移動通信天線順應(yīng)多網(wǎng)融合發(fā)展新趨勢

　　移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)如火如荼發(fā)展，極大地帶動了移動用戶量和話務(wù)量的迅猛增長。這也對新一代移動通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量、傳輸速率以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等提出了更高的要求。目前，移動通信行業(yè)正處于5G大規(guī)模研發(fā)的投入期，并且取得了很多階段性的進展。在2020年5G移動通信系統(tǒng)商用之后，市場將會是2G、3G、4G和5G通信系統(tǒng)大量共存的局面?？紤]到極其緊缺的站址資源，以及更加全面的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，面向多網(wǎng)融合的移動通信天線應(yīng)用與部署策略是值得探討的，而且有很大的工程意義和市場價值。

　　移動通信天線發(fā)展現(xiàn)狀

　　天線是一種射頻導(dǎo)行波與自由空間的無線電磁波之間的轉(zhuǎn)換器。移動通信天線更是移動通信中的“千里眼”和“順風(fēng)耳”，其設(shè)計的優(yōu)劣將直接影響整個移動通信系統(tǒng)提供給移動用戶的通信服務(wù)好壞。在移動通信系統(tǒng)中，天線是不可或缺的，是移動用戶與基站相關(guān)設(shè)備連接的出入口，也是移動用戶間相互聯(lián)系的橋梁。

　　隨著城市化進程的加快，各地高樓大廈不斷涌現(xiàn)，通信環(huán)境變得越來越復(fù)雜，易受地形地貌、建筑物等影響的多徑效應(yīng)也越來越明顯。為了解決多徑衰落問題，現(xiàn)在基站天線多采用極化分集技術(shù)。目前，在實際應(yīng)用中，基站天線都需要有一定程度的波束下傾，由于電調(diào)天線在不同下傾角的輻射性能變化不大，不但很容易調(diào)整方向圖，而且便于后期的網(wǎng)絡(luò)維護、優(yōu)化等工作，現(xiàn)在大部分的基站天線都采用了雙極化電調(diào)天線。同時，在近幾年，移動通信系統(tǒng)是2G、3G、4G共融共存三足鼎立的局面。隨著即將展開的5G試驗網(wǎng)的部署，網(wǎng)絡(luò)需要的天線數(shù)量越來越龐大，移動通信基站的站點資源越發(fā)緊張，運營商站點尋址的成本不斷上漲，使得應(yīng)用多網(wǎng)融合的天饋系統(tǒng)解決方案勢在必行。部署具備多網(wǎng)融合功能的天線，可輕松利用已有站點天面資源，完成部署，大幅度降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本。

　　為滿足市場的迫切需求，業(yè)內(nèi)的主流天線廠家已在研發(fā)支持多網(wǎng)絡(luò)融合解決方案的天線產(chǎn)品。因多網(wǎng)并存、應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜化，并且為實現(xiàn)精細化的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，保證通信質(zhì)量，提升用戶體驗，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的工作變得越來越繁重。因此，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等部門有這樣的訴求：希望設(shè)備端在遠端即可獲取更多的天饋工程參數(shù)，從而避免人工上站測量，大大減少網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化成本和天饋系統(tǒng)的管理成本。未來，天線如果具備工程參數(shù)可感知模塊及信息管理功能，可實現(xiàn)自動測量天線的機械傾角、海拔高度、方位角及經(jīng)緯度等參數(shù)，并實時回傳網(wǎng)管中心，優(yōu)化工程師就可以有針對性地對網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化和維護，提升網(wǎng)絡(luò)的性能、提高優(yōu)化效率并降低運營成本。

　　多網(wǎng)融合天饋應(yīng)用策略

　　——頻譜規(guī)劃方面。目前我國有以下通信系統(tǒng)：CDMA、GSM900、GSM1800、CDMA2000、TD-SCDMA、WCDMA、FDD-LTE、TD-LTE(LTE2300和LTE2600)，LTE800\900及以后很有可能是低頻段LTE700MHz等。2G、3G和4G通信系統(tǒng)覆蓋的頻段主要包括698MHz到960MHz以及1.7GHz到2.7GHz。

