【摘要】：隨著各地市逐步啟動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)組建，5G網(wǎng)絡(luò)商用也距離我們越來越近，中國移動(dòng)宣稱2020年實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)預(yù)商用，各設(shè)備廠家關(guān)于5G設(shè)備的研發(fā)也接近尾聲，5G天線設(shè)備在5G通信網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要的作用，為未來5G通信提供強(qiáng)有力的保障。本文簡要概述了移動(dòng)通信基站天線的演進(jìn)，及5G天線發(fā)展的趨勢，簡單介紹了5G天線的關(guān)鍵技術(shù)，最后結(jié)合實(shí)際測試及理論數(shù)據(jù)給出了未來5G天面設(shè)備在不同場景下的部署建議。
【關(guān)鍵詞】：5G天線 Massive-MIMO 波束成形 波束管理 天線場景化部署建議
1 5G天線發(fā)展趨勢
1.1移動(dòng)通信基站天線介紹及演進(jìn)
隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)展，天線設(shè)計(jì)工程師需要不斷根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求設(shè)計(jì)不同的基站天線，天線技術(shù)一直伴隨著過去幾代通信系統(tǒng)的發(fā)展在演進(jìn)。
第一代通信系統(tǒng)基本采用全向天線，主要滿足少量用戶及低速率傳輸；第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)步入蜂窩通信時(shí)代，基站天線由全向天線向定向天線演進(jìn)，常見波瓣寬度為60度、90度和120度；1997年，基站建設(shè)開始使用雙極化天線（±45°交叉極化），與上一代天線相比，性能大大提高；進(jìn)入3G時(shí)代，通信系統(tǒng)復(fù)雜化程度提高，多頻段共存需求凸顯，多頻段天線登上舞臺(tái)，為了降低成本及節(jié)約天面空間，多頻段天線成為基站建設(shè)主流選擇，并且延續(xù)至今；MIMO（多入多出技術(shù) Multiple-input Multiple-output）天線系統(tǒng)于2013年首次被提出，MIMO技術(shù)對(duì)通信容量的提升起到了極大的幫助，陣列天線和多頻段天線逐漸取代了單天線在基站天線系統(tǒng)中的地位。
1.2 5G天線性能需求
根據(jù)通信行業(yè)內(nèi)統(tǒng)計(jì)預(yù)測，我國流量將在2020年較目前增長8倍，到2030年我國流量較目前呈上百倍增長，各種豐富的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、手機(jī)APP的不斷更新發(fā)展等因素促使移動(dòng)通信無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)瘋狂增長，同時(shí)無線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的增長給現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無線接入帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，這也迫使5G移動(dòng)通信系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于有效利用帶寬資源和顯著的提高頻譜效率。
根據(jù)目前各地實(shí)驗(yàn)網(wǎng)部署顯示，大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)（Massive MIMO）成為5G網(wǎng)絡(luò)部署必然選擇。使用大規(guī)模天線能夠使通信基站的空間復(fù)用能力更強(qiáng)，并且大規(guī)模天線可以在傳播空間內(nèi)形成高增益窄細(xì)波束，有效抑制用戶與用戶之間的干擾，同時(shí)增強(qiáng)接收信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量和頻譜效率。
未來5G系統(tǒng)部署，將促進(jìn)無源天線向有源天線演進(jìn)。有源天線將射頻模塊與天線一體化，使建站部署變得更為簡化，也明顯減少饋線損耗，通過這一改進(jìn)手段，能夠使天線覆蓋能力提升10%以上。由于現(xiàn)網(wǎng)基站天面空間資源緊張，將多個(gè)頻段融合到一面天線內(nèi)能夠有效解決，并且能夠明顯降低運(yùn)營維護(hù)成本和減少基站部署時(shí)間。
