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移动通信天线顺应多网融合发展新趋势


作者:李萌 来源:人民邮电报 2018-03-09 15:05:15 填写您的邮件地址,订阅我们的精彩内容:

摘要:移动互联网业务如火如荼发展,极大地带动了移动用户量和话务量的迅猛增长。这也对新一代移动通信系统的系统容量、传输速率以及系统稳定性等提出了更高的要求。

关键词:移动通信[114篇]  天线[331篇]  多网融合[1篇]  

  移动互联网业务如火如荼发展,极大地带动了移动用户量和话务量的迅猛增长。这也对新一代移动通信系统的系统容量、传输速率以及系统稳定性等提出了更高的要求。目前,移动通信行业正处于5G大规模研发的投入期,并且取得了很多阶段性的进展。在2020年5G移动通信系统商用之后,市场将会是2G、3G、4G和5G通信系统大量共存的局面。考虑到极其紧缺的站址资源,以及更加全面的网络覆盖,面向多网融合的移动通信天线应用与部署策略是值得探讨的,而且有很大的工程意义和市场价值。

  移动通信天线发展现状

  天线是一种射频导行波与自由空间的无线电磁波之间的转换器。移动通信天线更是移动通信中的“千里眼”和“顺风耳”,其设计的优劣将直接影响整个移动通信系统提供给移动用户的通信服务好坏。在移动通信系统中,天线是不可或缺的,是移动用户与基站相关设备连接的出入口,也是移动用户间相互联系的桥梁。

  随着城市化进程的加快,各地高楼大厦不断涌现,通信环境变得越来越复杂,易受地形地貌、建筑物等影响的多径效应也越来越明显。为了解决多径衰落问题,现在基站天线多采用极化分集技术。目前,在实际应用中,基站天线都需要有一定程度的波束下倾,由于电调天线在不同下倾角的辐射性能变化不大,不但很容易调整方向图,而且便于后期的网络维护、优化等工作,现在大部分的基站天线都采用了双极化电调天线。同时,在近几年,移动通信系统是2G、3G、4G共融共存三足鼎立的局面。随着即将展开的5G试验网的部署,网络需要的天线数量越来越庞大,移动通信基站的站点资源越发紧张,运营商站点寻址的成本不断上涨,使得应用多网融合的天馈系统解决方案势在必行。部署具备多网融合功能的天线,可轻松利用已有站点天面资源,完成部署,大幅度降低网络建设的成本。

  为满足市场的迫切需求,业内的主流天线厂家已在研发支持多网络融合解决方案的天线产品。因多网并存、应用环境的复杂化,并且为实现精细化的网络覆盖,保证通信质量,提升用户体验,网络优化的工作变得越来越繁重。因此,网络优化等部门有这样的诉求:希望设备端在远端即可获取更多的天馈工程参数,从而避免人工上站测量,大大减少网络优化成本和天馈系统的管理成本。未来,天线如果具备工程参数可感知模块及信息管理功能,可实现自动测量天线的机械倾角、海拔高度、方位角及经纬度等参数,并实时回传网管中心,优化工程师就可以有针对性地对网络进行优化和维护,提升网络的性能、提高优化效率并降低运营成本。

  多网融合天馈应用策略

  ——频谱规划方面。目前我国有以下通信系统: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频段LTE700MHz等。2G、3G和4G通信系统覆盖的频段主要包括698MHz到960MHz以及1.7GHz到2.7GHz。

  由此可见传统的移动通信系统,包括3G、4G移动通信系统,其工作频率主要集中在3GHz以下,频谱资源已经变得异常稀缺。

  2017年年末,工业和信息化部发布了中频段的使用频率通知,明确了3300MHz~3600MHz和4800MHz~5000MHz的频率将使用于5G网络。后续,工信部还将继续为5G系统的应用和发展规划出包含高频段(毫米波)、低频段在内的更多频率资源。而工作在高频段的通信系统,其可用的频谱资源非常丰富,更有可能占用更宽的连续频带进行通信。综合来看,5G系统需要高频(24GHz以上毫米波)、中频(3000MHz~6000MHz频段)和低频(3000MHz以下频段),不同频段的工作频率,以满足不同的覆盖、容量、连接密度等关键性能指标的要求。