　　由此可見傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)，包括3G、4G移動通信系統(tǒng)，其工作頻率主要集中在3GHz以下，頻譜資源已經(jīng)變得異常稀缺。

　　2017年年末，工業(yè)和信息化部發(fā)布了中頻段的使用頻率通知，明確了3300MHz~3600MHz和4800MHz~5000MHz的頻率將使用于5G網(wǎng)絡(luò)。后續(xù)，工信部還將繼續(xù)為5G系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展規(guī)劃出包含高頻段(毫米波)、低頻段在內(nèi)的更多頻率資源。而工作在高頻段的通信系統(tǒng)，其可用的頻譜資源非常豐富，更有可能占用更寬的連續(xù)頻帶進行通信。綜合來看，5G系統(tǒng)需要高頻(24GHz以上毫米波)、中頻(3000MHz~6000MHz頻段)和低頻(3000MHz以下頻段)，不同頻段的工作頻率，以滿足不同的覆蓋、容量、連接密度等關(guān)鍵性能指標的要求。

　　——網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃與天線應(yīng)用方面。在5G之前的系統(tǒng)，都在多次大規(guī)模建設(shè)中得到了很好的融合與發(fā)展，并且多網(wǎng)融合也帶來了很好的性能。然而，未來的5G是萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)，要根據(jù)不同的場景去組合天線，5G網(wǎng)絡(luò)也不是靜態(tài)的，而是動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)、綜合的網(wǎng)絡(luò)?？紤]到5G復(fù)雜的應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋環(huán)節(jié)所需要的基站天線的形態(tài)也將是復(fù)雜多樣的。

　　為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)多元化業(yè)務(wù)的特點以及未來海量發(fā)展的趨勢，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)時也應(yīng)具體問題具體分析，統(tǒng)籌規(guī)劃、靈活部署。未來5G網(wǎng)絡(luò)有了更多要求：高速率、低時延、高可靠性、超用戶量接入、靈活性和可拓展性等。為了滿足這些要求，諸多關(guān)鍵技術(shù)也在研發(fā)中，其中大規(guī)模陣列天線和超密集組網(wǎng)等無線關(guān)鍵技術(shù)成為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋的重點。

　　5G網(wǎng)絡(luò)從試驗網(wǎng)的部署到各項關(guān)鍵技術(shù)的成熟，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模應(yīng)用至少還需要3~5年的過程。因此，4G、4G+網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和優(yōu)化依然是目前的關(guān)鍵工作。并且，現(xiàn)有天饋部署應(yīng)該盡可能地兼顧現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能提升以及與未來5G網(wǎng)絡(luò)的平滑升級對接。綜合考慮目前通信網(wǎng)絡(luò)工作頻段主要集中在3GHz以下，其頻段較低的特點適用于大范圍的廣域覆蓋;而頻段在3GHz~6GHz的中頻段，可以應(yīng)用于熱點地區(qū)的大容量覆蓋;6GHz以上的毫米波頻段可以應(yīng)用于室內(nèi)容量覆蓋。

　　針對3GHz以下的廣域覆蓋，在天線體積和重量允許的情況下盡可能地部署多端口天線，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐能力，并有利于未來向5G網(wǎng)絡(luò)升級。8T8R是3GHz以下頻段天線的終極形態(tài)，主要原因是受限于天線迎風(fēng)面積，例如8T8R的天線在1.8GHz頻段，寬度500mm左右，在2.1GHz頻段，寬度450mm左右;在2.6GHz頻段寬度400mm左右。

