摘要：從4G 和5G 的發展出發，從大規模陣列天線、天線的可感知、在網天線監控的技術發展、寬帶小型化可電調天線和美化天線的技術前瞻等方面,闡述了未來天線技術的發展路線，為中國移動天線發展提供可靠依據。

1、引言

近年來， 我國移動通信取得了前所未有的非凡成就，建成了全球最大的4G 網絡，5G 網絡蓄勢待發。到2016 年年底，全國4G 基站將達到近300 萬個，其中中國移動150 萬個，中國電信80 萬個，中國聯通70 萬個。

在萬物互聯的5G 時代，智慧城市、無人駕駛、無人工廠、遠程手術--5G 暢想曲越發清晰。5G 網絡的藍圖是100 倍于4G 的高速率，將達到10 Gbit/s、小于1 ms 的低時延、支持1 000 多億連接的高密度和1 000 倍于4G 的高容量。一方面要求massive MIMO（大規模陣列天線技術）天線和一體化有源天線等天線系統服務于宏基站，另一方面無處不在的微基站要求天線和基站設備高度融合。

隨著移動通信從2G、3G、4G 到5G 的不斷發展，移動通信天線也經歷了從單極化天線、雙極化天線到智能天線、MIMO 天線乃至大規模陣列天線的發展歷程。天線作為移動通信網絡的感知器官在網絡中的地位越來越復雜，并且作用也越來越重要。

2、天線的可感知是移動通信天線的一個技術熱點

基站天線的工參準確性對網絡運維和優化具有重要的意義，當前的研究主要集中在這3 個方面：利用電調天線的AISG 線進行供電和回傳，適用于新建電調天線站；采用太陽能或其他方式供電，采用無線回傳，適用于存量站和非電調天線基站；采用人工上站用姿態儀采集數據。

2.1 利用電調天線的AISG 線進行供電和數據回傳

目前基站智能工參研究主要集中于可感知系統實現對天線方位角、機械下傾角、海拔高度、經緯度等參數的實時測量和記錄。其中，海拔高度、經緯度可采用北斗或GPS的方式測量，海拔高度的測量精度一般是5～10 m，經緯度的測量精度一般是5 m。機械下傾角可采用重力加速度計進行測量，測量精度約0.5°，且測量速度快，可用于監測天線姿態。天線方位角的測量比較復雜，幾種可能的實現方式具體如下。

（1）雙GPS 方案

可進行絕對方位角的高精度測量，測量時間約2 min，實時性尚可。但當兩個GPS 接收機之間的距離縮小時，測量誤差快速增大， 比如當雙GPS 設備長度小于200 mm時，測量誤差大于5°，雖然可通過多次測量來提高精度，但實時性明顯變差。如果在射線方向存在遮擋，其測量精度會大大降低。此外，該方案的設備成本較高。

（2）和差波束方案

也可進行絕對方位角的較高精度測量，設備成本比雙GPS 低。缺點是測量時間過長，實時性不滿足要求。如果要求設備小型化，差波束的斜率明顯下降。同樣，射線方向存在遮擋時測量精度同樣降低。

（3）電子羅盤方案

因受工程現場復雜磁環境的影響不能測量絕對方位角，但相對方位角的測量精度很高，約10 s 的測量時間，在3 種方案中耗時最短、實時性最好；設備可以做到不超過雙頻天線的截面積， 滿足一體化設計的小型化要求；成本也比較低。其缺點有兩點，第一不能測量絕對方位角；第二，抗近距離磁環境的干擾能力差，在其設備100 mm 范圍內不能有磁性物質。這種方案不建議采用。

上述3 種方案各有優缺點，現階段成本上比較能夠接收的方案是通過雙GPS 方案進行一次絕對方位角測量，用來對電子羅盤測量的方位角進行校準，可以到達事半功倍的效果。所以，采用電子羅盤和重力加速度計作為可感知技術的基本方案與天線一體化設計，再配合雙GPS 工具做一次性校準的組合方案性價比最高。方案的實現過程如圖1所示。

圖1、可感知天線技術方案實現

該方案通過雙GPS 工具測量絕對方位角，對海拔高度、經緯度進行工程測量和記錄；通過電子羅盤實時監測天線相對方位角，利用雙GPS 工具測量的絕對值校準后可得到實時的絕對方位角；通過重力加速度計實時監測天線的機械下傾角，從而完成了天線工程參數自感知的任務。

以上方案的都有共同的缺點就是工參模塊的供電和數據的回傳依靠電調天線的AISG 線， 對于中國移動大量的存量非電調天線基站無法應用。

2.2 非電調天線基站的無線回傳方式

對于存量站和非電調天線基站的應用場景，中國移動通信集團設計院通過采集模塊利用ZigBee （紫蜂協議）技術進行短距離無線通信，將采集數據傳輸至傳輸模塊。通信基站附近有著復雜的電磁環境， 為了保證數據的可靠、安全傳輸，采集模塊使用了自主研發的抗干擾、頻點探測技術進行通信，同時通信使用AES 加密算法，能夠有效地實現數據的可靠傳輸。

