū)天面資源有限，無法新增抱桿安裝5G天線的場(chǎng)景，建議選用4G/5G多系統(tǒng)共用天線或其它微站覆蓋方案。

3? ?5G時(shí)代基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)天線

在5G時(shí)代，為滿足多網(wǎng)并存和多制式融合條件下高性能網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，用于基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)覆蓋的4G天線將具有混合制式和超多端口多系統(tǒng)共用兩大產(chǎn)品系列。混合制式天線主要指能滿足TDD和FDD系統(tǒng)使用的基站天線，適用于TDD/FDD混合組網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景，典型產(chǎn)品是中國移動(dòng)FDD/TDD混合制式天線。超多端口多系統(tǒng)天線通常指滿足5個(gè)頻段、端口數(shù)多于10個(gè)的基站天線，能滿足多網(wǎng)絡(luò)共天線的應(yīng)用需求，典型產(chǎn)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(yīng)用需求，兩大系列天線的每個(gè)頻段都將向高階MIMO演進(jìn)（或具備高階MIMO功能）。

5G時(shí)代多系統(tǒng)共天線的應(yīng)用需求對(duì)天線設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)，空間重疊復(fù)用技術(shù)、超薄饋網(wǎng)技術(shù)、電機(jī)復(fù)用嵌入式控制技術(shù)已成為5G時(shí)代高性價(jià)比天線的技術(shù)基礎(chǔ)。

（1）一體化融合組陣及多維度復(fù)用技術(shù)

通過在天線產(chǎn)品中融合應(yīng)用多維度的復(fù)用技術(shù)可使混合制式天線、多系統(tǒng)共用天線兩大系列的天線產(chǎn)品體積大幅度減小，有助于實(shí)現(xiàn)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?？墒褂玫膹?fù)用技術(shù)包括在陣列空間中對(duì)輻射單元進(jìn)行優(yōu)化布局的復(fù)用技術(shù)、在單元空間中對(duì)不同頻段輻射單元進(jìn)行嵌套組合的復(fù)用技術(shù)及使用內(nèi)置合路器實(shí)現(xiàn)多頻段共用同一輻射單元的復(fù)用技術(shù)。

（2）一體化移相器及超薄饋網(wǎng)技術(shù)

通過將移相器、功分器、濾波器三項(xiàng)功能集成于單一腔體，將內(nèi)導(dǎo)體以外的所有金屬組件集成為單一金屬體，通過異構(gòu)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)改變相位，可實(shí)現(xiàn)高性能高可靠性的移相、功分一體化饋電網(wǎng)絡(luò)，并顯著減小部件厚度。該技術(shù)可為天線小型化、集成化和產(chǎn)品性能指標(biāo)提升創(chuàng)造條件，有助于提升天線的技術(shù)指標(biāo)，改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。

（3）電機(jī)復(fù)用及嵌入式控制技術(shù)

多頻段天線中電機(jī)數(shù)量增多不僅占用天線內(nèi)部空間，制約天線小型化的實(shí)現(xiàn)，而且也將帶來成本和可靠性問題。電機(jī)復(fù)用及嵌入式控制技術(shù)將具有突出的現(xiàn)實(shí)意義。極限情況下，該類技術(shù)可僅用1個(gè)電機(jī)完成多個(gè)天線波束指向調(diào)整的嵌入式控制技術(shù)，且能實(shí)現(xiàn)多路移相器的正向切換、反向驅(qū)動(dòng)功能，該類技術(shù)可進(jìn)一步為天線小型化、集成化和產(chǎn)品性能指標(biāo)提升創(chuàng)造條件。

圖4是移動(dòng)通信天線行業(yè)最近十年來上述三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)歷年專利申請(qǐng)數(shù)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（數(shù)據(jù)來源：incoPat），從中可以看出，隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，上述關(guān)鍵技術(shù)已成為基站天線廠家的關(guān)注焦點(diǎn)。

4? ?結(jié)束語

本文依據(jù)通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求和天線技術(shù)特征，闡述了5G時(shí)代基站天線的產(chǎn)品形態(tài)和關(guān)鍵技術(shù)。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(qū)和農(nóng)村覆蓋的主流配置，64TR和32TR將是密集城區(qū)超高容量場(chǎng)景的增強(qiáng)配置。就4G/5G融合的多頻段、多系統(tǒng)共用天線而言，空間重疊復(fù)用技術(shù)、超薄饋網(wǎng)技術(shù)、電機(jī)復(fù)用嵌入式控制技術(shù)將成為5G時(shí)代高性價(jià)天線的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[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(guī)模天線系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電子科技， 2015，28（4）： 182-185.

[3] 卜斌龍. 5G時(shí)代移動(dòng)通信天線產(chǎn)業(yè)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[J]. 電信技術(shù)， 2019（1）： 101-104.

[4] 孫善球，劉旭，孫全有. 天線產(chǎn)業(yè)為5G無線網(wǎng)提供的高性價(jià)比解決方案[J]. 電信技術(shù)， 2019（1）： 72-74.

[5] 李艷芬，朱雪田. 面向5G Massive MIMO部署的挑戰(zhàn)研究[J]. 電信技術(shù)， 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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及商用分析[J]. 移動(dòng)通信， 2017，41（11）： 1-5.