移动通信天线的未来技术发展

2018-05-28 来源: 电信科学作者:高峰、王丽芳、朱文涛、和凯 我要评论(0) 字号:

摘要:从4G 和5G 的发展出发,从大规模阵列天线、天线的可感知、在网天线监控的技术发展、宽带小型化可电调天线和美化天线的技术前瞻等方面,阐述了未来天线技术的发展路线,为中国移动天线发展提供可靠依据。

1、引言

近年来, 我国移动通信取得了前所未有的非凡成就,建成了全球最大的4G 网络,5G 网络蓄势待发。到2016 年年底,全国4G 基站将达到近300 万个,其中中国移动150 万个,中国电信80 万个,中国联通70 万个。

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。5G 网络的蓝图是100 倍于4G 的高速率,将达到10 Gbit/s、小于1 ms 的低时延、支持1 000 多亿连接的高密度和1 000 倍于4G 的高容量。一方面要求massive MIMO(大规模阵列天线技术)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。

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。天线作为移动通信网络的感知器官在网络中的地位越来越复杂,并且作用也越来越重要。

2、天线的可感知是移动通信天线的一个技术热点

基站天线的工参准确性对网络运维和优化具有重要的意义,当前的研究主要集中在这3 个方面:利用电调天线的AISG 线进行供电和回传,适用于新建电调天线站;采用太阳能或其他方式供电,采用无线回传,适用于存量站和非电调天线基站;采用人工上站用姿态仪采集数据。

2.1 利用电调天线的AISG 线进行供电和数据回传

目前基站智能工参研究主要集中于可感知系统实现对天线方位角、机械下倾角、海拔高度、经纬度等参数的实时测量和记录。其中,海拔高度、经纬度可采用北斗或GPS的方式测量,海拔高度的测量精度一般是5~10 m,经纬度的测量精度一般是5 m。机械下倾角可采用重力加速度计进行测量,测量精度约0.5°,且测量速度快,可用于监测天线姿态。天线方位角的测量比较复杂,几种可能的实现方式具体如下。

(1)双GPS 方案

可进行绝对方位角的高精度测量,测量时间约2 min,实时性尚可。但当两个GPS 接收机之间的距离缩小时,测量误差快速增大, 比如当双GPS 设备长度小于200 mm时,测量误差大于5°,虽然可通过多次测量来提高精度,但实时性明显变差。如果在射线方向存在遮挡,其测量精度会大大降低。此外,该方案的设备成本较高。

(2)和差波束方案

也可进行绝对方位角的较高精度测量,设备成本比双GPS 低。缺点是测量时间过长,实时性不满足要求。如果要求设备小型化,差波束的斜率明显下降。同样,射线方向存在遮挡时测量精度同样降低。

(3)电子罗盘方案

因受工程现场复杂磁环境的影响不能测量绝对方位角,但相对方位角的测量精度很高,约10 s 的测量时间,在3 种方案中耗时最短、实时性最好;设备可以做到不超过双频天线的截面积, 满足一体化设计的小型化要求;成本也比较低。其缺点有两点,第一不能测量绝对方位角;第二,抗近距离磁环境的干扰能力差,在其设备100 mm 范围内不能有磁性物质。这种方案不建议采用。

上述3 种方案各有优缺点,现阶段成本上比较能够接收的方案是通过双GPS 方案进行一次绝对方位角测量,用来对电子罗盘测量的方位角进行校准,可以到达事半功倍的效果。所以,采用电子罗盘和重力加速度计作为可感知技术的基本方案与天线一体化设计,再配合双GPS 工具做一次性校准的组合方案性价比最高。方案的实现过程如图1所示。

图1、可感知天线技术方案实现

该方案通过双GPS 工具测量绝对方位角,对海拔高度、经纬度进行工程测量和记录;通过电子罗盘实时监测天线相对方位角,利用双GPS 工具测量的绝对值校准后可得到实时的绝对方位角;通过重力加速度计实时监测天线的机械下倾角,从而完成了天线工程参数自感知的任务。

以上方案的都有共同的缺点就是工参模块的供电和数据的回传依靠电调天线的AISG 线, 对于中国移动大量的存量非电调天线基站无法应用。

2.2 非电调天线基站的无线回传方式

对于存量站和非电调天线基站的应用场景,中国移动通信集团设计院通过采集模块利用ZigBee (紫蜂协议)技术进行短距离无线通信,将采集数据传输至传输模块。通信基站附近有着复杂的电磁环境, 为了保证数据的可靠、安全传输,采集模块使用了自主研发的抗干扰、频点探测技术进行通信,同时通信使用AES 加密算法,能够有效地实现数据的可靠传输。

采集模块利用太阳能为自身供电,太阳能本身会受多方面因素影响,如天气、太阳能面板朝向、建筑物遮挡、安装位置等,进而使得不同设备、不同时间获得的太阳能波动很大,对设备数据采集及电池安全有较大的影响。采集模块拥有自行设计的智能电源管理算法,能够根据太阳能获取情况智能的进行数据采集、传输、电池充电,能够有效地保障设备的工作情况,雾霾天、雨雪天都能正常工作,提高电池效率,延长设备寿命。

3、大规模阵列天线是5G 的关键技术之一

5G 网络的应用可归为连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠4 个主要技术场景。

连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足2020 年及未来的移动互联网业务需求, 也是传统4G 主要的技术场景。低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务,是5G 新拓展的场景,重点解决传统移动通信无法很好地支持物联网及垂直行业应用的情况。