采集模塊利用太陽能為自身供電，太陽能本身會受多方面因素影響，如天氣、太陽能面板朝向、建筑物遮擋、安裝位置等，進而使得不同設備、不同時間獲得的太陽能波動很大，對設備數據采集及電池安全有較大的影響。采集模塊擁有自行設計的智能電源管理算法，能夠根據太陽能獲取情況智能的進行數據采集、傳輸、電池充電，能夠有效地保障設備的工作情況，霧霾天、雨雪天都能正常工作，提高電池效率，延長設備壽命。

3、大規模陣列天線是5G 的關鍵技術之一

5G 網絡的應用可歸為連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠4 個主要技術場景。

連續廣域覆蓋和熱點高容量場景主要滿足2020 年及未來的移動互聯網業務需求， 也是傳統4G 主要的技術場景。低功耗大連接和低時延高可靠場景主要面向物聯網業務，是5G 新拓展的場景，重點解決傳統移動通信無法很好地支持物聯網及垂直行業應用的情況。

3.1 大規模陣列天線仿真分析平臺

由于massive MIMO 天線的有源特性， 很難進行天線性能的測試。為此，中國移動設計院開發了大規模陣列天線綜合仿真分析平臺用于評估各個設備商的5G 天線性能，如圖2 所示。

圖2、大規模陣列天線綜合仿真分析平臺

3.2 大陣列天線的PIM 研究

無源互調（passive intermodulation，PIM）即指當兩個或多個頻率信號經過天線時，由于天線的非線性而引起的與原信號頻率有和差關系的射頻信號。

對于多頻多端口天線，由于互耦效應，可能使得相鄰通道的射頻信號耦合到被測通道內， 從而引入f₃信號，這樣與f₁和f₂信號產生更為復雜的互調信號，現有方法不能體現這種影響。盡管由于隔離度的保證，f₃信號可能較f₁和f₂信號微弱， 但其互調產物的電平究竟處于什么量級，尚無結論。

特別是進入4.5G 和5G 時代以后，大規模陣列天線的應用，端口間的PIM 性能將是影響網絡質量的一個重要因素。在2016 年的IEEE 年會上，中國移動通信集團設計院代表提出了中國移動的PIM 標準立項申請，得到了與會人員的一致贊同，并建立了PIM 標準工作組，主要對PIM 的測量環境以及傳輸PIM 進行研究。因此，有必要對陣列天線的PIM 做進一步研究。

因此，非常有必要圍繞面向LTE-Advanced（長期演進技術升級版）后續演進，推進5G 大規模陣列天線的技術基礎性研究、應用研究、標準化及其產業化進程。在測量和建立大規模陣列天線信道模型、建立和完善技術評估與仿真平臺、設計新型的5G 天線、進一步開發其3D 覆蓋能力、形成系統完整的3D-MIMO 解決方案等多個方面展開工作。

4、在網天線的監控和故障診斷具有網絡運維的生命線地位

天饋系統作為無源設備很難進行監控。基站天饋系統狀態直接影響通話質量、信號覆蓋和基站設備運行。對于天饋系統運行質量缺乏有效的監控和發現問題的手段，主要依據客戶投訴、性能指標等逐級排查發現問題。事實上，除了天線自身電氣和輻射參數對質量的影響外，由于工程維護以及外部干擾等原因， 也會體現到網絡的覆蓋質量上。天線參數影響因素與網絡性能的關聯如圖3 所示。

圖3、天線參數影響因素與網絡性能的關聯

電路特性與輻射特性是基站天線的重要表征指標,例如增益、波瓣寬度、前后比、駐波比、隔離度、三階互調等。隨著天線使用年限的增加以及間斷性的高功率輸入，則會使射頻路徑溫度急速升高，加速其材質老化、導致其輻射特性衰減而影響整個基站系統。天饋產品質量問題受到集團公司和各省公司的重視，但是目前天饋系統并沒有納入中國移動的網絡管理中， 天饋設備一旦安裝到基站現場，很難實現主動監控。

在2G/3G/4G 的系統中，如何通過現網的已有參數（例如MR、話統指標和掃頻數據等） 來對現網的天饋系統進行檢測和診斷，是亟待解決的問題。

隨著3D-MIMO 和5G 大規模陣列天線的應用，天饋系統的在網監控相對變得容易，但其監控也沒有完全做到振子級，天線的輻射性能以及干擾問題還需要通過網絡數據進一步分析，如何通過網絡數據實現天饋系統的檢測與監控也是未來幾年內需要研究的問題。