為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)需求，5G天線從無源向有源演進(jìn)，單天線向多陣列天線發(fā)展的同時(shí)，還需要5G天線做得小型化、系統(tǒng)化、實(shí)現(xiàn)自調(diào)諧、波束成形、多頻段、寬帶寬等。
2 5G天線主要技術(shù)特性分析
2.1 大規(guī)模天線陣列（Massive-MIMO）
在單一天線相互通信的通信系統(tǒng)中，外部環(huán)境復(fù)雜，電磁波經(jīng)過多路徑傳播后接收點(diǎn)可能出現(xiàn)相位偏移或反轉(zhuǎn)，減弱接收端信號(hào)，使信道衰落加強(qiáng)，直接影響用戶通信質(zhì)量。當(dāng)基站天線使用大規(guī)模天線陣列的時(shí)候，數(shù)十、數(shù)百天線可供用戶使用。各自獨(dú)立的天線相當(dāng)于獨(dú)立的傳播信道，同時(shí)陷入衰落的概率大大降低，用戶通信質(zhì)量得到有效改善和提升。
目前，工業(yè)和信息化部已明確，6 GHz以下的頻段是每個(gè)運(yùn)營商連續(xù)覆蓋部署5G通信的主要頻段，但是由于TD-LTE的部署致使sub-6GHz帶寬資源極為有限，且5G通信系統(tǒng)帶寬需求不低于100MHz，為了確保5G信號(hào)連續(xù)覆蓋，高熱高密度區(qū)域深度覆蓋，5G通信系統(tǒng)必然會(huì)在高頻段適量部署，即毫米波段（mm Wave）。接收功率受到發(fā)射功率、天線增益、傳播距離、發(fā)射頻率等因素影響，呈現(xiàn)為Friis公式。
根據(jù)上述公式可以得出：
1、當(dāng)基站側(cè)的發(fā)送功率恒定時(shí)，用戶接收側(cè)的接收功率與波長的平方，基站側(cè)發(fā)送天線增益和用戶接收天線增益成正比例關(guān)系，與基站側(cè)發(fā)射天線和用戶接收天線之間的距離的平方成反比例關(guān)系。
2、在固定頻率內(nèi)，天線有效橫截面積越大，天線獲得的增益將越大。
目前國內(nèi)各通信系統(tǒng)均使用6GHz以下頻段，無線電波均為分米波或厘米波，而5G系統(tǒng)在高頻段部署時(shí)將使用毫米波，相當(dāng)于現(xiàn)有通信制式，高頻段5G損耗將會(huì)更大，信號(hào)衰減更嚴(yán)重。由于：1、國家對(duì)天線發(fā)射功率限制，無法隨意更改發(fā)射功率；2、天線接收和發(fā)射增益也受限于材料及物理規(guī)律；3、發(fā)射端與接收端距離不可控等諸多因素限制。目前業(yè)界內(nèi)可行方案僅為增加收發(fā)天線數(shù)量，設(shè)計(jì)大規(guī)模陣列天線系統(tǒng)。
3GPP對(duì)Massive-MIMO引入5G通信系統(tǒng)的目的給出了系統(tǒng)性概括：
Ø 5G通信將使用高頻段無線電波，路徑傳播損耗越來越大
Ø 由于使用的頻段增高，理論上5G天線的設(shè)計(jì)尺寸將變得更小
Ø 因?yàn)樘炀€的尺寸變得更小，同樣空間內(nèi)可以放入更多的天線來克服更大的路徑傳播損耗
Ø 多天線的應(yīng)用能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，同時(shí)明顯減少干擾
Ø 當(dāng)無線電波頻率在10GHz以上，信號(hào)的主要傳播方式不會(huì)再是電磁波衍射并且在非視距傳播場景下，信號(hào)主要傳播方式變成了反射和散射
Ø 在高樓密布的密集城區(qū)場景下，室內(nèi)場景幾乎無法通過室外宏基站解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋，使用室內(nèi)Massive-MIMO能夠通過波束管理和波束成形等技術(shù)使室內(nèi)信號(hào)得到明顯提升，對(duì)周邊干擾也能得到有效減少。
與中國移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)相比較，由于4G網(wǎng)絡(luò)使用頻段為1.9GHz、2.6GHz或者900MHz，頻段明顯優(yōu)于5G通信所使用的毫米波段，故4G天線無需使用大規(guī)模天線陣列以克服過大的路徑傳播損耗，目前4G基站主要使用天饋設(shè)備型號(hào)為8TR、4TR、2TR。
香農(nóng)（Shannon）公式：
C：信息傳送速率 BW：信道帶寬 S：信號(hào)功率 N：噪聲功率
