浅谈移动基站天线及发展趋势

(中邮科通信技术股份有限公司 福建 福州 350000)



浅谈移动基站天线及发展趋势

范叔亮

(中邮科通信技术股份有限公司福建福州350000)

随着无线通信技术的不断发展，高速数据业务以及无处不在的接入需求正呈现出一种爆炸式的增长，每一代通信网络的发展都是技术的突破和观念的创新。本文主要浅谈移动基站天线(宏站)的发展历程以及所衍生的天线新技术，通过市场技术需求演进勘测未来天线的发展趋势。

天线；宽频小型化；双极化；MIMO；智能；基站一体化；5G天线

一、引言

天线(antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。天线作为无线电通讯的发射和接收设备，直接影响电波信号的质量，因而，天线在无线电通讯中占有极其重要的地位。一个结构合理，性能优良的天线可以最大限度地发挥整个站点的覆盖优势，从而节约系统成本，同时可以提高整个无线系统的性能。然而，随着现代化城市的发展，高层建筑物日益增多，天线所处的电磁环境日益复杂化，运营商为了移动通信系统的信号质量，对天线的各项性能要求也不断提高。因此，当前移动基站天线的设计倍受关注，其代表着天线最前沿的技术及最先进的理念。

二、移动基站天线发展简史

什么是天线？

1.将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波；

2.将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。

图一：天线示意图

随着移动通信天线的发展及通信网络的更迭，每一代天线的发展都是技术的突破和观念的创新。室外宏站天线(基站天线)由早期的全向天线/单极化定向天线慢慢演进成双极化天线、多频天线；随着3G/4G网络的到来，智能天线、MIMO天线、2G/3G/4G多网共用天线逐渐兴起并被大力的投入投用；面对5G的到来，天线技术还有很长的一段路要走。

以下为近代移动基站天线的发展简史，详见图二。

图二：基站天线发展史简图

三、移动基站天线新技术

(一)超宽频小型化天线

随着站址资源的稀缺以及人们对天线视觉和电磁污染的重视程度越来越高，基站天线小型化成为一种趋势。由于站址资源的稀缺，多系统共站/多系统共用天线的课题相应地提了出来，超宽频、小型化正是在此背景下衍生出来的。天线的宽频化使得多系统共站以及多系统共天线成为了可能，这也有效缓解了运营商站址资源选择困难这一难题；其次，通过多系统共站共用天线可有效降低天线成本。多频天线在一定程度上增加了天线重量与迎风面积，因此如何设计较轻且具有较小风载荷的多频天线，是超宽频小型化天线发展的重要方向。

(二)双极化电调天线

双极化电调天线是一种组合的天线技术，它利用电磁波垂直极化的非相干性和移动通信系统电波传输的多经等特点，组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线并同时在收发双工模式下工作，通过手动电调或者远程遥控电调的方式改变天线的下倾角，促使天线方向图达到下倾覆盖的目的。因此其最突出的优点是节省单个站址的天线数量；可远程遥控电下倾角，避免人工作业爬塔的风险。从而节省基建投资，同时使基站布局更加合理，基站站址的选定更加容易。双极化电调天线已经是运营商进行网络覆盖的理想选择，在实际工程中已大规模的应用。

图三：手持控制器远程遥控电调示意图

(三)MIMO天线

所谓的MIMO，是Multiple Input Multiple Output(多入多出)的缩写，指无线网络讯号通过多重天线进行同步收发，所以可以增加传输输率。

图四：MIMO天线原理图

MIMO天线相较传统天线优势：

1.提高信道的容量

MIMO接入点到MIMO客户端之间，可以同时发送和接收多个空间流，信道容量可以随着天线数量的增大而线性增大，因此可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。

2.提高信道的可靠性

利用MIMO信道提供的空间复用增益及空间分集增益，可以利用多天线来抑制信道衰落。多天线系统的应用，使得并行数据流可以同时传送，可以显著克服信道的衰落，降低误码率。

多天线(MIMO)技术是移动通信系统发展的方向，在3G和4G研究中，MIMO技术都是一项关键技术。MIMO技术可以大大增加无线通信系统的容量，并有效改善无线通信系统的性能，非常适合移动通信系统中对高速率业务的要求。

(四)智能天线

所谓“智能天线”，通常是指带精密信号处理器的天线阵，它可以调整或自适应其波束方向图，目的是增强感兴趣的信号和减小干扰信号。智能天线技术前身是一种波束成形(Beamforming)技术。波束成形技术是发送方在获取一定的当前时刻当前位置发送方和接收方之间的信道信息，调整信号发送的参数，使得射频能量向接收方所处位置集中，从而使得接收方接收到的信号质量较好，最终能保持较高的吞吐量。

智能天线通常包括切换波束系统和自适应波束形成系统。切换波束系统有几个可用的固定波束方向图。根据系统要求，判决哪个波束在任何预定的时间点接入；自适应波束形成系统让天线将波束调向感兴趣的方向，而将干扰信号零陷。

