1 基站天線概述
本章介紹了基站天線的分類方式，移動通信中不同型號天線的外觀
1.1 基站天線分類
全向天線 ：在水平方向圖上表現為360°都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性，在垂直方向圖上表現為有一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在移動通信系統中一般應用與郊縣大區制的站型，覆蓋范圍大。
定向天線 ：在在水平方向圖上表現為一定角度范圍輻射，也就是平常所說的有方向性，在垂直方向圖上表現為有一定寬度的波束，同全向天線一樣，波瓣寬度越小，增益越大。定向天線在移動通信系統中一般應用于城區小區制的站型，覆蓋范圍小，用戶密度大，頻率利用率高。
根據組網的要求建立不同類型的基站，而不同類型的基站可根據需要選擇不同類型的天線。選擇的依據就是上述技術參數。比如全向站就是采用了各個水平方向增益基本相同的全向型天線，而定向站就是采用了水平方向增益有明顯變化的定向型天線。一般在市區選擇水平波束寬度為65°的天線，在郊區可選擇水平波束寬度為65°、90°或120°的天線（按照站型配置和當地地理環境而定），而在鄉村選擇能夠實現大范圍覆蓋的全向天線則是最為經濟的。
機械天線 ：指使用機械調整下傾角度的移動天線。機械天線與地面垂直安裝好以后，如果因網絡優化的要求，需要調整天線背面支架的位置改變天線的傾角來實現。在調整過程中，雖然天線主瓣方向的覆蓋距離明顯變化，但天線垂直分量和水平分量的幅值不變，所以天線方向圖容易變形。
實踐證明：機械天線的最佳下傾角度為1°-5°；當下傾角度在5°-10°變化時，其天線方向圖稍有變形但變化不大；當下傾角度在10°-15°變化時，其天線方向圖變化較大；當機械天線下傾15°后，天線方向圖形狀改變很大，從沒有下傾時的鴨梨形變為紡錘形，這時雖然主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，但是整個天線方向圖不是都在本基站扇區內，在相鄰基站扇區內也會收到該基站的信號，從而造成嚴重的系統內干擾。另外，在日常維護中，如果要調整機械天線下傾角度，整個系統要關機，不能在調整天線傾角的同時進行監測；機械天線調整天線下傾角度非常麻煩，一般需要維護人員爬到天線安放處進行調整；機械天線的下傾角度是通過計算機模擬分析軟件計算的理論值，同實際最佳下傾角度有一定的偏差；機械天線調整傾角的步進度數為1°，三階互調指標為-120dBc。
電調天線 ：指使用電子調整下傾角度的移動天線。電子下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的幅值大小，改變合成分量場強強度，從而使天線的垂直方向圖下傾。由于天線各方向的場強強度同時增大和減小，保證在改變傾角后天線方向圖變化不大，使主瓣方向覆蓋距離縮短，同時又使整個方向性圖在服務小區扇區內減小覆蓋面積但又不產生干擾。實踐證明，電調天線下傾角度在1°-5°變化時，其天線方向圖與機械天線的大致相同；當下傾角度在5°-10°變化時，其天線方向圖較機械天線的稍有改善；當下傾角度在10°-15°變化時，其天線方向圖較機械天線的變化較大；當機械天線下傾15°后，其天線方向圖較機械天線的明顯不同，這時天線方向圖形狀改變不大，主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，整個天線方向圖都在本基站扇區內，增加下傾角度，可以使扇區覆蓋面積縮小，但不產生干擾，因此采用電調天線能夠降低呼損，減小干擾。另外，電調天線允許系統在不停機的情況下對垂直方向性圖下傾角進行調整，實時監測調整的效果，調整傾角的步進精度也較高（為0.1°），因此可以對網絡實現精細調整；電調天線的三階互調指標為-150dBc，較機械天線相差30dBc，有利于消除鄰頻干擾和雜散干擾。