決定信息傳送速率的主要因素是信道帶寬和信噪比。目前中國移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)單載波為20MHz，而5G網(wǎng)絡(luò)不低于100MHz，由于4G帶寬的限制，采用大規(guī)模陣列天線實(shí)現(xiàn)速率提升需求相比于5G網(wǎng)絡(luò)不那么強(qiáng)烈。
綜合上述與4G網(wǎng)絡(luò)在頻段、帶寬上的差異，4G天線無需使用大規(guī)模天線陣列亦能滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，為用戶提供高質(zhì)量可靠的通信服務(wù)，而大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)可謂是為未來5G通信的大幅飛躍推波助瀾。
2.2 波束成形與管理技術(shù)
大規(guī)模天線陣列設(shè)計(jì)是將大量高頻段天線集中布放在單面天線內(nèi)，出于對(duì)工程建設(shè)需求考慮，天線設(shè)計(jì)尺寸不能過大，所以大量天線發(fā)射能量集中在相對(duì)狹窄的區(qū)域內(nèi)。為了確保大規(guī)模天線陣列中各天線信號(hào)不會(huì)相互干擾，就需要天線陣列中天線的波束足夠窄，指向性明確。如果高增益窄波束與用戶無法對(duì)準(zhǔn)，那么用戶接收信號(hào)會(huì)明顯降低，所以5G通信必須確保波束能夠與用戶精確對(duì)準(zhǔn)。
波束成形（Beam Forming）技術(shù)是通過對(duì)天線相位進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，讓電波信號(hào)能夠形成有用的疊加從而增強(qiáng)信號(hào)的增益，讓高頻段電波傳播損耗過大的問題得到有效的改善，保證用戶接收端能夠接收到高質(zhì)量的5G信號(hào)。
圖2.1
（圖片示意來源于網(wǎng)絡(luò)）
由于5G天線使用大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)，當(dāng)波束成形以后，為保證用戶接收信號(hào)最佳，基站需要精確定位用戶，并確保天線波束對(duì)準(zhǔn)用戶。此時(shí)基站將發(fā)射不同方向波束，當(dāng)用戶接收端接收到不同波束后將相關(guān)信息報(bào)告給基站，以便尋找到用戶接收到的最佳指向波束，精確匹配最佳指向波束的整個(gè)過程稱為波束掃描（Beam Sweeping）。
圖2.2
5G標(biāo)準(zhǔn)中允許用戶根據(jù)需求選擇最佳發(fā)射波束，形成一對(duì)最佳發(fā)射-接收波束，如圖2.2所示，用戶1最佳波束為（T2,R2），用戶2最佳波束為（T5,R1）。
因?yàn)榇笠?guī)模天線陣列中天線數(shù)量極多，逐一掃描顯得效率低下，與5G期望相違背，所以5G標(biāo)準(zhǔn)采用了分級(jí)掃描，由寬到窄掃描。
分級(jí)掃描分兩步進(jìn)行：
Ø 粗略掃描：將天線多個(gè)窄波束劃分為少量寬波束，確定用戶對(duì)準(zhǔn)最佳寬波束，該步驟對(duì)準(zhǔn)精度不高
Ø 精細(xì)掃描：經(jīng)過粗略掃描后在用戶匹配最佳寬波束中逐一掃描包含于其中的窄波束，尋找到與用戶匹配的最佳波束。
圖2.3
如圖2.3所示，經(jīng)過粗略掃描后基站寬波束TA、TB分別對(duì)準(zhǔn)用戶1和用戶2；再通過精細(xì)掃描逐一掃描寬波束TA中T1~T4，寬波束TB中T5~T8。對(duì)于單個(gè)用戶而言，如果不采用分級(jí)掃描最多將掃描8次，分級(jí)掃描最多掃描6次。使用分級(jí)掃描明顯提高掃描效率，通信連接質(zhì)量有效提高。
如果當(dāng)用戶正好處于2個(gè)窄波束之間，基站精細(xì)掃描與信息反饋同步，根據(jù)反饋的信息預(yù)估最佳波束方向。采用波束估計(jì)算法能有效的避免或減少基站進(jìn)一步細(xì)化掃描的可能，實(shí)現(xiàn)快速波束管理。
目前在中國移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中普遍部署8通道、4通道天線設(shè)備，相比5G網(wǎng)絡(luò)，天線發(fā)射的波束更寬，單個(gè)波束更容易與用戶對(duì)準(zhǔn)，在波束管理算法上更加簡約。而5G網(wǎng)絡(luò)中天線系統(tǒng)內(nèi)集合大量高頻段天線，發(fā)射出大量的窄細(xì)波束，此時(shí)要想使移動(dòng)狀態(tài)下的用戶精確對(duì)準(zhǔn)并根據(jù)需要自由切換接收波束就需要復(fù)雜的波束管理可以根據(jù)用戶需求隨時(shí)響應(yīng)。