  ——网络覆盖规划与天线应用方面。在5G之前的系统,都在多次大规模建设中得到了很好的融合与发展,并且多网融合也带来了很好的性能。然而,未来的5G是万物互联的基础,要根据不同的场景去组合天线,5G网络也不是静态的,而是动态的网络、综合的网络。考虑到5G复杂的应用场景和网络结构的复杂性,在5G网络的覆盖环节所需要的基站天线的形态也将是复杂多样的。

  为了适应网络多元化业务的特点以及未来海量发展的趋势,建设网络时也应具体问题具体分析,统筹规划、灵活部署。未来5G网络有了更多要求:高速率、低时延、高可靠性、超用户量接入、灵活性和可拓展性等。为了满足这些要求,诸多关键技术也在研发中,其中大规模阵列天线和超密集组网等无线关键技术成为网络优化覆盖的重点。

  5G网络从试验网的部署到各项关键技术的成熟,网络的规模应用至少还需要3~5年的过程。因此,4G、4G+网络的建设和优化依然是目前的关键工作。并且,现有天馈部署应该尽可能地兼顾现有网络的性能提升以及与未来5G网络的平滑升级对接。综合考虑目前通信网络工作频段主要集中在3GHz以下,其频段较低的特点适用于大范围的广域覆盖;而频段在3GHz~6GHz的中频段,可以应用于热点地区的大容量覆盖;6GHz以上的毫米波频段可以应用于室内容量覆盖。

  针对3GHz以下的广域覆盖,在天线体积和重量允许的情况下尽可能地部署多端口天线,提高网络吞吐能力,并有利于未来向5G网络升级。8T8R是3GHz以下频段天线的终极形态,主要原因是受限于天线迎风面积,例如8T8R的天线在1.8GHz频段,宽度500mm左右,在2.1GHz频段,宽度450mm左右;在2.6GHz频段宽度400mm左右。

  ——5G天线发展现状方面。在5G关键技术探索中,大规模MIMO(Massive MIMO)技术能够深度挖掘空间维度无线资源,大幅度提升无线通信系统的频谱效率和能耗效率,这也是5G天线采用大规模MIMO天线的原因。大规模MIMO天线是指天线振子单元少则几十个、多则几百个,可同时发送不同用户的多组数据或相同用户的相同数据,既可以承载多用户复用通信功能,也可以承载空间分集增益功能。因此,较高的增益、有自适应波束形成和波束控制能力的天线阵列,自然而然成为5G应用的关键技术。

  然而,考虑到上述系统的具体情况、天线阵的实际应用场景和应用环境,带有Massive MIMO天线阵的5G基站建站时,由于实际空间受限,天线阵的体积不能很大。天线阵物理尺寸受限的情况下,多个天线单元之间的互相耦合、干扰,必然会造成天线性能的下降,主要表现在以下几个方面:一是造成天线副瓣较高,对阵列的波束扫描能力有较大的影响;二是由于天线单元之间互相的干扰,造成信噪比变差,进而直接影响数据吞吐率;三是使得能够有效辐射的能量减少,造成天线阵增益降低,能量利用效率低下。

  以上问题,是目前5G天线技术的发展瓶颈,这个瓶颈严重阻碍了5G技术的发展。所幸的是,在5G MIMO天线技术中最为重要的减小耦合技术实现了阶段性的突破。主要包括基于耦合谐振器去耦网络天线和基于超材料的天线阵去耦合。

  在基于耦合谐振器去耦网络方面,赵鲁豫等人提出利用两个或多个耦合的谐振器网络,并联或级联在两天线或多天线上,通过合理的综合设计网络参数,达到紧耦合的天线耦合减小和天线匹配保持的效果,这种解耦网络,被称为“耦合谐振器去耦网络”。该网络的主要特点有:体积小、易于集成;保证了在解耦的同时不破坏天线本身的匹配;能实现相对较宽的解耦带宽等。