雙極化天線 ：雙極化天線是一種新型天線技術，組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時工作在收發雙工模式下，因此其最突出的優點是節省單個定向基站的天線數量；一般LTE數字移動通信網的定向基站（三扇區）要使用9根天線，每個扇形使用3根天線（空間分集，一發兩收），如果使用雙極化天線，每個扇形只需要1根天線；同時由于在雙極化天線中，±45°的極化正交性可以保證+45°和-45°兩副天線之間的隔離度滿足互調對天線間隔離度的要求（≥30dB），因此雙極化天線之間的空間間隔僅需20-30cm；另外，雙極化天線具有電調天線的優點，在移動通信網中使用雙極化天線同電調天線一樣，可以降低呼損，減小干擾，提高全網的服務質量。如果使用雙極化天線，由于雙極化天線對架設安裝要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直徑20cm的鐵柱，將雙極化天線按相應覆蓋方向固定在鐵柱上即可，從而節省基建投資，同時使基站布局更加合理，基站站址的選定更加容易。
對于天線的選擇，應根據網絡的覆蓋，業務量，干擾和網絡服務質量等實際情況，選擇適合本地區移動網絡需要的移動天線：
· 在基站密集的高話務地區，應該盡量采用雙極化天線和電調天線；
· 在邊、郊等業務量不高，基站不密集地區和只要求覆蓋的地區，可以使用傳統的機械天線。
1.2 移動通信基站天線的內部構造和種類
1.2.1 定向板型振子陣列天線
板狀定向天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優點是：增益高、扇形區方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能可靠以及使用壽命長。天線外形如下圖所示：
圖1-1 板狀定向天線外形示意圖
1.2.1.1 板狀天線高增益的形成
圖1-2 采用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣
圖1-3 在直線陣的一側加反射板實現水平定向原理（以帶反射板的二半波振子垂直陣為例）
目前天線廠家的基站定向天線設計基本全部采用板型振子陣列結構，選用的振子有以下兩種，如下面兩節內容所述。
1.2.1.2 對稱振子
標準的半波對稱陣子（增加一附加振子用以降低振子離地高度，減小天線厚度）
圖1-4 采用多個半波振子合成的定向板狀天線
1.2.1.3 微帶振子
半波振子的變形，利用1/4波長傳輸線原理形成輻射：
圖1-5 采用多個微帶振子合成的定向板狀天線
1.2.2 全向串饋振子天線
全向天線采用多個半波振子串饋方式來實現輻射增益的合成和增強。
圖1-7 全向天線的串饋振子結構和產品形態
2 4G LTE天線類型和對比分析
本節的主要內容是介紹LTE雙極化天線與單極化天線對覆蓋以及流量的對比分析
2.1 LTE雙極化天線和單極化天線相關性分析
LTE多天線技術的引入為無線資源增加了空間維的自由度，同時對無線信道模型提出了新的要求。在3GPP TR 25.996中提出了空間信道模型（Spatial Channel Model, SCM），該模型適用于帶寬是5 MHz和載頻在2 GHz左右的系統，最大多徑個數為6。LTE系統要求無線信道可以支持到20 MHz，因此，在技術報告36.803中使用了SCME（SCM Extention）模型，將信道帶寬擴展到20 MHz，最大多徑個數支持到9。其中，eNB和UE間的無線傳輸特性是個時變函數，它隨著天線配置，天線方向角，天線相關性以及散射環境等變化而變化，如下圖所示。
圖2-1 SCM角度參數示意圖
雙極化天線和單極化天線（天線間距10λ）的無線性能差異主要取決于基站天線的相關系數。當相關系數為0時，表明天線間相對獨立，相關性低。當相關系數為1時，表明天線間具有強相關性。當系統采用發射分集模式（如SFBC），接收分集和MIMO雙流方式時，低相關性天線的無線性能要優于高相關性天線的性能。下圖是相關系數分別為0.25，0.5，0.6和1的SFBC性能仿真結果。從仿真結果來看，當相關系數為0.25時，其性能基本不受影響（和相關系數為0相比）。相關系數為0.5和0.6的SFBC性能下降0.3dB至0.4dB左右。