　　——5G天線發(fā)展現(xiàn)狀方面。在5G關(guān)鍵技術(shù)探索中，大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)技術(shù)能夠深度挖掘空間維度無線資源，大幅度提升無線通信系統(tǒng)的頻譜效率和能耗效率，這也是5G天線采用大規(guī)模MIMO天線的原因。大規(guī)模MIMO天線是指天線振子單元少則幾十個、多則幾百個，可同時發(fā)送不同用戶的多組數(shù)據(jù)或相同用戶的相同數(shù)據(jù)，既可以承載多用戶復(fù)用通信功能，也可以承載空間分集增益功能。因此，較高的增益、有自適應(yīng)波束形成和波束控制能力的天線陣列，自然而然成為5G應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

　　然而，考慮到上述系統(tǒng)的具體情況、天線陣的實際應(yīng)用場景和應(yīng)用環(huán)境，帶有Massive MIMO天線陣的5G基站建站時，由于實際空間受限，天線陣的體積不能很大。天線陣物理尺寸受限的情況下，多個天線單元之間的互相耦合、干擾，必然會造成天線性能的下降，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是造成天線副瓣較高，對陣列的波束掃描能力有較大的影響;二是由于天線單元之間互相的干擾，造成信噪比變差，進而直接影響數(shù)據(jù)吞吐率;三是使得能夠有效輻射的能量減少，造成天線陣增益降低，能量利用效率低下。

　　以上問題，是目前5G天線技術(shù)的發(fā)展瓶頸，這個瓶頸嚴重阻礙了5G技術(shù)的發(fā)展。所幸的是，在5G MIMO天線技術(shù)中最為重要的減小耦合技術(shù)實現(xiàn)了階段性的突破。主要包括基于耦合諧振器去耦網(wǎng)絡(luò)天線和基于超材料的天線陣去耦合。

　　在基于耦合諧振器去耦網(wǎng)絡(luò)方面，趙魯豫等人提出利用兩個或多個耦合的諧振器網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)或級聯(lián)在兩天線或多天線上，通過合理的綜合設(shè)計網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，達到緊耦合的天線耦合減小和天線匹配保持的效果，這種解耦網(wǎng)絡(luò)，被稱為“耦合諧振器去耦網(wǎng)絡(luò)”。該網(wǎng)絡(luò)的主要特點有：體積小、易于集成;保證了在解耦的同時不破壞天線本身的匹配;能實現(xiàn)相對較寬的解耦帶寬等。

　　在基于超材料的天線陣去耦合方面。作為一種嶄新的概念，超材料這類人造的、具有優(yōu)良電磁特性和電磁調(diào)控能力的材料與結(jié)構(gòu)。在帶有超材料的天線陣間電磁波有三條耦合路徑：表面波耦合、空間波耦合以及人為制造的反射波耦合。合理地調(diào)控三條路徑上耦合的幅度和相位，可以使得耦合的總效應(yīng)互相抵消，這樣就有效消除了單元之間的互耦。

　　另外，5G天線需要較高的陣列、天線及系統(tǒng)成本是未來建網(wǎng)商用無法回避的問題，如何在成本和性能之間尋找最佳的折中方案，是整個產(chǎn)業(yè)都在探索和研究的主要課題。

　　——天饋發(fā)展策略方面。在萬物互聯(lián)的5G時代，智慧城市、無人駕駛、無人工廠、遠程手術(shù)——5G“暢想曲”越發(fā)清晰。天線技術(shù)也在不斷演進和發(fā)展。隨著移動通信從2G、3G、4G到5G的不斷發(fā)展，移動通信天線也經(jīng)歷了從單極化天線、雙極化天線到智能天線、MIMO天線乃至大規(guī)模陣列天線的發(fā)展歷程。天線結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，并且作用也越來越重要。

　　結(jié)合近幾年移動通信天饋研發(fā)的經(jīng)驗，移動通信基站天線的演進趨勢，以及多網(wǎng)融合的發(fā)展方向，天饋發(fā)展可采用以下策略：