5、小型化寬頻帶多系統共用電調天線將成為4G 網絡建設的重要方向

進入4G 及4G+時代， 全球多數運營商同時運營多個制式、多個頻段的網絡，導致基站的天面資源更加緊張，在一些高話務量區域已經“天線林立”，新增抱桿困難，再加上民眾對“電磁輻射”的恐慌，選址難、建站難、新增天線更難已成為4G 網絡建設面臨的最大挑戰。另一方面，在一些共用鐵塔或桿塔的站點，天線數量成倍增加，帶來了天饋施工難度增加，系統的可靠性能降低。這些都標志著小型化寬頻帶多系統共用電調天線成為網絡建設的迫切需求。

為滿足不同制式通信系統的混合組網需求， 相關小型化寬頻帶多系統共用電調天線產品需涵蓋到4 端口、6 端口、8 端口、10 端口、12 端口以及外置RCU 等全系列產品。

因此，小型化與寬頻帶化多系統共用電調天線可為不同制式通信系統提供簡便、高度集成的基站天饋系統解決方案。

6、美化天線應用場景及發展方向

隨著LTE 網絡的建設，基站選址日益困難，為解決基站天線安裝困難，基站天線美化成為一個比較理想的解決方案。美化天線的種類主要有兩種加罩美化天線和一體化美化天線。加罩美化天線是指在常規天線外增加外罩的方式進行美化，相當于在天線振子外包圍了兩層外罩;一體化美化天線是指天線振子與天線美化外罩一體化設計，省略二次加罩。

一體化美化天線將天線外罩設計成不同形狀不同顏色的美化外罩， 并與天線輻射單元進行一體化設計優化，從而在保證整體天線輻射及電路性能的前提下，無需額外加裝美化外罩即可達到與周圍環境協調統一的天線。其特點是美化外罩與輻射單元采用一體化整體設計制造，而非常規基站天線與美化外罩的簡單組合。中國移動通信集團設計院在2010 年起就開展了“一體化美化天線研究與試驗”的集團重點課題，2014 年承擔了集團督辦項目“美化天線產品研發及標準編制”，2015 年承擔了采購共享中心的潛在集采天線類型的摸底測試。經過大量的仿真和測試，得出如下結論。

· 一體化天線對天線性能的影響程度明顯低于加罩美化的影響，一體化美化天線與普通天線性能基本相當，可滿足網絡性能的要求。

· 在條件許可的場景下，建議優先選用一體化美化天線，并嚴格按照行業標準和中國移動企業標準進行采購、施工。

· 加罩美化天線相比普通天線在增益、前后比、波束寬度、交叉極化比等指標均有不同程度的下降，尤其是在高頻段、大下傾情況下，性能下降更加嚴重，建議盡量減少使用加罩美化天線。

· 在實際的施工中， 如不得不采用加罩美化天線，建議采用“交鑰匙”的方式實現。以避免在傳統天線美化過程中，基站、天線、美化外罩分屬不同廠商，從而造成天線性能不可控的不利局面。同時，需嚴格規范美化天線罩安裝的準確性與合理性。

7、結束語

可見，未來移動通信天線將向有源化、小型化、陣列化和可感知等方向發展，國內多數天線廠商只著眼于當前的產品技術指標達成，對新技術新產品的布局和開發重視程度不夠，研發資源投入少，導致中國天線在新技術新產品方面落后國外廠商，缺少技術話語權，制約了中國天線產業的可持續發展。作為運營商可以在引導天線技術創新和全球專利布局方向發揮作用，為天線產業從產業大國邁向產業強國貢獻力量。

參考文獻：

[1] PAZ PORTELA N A, RODRIGUEZ DIAZ B. Performancecomparison between the air interfaces of LTE and mobileWiMAX [J]. Latin America Transactions IEEE, 2013, 11 (4):1001-1006.
[2] WANG Y, PEDERSENK I, SORENSEN T B, et al. Carrier loadbalancing and packet scheduling for multi-carrier systems [J].IEEE Transactions on Wireless Communications, 2010, 9 (5):1780-1789.
[3] ZHANG X, SHEN X S, XIE L L. Joint subcarrier and powerallocation for cooperative communications in LTE-advancednetworks [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2014, 13(2): 658-668.
[4] AHMED H, JAGANNATHAN K, BHASHYAM S. Queue-awareoptimalresource allocation for the LTE downlink with best Msubband feedback [J]. IEEE Transactions on WirelessCommunications, 2015, 14(9): 4923-4933.

作者：高峰、王麗芳、朱文濤、和凱，中國移動通信集團設計院有限公司

作者簡介

高峰，男，博士，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師，主要研究方向為天線研究與網絡優化。
王麗芳，女，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師，主要研究方向為移動通信網絡。
朱文濤，男，中國移動通信集團設計院有限公司工程師，主要研究方向為移動通信天饋優化和維護、移動通信產品質量檢測等。
和凱，男，中國移動通信集團設計院有限公司工程師，主要研究方向為天線寬頻帶小型化技術、天線數值分析與優化、移動終端天線、智能天線等。