圖2-2 不同相關系數的SFBC鏈路級性能對比
中國移動于2008年7月對不同天線配置的相關系數進行了測試，具體的相關系數見下表：
表2-1 不同天線配置對應的相關系數
說明：上表中的相關系數是中移根據SCME模型在密集城區測試獲得。在密集城區，此相關系數具有一定的代表性。但并不意味著此相關系數可以映射到某一具體項目，也不意味著此相關系數對所有密集城區的模型都適用。
2.2 LTE雙極化天線和單極化天線性能對比
LTE定義了七種多天線發射模式，包括發射分集，基于預編碼的MIMO, 波束賦型等。LTE定義的七種發射模式，主要就是考慮在不同場景下，不同信道模型下，可以靈活選用發射模式。通常無線移動通信網絡性能的瓶頸和短板分為以下三類：
功率受限系統：
典型應用場景：以增加覆蓋，克服衰落為主要目的，如效區，農村廣覆蓋等
采用天線技術類型：發射分集，接收分集
性能差距：10λ單極化天線比雙極化天線性能提升低于5%，兩者性能差距不大。
干擾受限系統：
典型應用場景：主要應用于密集城區，站間距比較小。干擾是影響網絡性能的主要因素。
采用天線技術類型：RANK=2 MIMO雙流，RANK=1 MIMO單流，RANK自適應
性能差距：RANK自適應算法明顯優于MIMO強制雙流；同時，雙極化天線性能和10λ單極化天線性能基本相當。
帶寬受限系統：
典型應用場景：信道條件（CQI）比較好，基站間沒有形成連續覆蓋，基站的站間距比較大，用戶數比較稀少。如：實驗網初期的單小區覆蓋等，
采用天線技術類型：RANK=2 MIMO雙流
性能比較：10λ單極化天線性能要優于雙極化天線，性能提升在20%左右
表2-2 天線應用場景結論表
上文主要分析了單極化天線和雙極化天線的性能上的差距。但需要注意的是，雙極化天線在工程上具有安裝方便等優勢。包括可以采用單抱桿，統一調整下傾角，容易美化天線等。在目前無線網絡站址選擇和安裝越來越困難的情況下，雙極化天線上述優勢顯得尤其重要。
3 4G LTE基站天線應用場景和選型
本節的主要內容根據實際網絡部署場景，說明無線網絡覆蓋區分類和相應的天線選型
3.1 市區基站天線選擇
應用環境特點：基站分布較密，要求單基站覆蓋范圍小，希望盡量減少越區覆蓋的現象，減少基站之間的干擾，提高下載速率。
天線選用原則：
極化方式選擇：由于市區基站站址選擇困難，天線安裝空間受限，建議選用雙極化天線，寬頻天線；
方向圖的選擇：在市區主要考慮提高頻率復用度，因此一般選用定向天線；
半功率波束寬度的選擇：為了能更好地控制小區的覆蓋范圍來抑制干擾，市區天線水平半功率波束寬度選60~65°；
天線增益的選擇：由于市區基站一般不要求大范圍的覆蓋距離，因此建議選用中等增益的天線。建議市區天線增益選用15-18dBi增益的天線。若市區內用作補盲的微蜂窩天線增益可選擇更低的天線；
下傾角選擇：由于市區的天線傾角調整相對頻繁，且有的天線需要設置較大的傾角，而機械下傾不利于干擾控制，所以建議選用預置下傾角天線。可以選擇具有固定電下傾角的天線，條件滿足時也可以選擇電調天線。
3.2 郊區農村基站天線選擇
應用環境特點：基站分布稀疏，業務量較小，對數據業務要求比較低，要求廣覆蓋。有的地方周圍只有一個基站，覆蓋成為最為關注的對象，這時應結合基站周圍需覆蓋的區域來考慮天線的選型。
天線選用原則：
方向圖選擇：如果要求基站覆蓋周圍的區域，且沒有明顯的方向性，基站周圍話務分布比較分散，此時建議采用全向基站覆蓋。同時需要注意的是：全向基站由于增益小，覆蓋距離不如定向基站遠。同時全向天線在安裝時要注意塔體對覆蓋的影響，并且天線一定要與地平面保持垂直。如果局方對基站的覆蓋距離有更遠的覆蓋要求，則需要用定向天線來實現。一般情況下，應當采用水平面半功率波束寬度為90 °、105 °、120 °的定向天線；
天線增益的選擇：視覆蓋要求選擇天線增益，建議在郊區農村地區選擇較高增益（16-18dBi）的定向天線或9-11dBi的全向天線；