智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。

智能天线系统的核心是智能算法，智能算法决定瞬时响应速率和电路实现的复杂程度，因此重要的是选择较好算法实现波束的智能控制。通过算法自动调整加权值得到所需空间和频率滤波器的作用。

定向智能天线一般至少为8+1端口，其中8个为辐射端口，1个端口为校准端口。智能天线含有三个重要辐射特型，即单元波束/广播波束/业务波束。通过校准端口输入不同的幅度相位权值，可改变智能天线方向图特性，即自适应或以预制方式控制波束宽度、指向和零点位置，使波束指向期望的方向，实现对移动用户的波束跟踪，并自动地抑制干扰方向的副瓣电平。

随着4G网络的大量建设，智能天线(FA、单D、FA/D、FAD、GSM+DCS+FA/D天线)大规模运用于4G网络建设。

(五)基站一体化美化天线

移动通信建设与城市环境和小区居民之间的矛盾使得传统的裸露天线已经不能满足现代社会发展和通信建设的需要，因此，如何对天线加以处理来消除负面影响越来越受到各方面的关注。经过实践证明，美化天线是最好的解决方案。

美化天线也叫作“伪装天线”“隐蔽天线”，即在不增加传播损耗的情况下，通过各种手段对天线进行伪装，修饰来达到美化的目的，使之融入周围环境，既美化了城市的视觉环境，也减少了居民对电磁环境的恐惧和抵触，保证通信的质量。

据不完全统计，在城市建设中，至少30%以上的站点常规基站天线无法顺利进驻小区，需要通过美化天线(如：排气管型美化天线、方柱型美化天线等)来达到隐蔽覆盖的效果。中国电信已进行了基站一体化美化天线的集采，中国移动也已规划2017年初集采美化天线，由此可见，美化天线已经越来越受到运营商的重视。

(六)未来通信天线(5G天线)

根据预测到2020年，业务量将为目前业务量的1000倍，基于此，需要提升宽带无线接入网的能力，适应未来用户业务需求。从2G/3G到4G，每一代系统的更新，都伴随着新技术的更新，都是为了解决当时最主要的需求。5G(后4G)时代，小区越来越密集，对容量、耗能和业务的需求越来越高。对于高速发展的数据流量和用户对带宽的需求，现有4G蜂窝网络的多天线技术(8端口MU-MIMO、CoMP)很难满足需求。最近的研究表明，在基站端采用超大规模天线阵列(比如数百个天线或更多)可以带来很多的性能优势。这种基站采用大规模天线阵列的MU-MIMO被称为大规模天线阵列系统(Large Scale Antenna System，或称为Massive MIMO)。Massive MIMO天线相对于传统基站天线或者传统一体化有源天线，其形态差异为阵列数量非常庞大、单元具备独立收发能力，相当于更多天线单元(128根、256根或者更多)实现同时收发数据。

大规模天线阵列可通过以下研究方向，摸索未来通信天线(5G天线)的雏形。

1.稀疏阵列综合、仿真、优化技术。小型化的大规模MIMO阵列基站天线将在较小的区域内排布数百个天线单元，紧凑的天线之间的互耦效应会削弱天线空间分集的效果，制约大规模MIMO提升传输速率的能力。为了减少天线单元件的互耦，对基站天线阵面进行稀疏化设计，增大天线单元间距且不改变阵列的辐射性能。

2.共形阵列天线技术。考虑到微基站的使用场景，小型化、共形和美化设计等是该类产品的切实需求。常规阵列通常排布在直线或平面之上，外形常常显得突兀。为了保证基站的隐形化美观化，利用共形技术将阵列按照建筑物、路灯、电杆等任意外形物体的表面排布是较好的解决方案。

3.天线罩赋形技术，天线与天线罩一体化设计技术。采用天线罩赋形技术，设计具有复杂内壁花纹的天线罩，以实现对基站天线性能的提升。

大规模天线技术，基于有源天线和3D-MIMO技术，能够大幅度提升无线通信频谱效率和功率效率，是支撑5G移动通信最具潜力的研究方向。

四、移动基站天线技术需求演进

表一 技术需求

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2G/3G/4G多网共用天线端口数2+2+8+1个或2+2+16+2个关键电气性能指标项≥50项

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从表一可见，随着移动通信天线的发展，每一代天线的发展都是技术的突破和观念的创新，天线的端口数及电气性能要求也越来越趋于复杂化，对天线工程师及集成商的技术挑战也越来越高。

五、结语

随着无线通信技术的不断发展，每一代通信网络的发展都是技术的突破和观念的创新。本文通过浅谈基站天线，总结了基站天线的发展历程以及2G/3G/4G/5G网络中运用到的关键技术，剖析了天线技术的发展趋势。

虽然5G天线的研究方兴未艾，未来天线设计受到广泛关注，随着天线技术的发展以及运营商对通信系统信号质量的要求越来越高，天线技术将成为传统设备商捍卫通信市场最终的舞台。

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