3 5G天線性能測試分析與應(yīng)用場景建議
3.1 5G天線測試結(jié)果和分析
在測試前提條件為：2.6GHz—SCS-30KHz 100MHz 發(fā)射功率53dBm UE-26dBm S配備6:4:4 5ms幀結(jié)構(gòu) 192振子；3.5GHz—SCS-30KHz 100MHz 發(fā)射功率53dBm UE-26dBm S配備10:2:2 2.5ms雙周期 192振子；單用戶峰值速率：UL-2流64QAM,DL-4流256QAM。測試及理論數(shù)據(jù)如下：
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測試參數(shù) |
2.6GHz |
3.5GHz 2.5ms 雙周期 |
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8通道 |
16通道 |
64通道 |
64通道 |
||
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小區(qū)平均速率（Mbps） |
上行 |
94 |
139 |
242 |
333 |
|
下行 |
313 |
471 |
979 |
704 |
|
|
小區(qū)理論峰值速率（Mbps） |
上行 |
380 |
380 |
760 |
1140 |
|
下行 |
1722 |
3444 |
6888 |
6040 |
|
|
單用戶理論峰值速率（Mbps） |
上行 |
190 |
190 |
190 |
285 |
|
下行 |
1722 |
1722 |
1722 |
1510 |
|
|
邊緣速率（Mbps） |
上行 |
0.19 |
0.43 |
0.7 |
0.143 |
|
下行 |
41.9 |
64.3 |
81 |
21 |
|
|
空口時(shí)延（ms） |
上行 |
5 |
5 |
5 |
3.5 |
|
下行 |
3 |
3 |
3 |
2.5 |
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|
農(nóng)村覆蓋半徑（Km） |
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1.4 |
1.7 |
2.2 |
1.52 |
表3.1
（數(shù)據(jù)來源：中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司測試）
由表3.1數(shù)據(jù)可以得出：在相同測試條件下，5G 2.6GHz較3.5GHz覆蓋能力強(qiáng)6-8dB左右。
Ø 小區(qū)平均速率：2.6GHz NR 64通道上行平均速率為242Mbps，是2.6GHz 8通道的2.6倍，2.6GHz 16通道的1.8倍，3.5GHz 64通道的0.7倍；2.6GHz NR 64通道下行平均速率為979Mbps，是2.6GHz 8通道的3.1倍，2.6GHz 16通道的2.1倍，3.5GHz 64通道的1.4倍。當(dāng)采用64TR設(shè)備時(shí)，小區(qū)平均速率明顯由于其他8TR、16TR設(shè)備，能夠?yàn)橛脩籼峁└淤|(zhì)量穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)使用體驗(yàn)。
Ø 小區(qū)峰值速率：2.6GHz NR 64通道上行峰值速率為760Mbps，是2.6GHz 8通道的2倍，2.6GHz 16通道的2倍，3.5GHz 64通道的0.7倍；2.6GHz NR 64通道下行峰值速率為6888Mbps，是2.6GHz 8通道的4倍，2.6GHz 16通道的2倍，3.5GHz 64通道的1.1倍，64TR設(shè)備為能夠?yàn)橛脩籼峁└蛹彼俚纳暇W(wǎng)體驗(yàn)。
Ø 單用戶峰值速率：2.6GHz NR 64通道單用戶上行峰值速率為190Mbps，與2.6GHz 8通道相同，2.6GHz 16通道相同，是3.5GHz 64通道的0.7倍；2.6GHz NR 64通道單用戶下行峰值速率為1722Mbps，與2.6GHz 8通道相同，2.6GHz 16通道相同，是3.5GHz 64通道的1.1倍。
Ø 密集城區(qū)350米站間距邊緣速率：2.6GHz NR 64通道上行邊緣速率為0.7Mbps，是2.6GHz 8通道的3.7倍，2.6GHz 16通道的1.6倍，3.5GHz 64通道的4.9倍；2.6GHz NR 64通道下行邊緣速率為81Mbps，是2.6GHz 8通道的1.9倍，2.6GHz 16通道的1.3倍，3.5GHz 64通道的3.9倍。