下傾方式的選擇：在郊區農村地區對天線的下傾調整不多，其下傾角的調整范圍及特性要求不高，建議選用機械下傾天線；同時，天線掛高在50米以上且近端有覆蓋要求時，可以優先選用零點填充的天線來避免塔下黑問題。
3.3 公路覆蓋基站天線選擇
應用環境特點：該環境下業務量低、用戶高速移動、此時重點解決的是覆蓋問題。一般來說它要實現的是帶狀覆蓋，故公路的覆蓋多采用雙向小區；在穿過城鎮，旅游點的地區也綜合采用全向小區；再就是強調廣覆蓋，要結合站址及站型的選擇來決定采用的天線類型。不同的公路環境差別很大，一般來說有較為平直的公路，如高速公路、鐵路、國道、省道等等，推薦在公路旁建站，采用S1/1/1、或S1/1站型，配以高增益定向天線實現覆蓋。有蜿蜒起伏的公路如盤山公路、縣級自建的山區公路等等。得結合在公路附近的鄉村覆蓋，選擇高處建站。
在初始規劃進行天線選型時，應盡量選擇覆蓋距離廣的高增益天線進行廣覆蓋。
天線選型原則：
方向圖的選擇：在以覆蓋鐵路、公路沿線為目標的基站，可以采用窄波束高增益的定向天線。可根據布站點的道路局部地形起伏和拐彎等因素來靈活選擇天線形式；
天線增益的選擇，定向天線增益可選17dBi-22dBi的天線，全向天線的增益選擇11dBi；
下傾方式的選擇：公路覆蓋一般不設下傾角，建議選用價格較便宜的機械下傾天線，在50米以上且近端有覆蓋要求時，可以優先選用零點填充（大于15%）的天線來解決塔下黑問題；
前后比：由于公路覆蓋大多數用戶都是快速移動用戶，所以為保證切換的正常進行，定向天線的前后比不宜太高。
3.4 山區覆蓋基站天線選擇
應用環境特點：在偏遠的丘陵山區，山體阻擋嚴重，電波的傳播衰落較大，覆蓋難度大。通常為廣覆蓋，在基站很廣的覆蓋半徑內分布零散用戶，業務量較小。基站或建在山頂上、山腰間、山腳下、或山區里的合適位置。需要區分不同的用戶分布、地形特點來進行基站選址、選型、選擇天線。以下這幾種情況比較常見的：盆地型山區建站、高山上建站、半山腰建站、普通山區建站等。
天線選擇原則：
方向圖的選擇：視基站的位置、站型及周邊覆蓋需求來決定方向圖的選擇，可以選擇全向天線，也可以選擇定向天線。對于建在山上的基站，若需要覆蓋的地方位置相對較低，則應選擇垂直半功率角較大的方向圖，更好地滿足垂直方向的覆蓋要求；
天線增益選擇：視需覆蓋的區域的遠近選擇中等天線增益，全向天線（9-11dBi），定向天線（15-18dBi）；
傾角選擇：在山上建站，需覆蓋的地方在山下時，要選用具有零點填充或預置下傾角的天線。對于預置下傾角的大小視基站與需覆蓋地方的相對高度作出選擇，相對高度越大預置下傾角也就應選擇更大一些的天線。
3.5 LTE基站天線應用場景總結
根據以上的選擇，結合LTE的特殊情況，建議的天線選型原則為：
表3-1 天線應用場景總結
一般情況下，LTE的站址選擇均利用現有的設施，因此是否有足夠空間來安裝LTE天線和高度是否滿足LTE規劃是面臨的最大問題。因此實際工程采用那種極化方式、是否采用寬頻天線、下傾角方式等技術參數，需要對現有設施進行詳細勘查后，根據實際情況進行合理規劃。由于LTE存在MIMO技術，目前常用的包括2T2R和4T4R情況。考慮到建站成本等因素，對于2T2R情況，一般情況下采用雙極化天線；對于4T4R情況，一般情況下采用2個雙極化天線，天線之間的距離1-2λ即可，對應2.6G大約30-50cm之間。
4 5G Massive MIMO AAU和應用場景
本節的主要內容簡述了5G的AAU的天線和應用場景選型
4.1 5G Massive MIMO AAU
4G時代已經非常成熟的多輸入輸出技術（MIMO）可以有效利用在收發系統之間的多個天線之間存在的多個空間信道，傳輸多路相互正交的數據流，從而在不增加通信帶寬的基礎上提高數據吞吐率以及通信的穩定性。
從4G發展到5G時代的Massive MIMO技術是MIMO技術的升級版。在有限的時間和頻率資源基礎上，采用上百個天線單元同時服務多達幾十個的移動終端，更進一步提高了數據吞吐率和能量的使用效率。而5G通信頻率高，天線尺寸隨著縮短，使得原本空間能夠塞下更多的天線數量。Massive MIMO技術奠定了5G時代通信技術的基調，因此天線也成為5G時代繼射頻前端的另一個爆發性增長的器件，其中基站天線占比20%，而終端天線占比80%。