  在基于超材料的天线阵去耦合方面。作为一种崭新的概念,超材料这类人造的、具有优良电磁特性和电磁调控能力的材料与结构。在带有超材料的天线阵间电磁波有三条耦合路径:表面波耦合、空间波耦合以及人为制造的反射波耦合。合理地调控三条路径上耦合的幅度和相位,可以使得耦合的总效应互相抵消,这样就有效消除了单元之间的互耦。

  另外,5G天线需要较高的阵列、天线及系统成本是未来建网商用无法回避的问题,如何在成本和性能之间寻找最佳的折中方案,是整个产业都在探索和研究的主要课题。

  ——天馈发展策略方面。在万物互联的5G时代,智慧城市、无人驾驶、无人工厂、远程手术——5G“畅想曲”越发清晰。天线技术也在不断演进和发展。随着移动通信从2G、3G、4G到5G的不断发展,移动通信天线也经历了从单极化天线、双极化天线到智能天线、MIMO天线乃至大规模阵列天线的发展历程。天线结构越来越复杂,并且作用也越来越重要。

  结合近几年移动通信天馈研发的经验,移动通信基站天线的演进趋势,以及多网融合的发展方向,天馈发展可采用以下策略:

  未来的网络会进一步融合,出现2G、3G、4G和5G网络大量共存的局面,多网融合的发展催生出更多复杂的天线。首先,5G网络在开始应用阶段,网络中将长时间共存LTE终端和NR终端,网络发展初期绝大多数是LTE终端以及少量的NR终端,4G/5G融合部署的组网方式最能保障用户的网络体验。因此,在初期4G和5G的融合过程中必将出现大量的4G/5G天线阵列,以满足多网初步融合的需求;然后,在5G建设的中后期,由于大量大规模阵列天线的应用,天面占地资源的进一步紧张,技术的更新迭代导致之前的频谱资源会出现重耕现象,将出现越来越多的多网融合的需求。所以,多网融合天线是当前天馈部署的关键解决方案,而大规模阵列天线是5G时代的关键技术,它们都将衍生出更多、更为复杂的天馈,同时也将推动多网融合网络技术的深度发展。

  高频段频谱资源会有更高的损耗,也促进天线有源化发展成为主流。现有的移动通信系统普遍采用了无源天线结构。在这种结构中,每个天线端口都需要一根独立的射频线缆与之相连。当需要独立控制的天线端口数逐渐增加时,大量的射频线缆将给工程实现与后续运营维护带来不可想象的障碍。随着大规模阵列天线的应用,无源天馈部署面临着天面复杂、安装困难、容量和覆盖要求高等诸多挑战。为解决上述问题,有源天线产品应运而生。有源天线是射频模块与天线高度集成的产物,在支持多个频段一次部署的同时,可以大幅降低整个站点物理设备的数量,从而带来简化站点、减少站点租金和提升网络覆盖等好处。同时,在未来网络优化覆盖和天馈部署中,一方面要求Massive MIMO天线和一体化有源天线等天线系统服务于宏基站;另一方面无处不在的微基站要求天线和基站设备高度融合。鉴于上述优点,天线有源化已成为4.5G和未来5G网络部署的主要发展方向。

  由于频谱资源的进一步释放,终端系统也将出现百花齐放,天线设计转向系统化、复杂化和定制化。例如波束阵列(实现空分复用)、多波束以及多/高频段。这些都对天线提出了很高的要求,它会涉及整个系统以及互相兼容的问题,在这种情况下天线技术已经超越了元器件的概念,逐渐进入了系统的设计阶段。同时,这也意味着天线可能会实现智能化、小型化(共设计)和定制化。因为未来的网络会变得越来越细分,我们需要根据周围的场景来进行定制化的设计,例如在城市区域内布站会更加精细,而不是简单的覆盖。未来通信将会应用高频段,障碍物会对通信产生很大的影响,定制化的天线可以提供更好的网络质量。

  综合来说,在未来的天线发展中,多网融合天线、大规模阵列天线将大有可为,无源天线向有源化发展,天线逐渐系统化和复杂化,以满足多场景覆盖的需求以及提供优良的通信质量。这将是行业内的主要发展方向。

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