Ø 農(nóng)村覆蓋半徑：2.6GHz NR 64通道覆蓋半徑為2.2Km，是2.6GHz 8通道的1.6倍，2.6GHz 16通道的1.3倍，3.5GHz 64通道的1.4倍。
根據(jù)測試及理論值顯示，64TR設(shè)備相比16TR設(shè)備增益高出約3dB，設(shè)備容量約高出2倍，2.6GHz NR采用16TR和64TR設(shè)備均能實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)網(wǎng)TD-LTE共站連續(xù)覆蓋。
3.2 5G天線應(yīng)用場景建議
密集城區(qū)高熱、流量密度高、建筑物密集易產(chǎn)生多徑效應(yīng)、電波傳播復(fù)雜。根據(jù)中國移動(dòng)4G部署情況來看，在多數(shù)密集城區(qū)場景下已經(jīng)部署64TR設(shè)備（3D-MIMO），4G 3D-MIMO的部署，明顯緩解了密集城區(qū)的容量不足、多徑效應(yīng)的短板，在4G網(wǎng)絡(luò)中64TR設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)了20%左右。
圖3.1（基于4G業(yè)務(wù)上行256Kbps/下行1Mbps）
結(jié)合測試數(shù)據(jù)及關(guān)鍵技術(shù)特性分析，密集城區(qū)5G網(wǎng)絡(luò)部署建64TR天線設(shè)備，能夠具備更強(qiáng)的發(fā)射、繞射能力及抗干擾能力，更適合密集城區(qū)的復(fù)雜環(huán)境。相比16TR設(shè)備，64TR設(shè)備增加了垂直維度波束成形，垂直維度覆蓋達(dá)到60-110米，非常適合密集城區(qū)高樓眾多，容量需求大的場景。
一般城區(qū)及縣城相對(duì)密集城區(qū)流量密度需求較低，電波傳播環(huán)境復(fù)雜度降低，用戶數(shù)減少，參照測試數(shù)據(jù)，在一般城區(qū)及縣城部署16TR設(shè)備，覆蓋性能基本優(yōu)于TDD1.9G，當(dāng)站間距為350米時(shí)，小區(qū)邊緣速率等夠達(dá)到64.3Mbps，且單用戶理論峰值速率與64TR相當(dāng)，小區(qū)平均速率約為64TR設(shè)備50%。即在一般城區(qū)及縣城城區(qū)部署5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用16TR設(shè)備，不僅能夠滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋及容量，同時(shí)還兼顧了投資成本，真正做到收益、投資、需求的綜合平衡。
鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)流量需求小、電波傳播空間場景單一，高速率應(yīng)用需求較城區(qū)變小，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村一般以低層建筑物為主，8TR設(shè)備農(nóng)村覆蓋半徑能夠達(dá)到1.4Km，理論站間距設(shè)置可以高達(dá)2Km，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前中國移動(dòng)農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)的4G平均站間距設(shè)置。所以根據(jù)測試結(jié)果及目前中國農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展現(xiàn)狀，建議在核心鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)可選擇性使用16TR設(shè)備，以確保用戶密集的鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域信號(hào)覆蓋及容量達(dá)到5G所期望的效果；在一般鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村區(qū)域建議共址現(xiàn)有4G站址部署8TR設(shè)備，既保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，又能獲得更高的性價(jià)比。
參考文獻(xiàn)：
（1） 英特爾中國研究院.《解析5G背后的核心技術(shù)：波束成形》.雷鋒網(wǎng).2017年5月
（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》【J】.電子科技.2015年.28卷4期