5G基站的由于廣泛采用了Massive MIMO技術，其內部集成的天線采用的振子數量很多，另外集成了收發機單元，因此也稱作有源天線陣列單元（AAU）。其內部結構原理圖和產品形態如下圖所示。
圖4-1 Massive MIMO AAU 結構原理圖
圖4-2 Massive MIMO AAU 產品形態爆炸圖
對于<6GHz頻段的AAU來說，通信設備廠商一般采用192個振子。水平方向共12行，垂直方向有8列振子，再加上±45°雙極化，一共就有12x8x2=192個振子。每三個振子為一組，稱為一副天線，因此該AAU共有192/3=64個天線。如果每6個振子組成一個天線的話，該AAU就有192/6=32個天線。
圖4-3 65TR和32TR AAU 天線振子圖
<6GHz頻段的AAU通常采用全數字波束賦形，可以認為其天線數，發射通道數，功放數是一樣的。陣子數是覆蓋的一個重要因素，陣子數越多，波束就越窄，能量就更集中天線數和通道數越多，AAU內部的功放數也就越多，對基帶資源的消耗也會越大，設備的成本也就越高。
4.2 5G信號衰落模型
3GPP TR 38.901給出了室內熱點辦公區（InH-Office）、城市微蜂窩街道（UMi-Street Canyon）、城市宏蜂窩（Uma）、農村宏蜂窩（RMa）4種場景，每類場景又分非視距（NLOS）和視距（LOS）場景共八種傳播模型。本文選取了城市宏站Uma-LOS/NLOS場景下路徑損耗模型。其中fc工作頻率（GHz），hBS基站天線有效高度（m），hUT移動臺天線有效高度（m），d2D基站與移動臺水平距離（m），d3D基站天線與移動臺天線直線距離（m）。
根據上表中，根據以下公式可以計算出城市宏站不同信道的典型的最大允許路徑損耗（MAPL）。可以看出，5G NR 3.5GHz上下行最大允許路徑損耗差距達到13.65 dB，網絡覆蓋范圍上行受限，且受限于上行PUSCH信道。
PLmax=PTx-Lf+GTx-Mf-Ml+GRx-Lp-Lb-SR
其中PTx基站發射功率，Lf饋線損耗，GTx基站天線增益，Mf陰影衰落和快衰落余量，Ml干擾余量，GRx手機天線增益，Lp建筑物穿透損耗，Lb人體損耗，SRx手機接收靈敏度
4.3 5G AAU應用場景
在密集城區，復雜的無線環境導致干擾惡化，高樓林立導致垂直覆蓋要求高、用戶容量需求大。64TR設備能提供更優的大規模MIMO的波束賦形，實現高流量的多用戶MIMO傳輸，同時可顯著提高垂直維度的覆蓋。在郊區和農村，MU-MIMO配對成功率降低，64TR設備不能充分發揮其容量優勢，因此可采用低配置設備。使用32天線就可以滿足需求了。對于更為偏遠的地區，對容量的要求不高，主要解決覆蓋問題，這時甚至連Massive MIMO都不用了，直接使用8端口RRU接上天線就行。
下圖為某設備廠商提出的場景化網絡覆蓋方案。宏站是最重要的產品形態，64TR AAU解決4G/5G階段持續高容量需求，用低配置32TR AAU解決4G/5G低流量區域、低成本建網需求。室內分布系統產品有2TR和4TR設備，利用現網無源室分系統或者新建等方式，解決高價值、高流量的室內場景。此外，微站基站4TR射頻單元（RRU）產品廣泛應用于居民區、步行街等補忙補熱場景。
圖4-4 某設備廠商的場景化網絡覆蓋解決方案
從第4.2節的計算結果可以看到，3.5 GHz頻段5G NR上行覆蓋受限，主要受終端功率受限影響，考慮到未來5G推出后的一段時間內上下行業務速率要求仍存在不對稱的情況（下行速率要求遠高于上行），為保持現有網絡結構不變、減低建網成本，使得運營商能在4G現網站點上快速疊加部署5G，可采用上下行解耦（SUL）的方式解決存在上行覆蓋瓶頸的問題。即上行利舊LTE設備，重耕1.8 GHz FDD部分帶寬為5G NR提升覆蓋，下行則在3.5 GHz頻段部署5GNR。
圖4-5 上下行使用不同頻段解耦解決方案
粵公網安備 44030902003195號