　　未來的網(wǎng)絡(luò)會進一步融合，出現(xiàn)2G、3G、4G和5G網(wǎng)絡(luò)大量共存的局面，多網(wǎng)融合的發(fā)展催生出更多復(fù)雜的天線。首先，5G網(wǎng)絡(luò)在開始應(yīng)用階段，網(wǎng)絡(luò)中將長時間共存LTE終端和NR終端，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期絕大多數(shù)是LTE終端以及少量的NR終端，4G/5G融合部署的組網(wǎng)方式最能保障用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗。因此，在初期4G和5G的融合過程中必將出現(xiàn)大量的4G/5G天線陣列，以滿足多網(wǎng)初步融合的需求;然后，在5G建設(shè)的中后期，由于大量大規(guī)模陣列天線的應(yīng)用，天面占地資源的進一步緊張，技術(shù)的更新迭代導(dǎo)致之前的頻譜資源會出現(xiàn)重耕現(xiàn)象，將出現(xiàn)越來越多的多網(wǎng)融合的需求。所以，多網(wǎng)融合天線是當前天饋部署的關(guān)鍵解決方案，而大規(guī)模陣列天線是5G時代的關(guān)鍵技術(shù)，它們都將衍生出更多、更為復(fù)雜的天饋，同時也將推動多網(wǎng)融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深度發(fā)展。

　　高頻段頻譜資源會有更高的損耗，也促進天線有源化發(fā)展成為主流?，F(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)普遍采用了無源天線結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，每個天線端口都需要一根獨立的射頻線纜與之相連。當需要獨立控制的天線端口數(shù)逐漸增加時，大量的射頻線纜將給工程實現(xiàn)與后續(xù)運營維護帶來不可想象的障礙。隨著大規(guī)模陣列天線的應(yīng)用，無源天饋部署面臨著天面復(fù)雜、安裝困難、容量和覆蓋要求高等諸多挑戰(zhàn)。為解決上述問題，有源天線產(chǎn)品應(yīng)運而生。有源天線是射頻模塊與天線高度集成的產(chǎn)物，在支持多個頻段一次部署的同時，可以大幅降低整個站點物理設(shè)備的數(shù)量，從而帶來簡化站點、減少站點租金和提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋等好處。同時，在未來網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋和天饋部署中，一方面要求Massive MIMO天線和一體化有源天線等天線系統(tǒng)服務(wù)于宏基站;另一方面無處不在的微基站要求天線和基站設(shè)備高度融合。鑒于上述優(yōu)點，天線有源化已成為4.5G和未來5G網(wǎng)絡(luò)部署的主要發(fā)展方向。

　　由于頻譜資源的進一步釋放，終端系統(tǒng)也將出現(xiàn)百花齊放，天線設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)化、復(fù)雜化和定制化。例如波束陣列(實現(xiàn)空分復(fù)用)、多波束以及多/高頻段。這些都對天線提出了很高的要求，它會涉及整個系統(tǒng)以及互相兼容的問題，在這種情況下天線技術(shù)已經(jīng)超越了元器件的概念，逐漸進入了系統(tǒng)的設(shè)計階段。同時，這也意味著天線可能會實現(xiàn)智能化、小型化(共設(shè)計)和定制化。因為未來的網(wǎng)絡(luò)會變得越來越細分，我們需要根據(jù)周圍的場景來進行定制化的設(shè)計，例如在城市區(qū)域內(nèi)布站會更加精細，而不是簡單的覆蓋。未來通信將會應(yīng)用高頻段，障礙物會對通信產(chǎn)生很大的影響，定制化的天線可以提供更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

　　綜合來說，在未來的天線發(fā)展中，多網(wǎng)融合天線、大規(guī)模陣列天線將大有可為，無源天線向有源化發(fā)展，天線逐漸系統(tǒng)化和復(fù)雜化，以滿足多場景覆蓋的需求以及提供優(yōu)良的通信質(zhì)量。這將是行業(yè)內(nèi)的主要發(fā)展方向。