3.1 大规模阵列天线仿真分析平台

由于massive MIMO 天线的有源特性, 很难进行天线性能的测试。为此,中国移动设计院开发了大规模阵列天线综合仿真分析平台用于评估各个设备商的5G 天线性能,如图2 所示。

图2、大规模阵列天线综合仿真分析平台

3.2 大阵列天线的PIM 研究

无源互调(passive intermodulation,PIM)即指当两个或多个频率信号经过天线时,由于天线的非线性而引起的与原信号频率有和差关系的射频信号。

对于多频多端口天线,由于互耦效应,可能使得相邻通道的射频信号耦合到被测通道内, 从而引入f3信号,这样与f1和f2信号产生更为复杂的互调信号,现有方法不能体现这种影响。尽管由于隔离度的保证,f3信号可能较f1和f2信号微弱, 但其互调产物的电平究竟处于什么量级,尚无结论。

特别是进入4.5G 和5G 时代以后,大规模阵列天线的应用,端口间的PIM 性能将是影响网络质量的一个重要因素。在2016 年的IEEE 年会上,中国移动通信集团设计院代表提出了中国移动的PIM 标准立项申请,得到了与会人员的一致赞同,并建立了PIM 标准工作组,主要对PIM 的测量环境以及传输PIM 进行研究。因此,有必要对阵列天线的PIM 做进一步研究。

因此,非常有必要围绕面向LTE-Advanced(长期演进技术升级版)后续演进,推进5G 大规模阵列天线的技术基础性研究、应用研究、标准化及其产业化进程。在测量和建立大规模阵列天线信道模型、建立和完善技术评估与仿真平台、设计新型的5G 天线、进一步开发其3D 覆盖能力、形成系统完整的3D-MIMO 解决方案等多个方面展开工作。

4、在网天线的监控和故障诊断具有网络运维的生命线地位

天馈系统作为无源设备很难进行监控。基站天馈系统状态直接影响通话质量、信号覆盖和基站设备运行。对于天馈系统运行质量缺乏有效的监控和发现问题的手段,主要依据客户投诉、性能指标等逐级排查发现问题。事实上,除了天线自身电气和辐射参数对质量的影响外,由于工程维护以及外部干扰等原因, 也会体现到网络的覆盖质量上。天线参数影响因素与网络性能的关联如图3 所示。

图3、天线参数影响因素与网络性能的关联

电路特性与辐射特性是基站天线的重要表征指标,例如增益、波瓣宽度、前后比、驻波比、隔离度、三阶互调等。随着天线使用年限的增加以及间断性的高功率输入,则会使射频路径温度急速升高,加速其材质老化、导致其辐射特性衰减而影响整个基站系统。天馈产品质量问题受到集团公司和各省公司的重视,但是目前天馈系统并没有纳入中国移动的网络管理中, 天馈设备一旦安装到基站现场,很难实现主动监控。

在2G/3G/4G 的系统中,如何通过现网的已有参数(例如MR、话统指标和扫频数据等) 来对现网的天馈系统进行检测和诊断,是亟待解决的问题。

随着3D-MIMO 和5G 大规模阵列天线的应用,天馈系统的在网监控相对变得容易,但其监控也没有完全做到振子级,天线的辐射性能以及干扰问题还需要通过网络数据进一步分析,如何通过网络数据实现天馈系统的检测与监控也是未来几年内需要研究的问题。

5、小型化宽频带多系统共用电调天线将成为4G 网络建设的重要方向

进入4G 及4G+时代, 全球多数运营商同时运营多个制式、多个频段的网络,导致基站的天面资源更加紧张,在一些高话务量区域已经“天线林立”,新增抱杆困难,再加上民众对“电磁辐射”的恐慌,选址难、建站难、新增天线更难已成为4G 网络建设面临的最大挑战。另一方面,在一些共用铁塔或杆塔的站点,天线数量成倍增加,带来了天馈施工难度增加,系统的可靠性能降低。这些都标志着小型化宽频带多系统共用电调天线成为网络建设的迫切需求。

为满足不同制式通信系统的混合组网需求, 相关小型化宽频带多系统共用电调天线产品需涵盖到4 端口、6 端口、8 端口、10 端口、12 端口以及外置RCU 等全系列产品。

因此,小型化与宽频带化多系统共用电调天线可为不同制式通信系统提供简便、高度集成的基站天馈系统解决方案。

6、美化天线应用场景及发展方向

随着LTE 网络的建设,基站选址日益困难,为解决基站天线安装困难,基站天线美化成为一个比较理想的解决方案。美化天线的种类主要有两种加罩美化天线和一体化美化天线。加罩美化天线是指在常规天线外增加外罩的方式进行美化,相当于在天线振子外包围了两层外罩;一体化美化天线是指天线振子与天线美化外罩一体化设计,省略二次加罩。

一体化美化天线将天线外罩设计成不同形状不同颜色的美化外罩, 并与天线辐射单元进行一体化设计优化,从而在保证整体天线辐射及电路性能的前提下,无需额外加装美化外罩即可达到与周围环境协调统一的天线。其特点是美化外罩与辐射单元采用一体化整体设计制造,而非常规基站天线与美化外罩的简单组合。中国移动通信集团设计院在2010 年起就开展了“一体化美化天线研究与试验”的集团重点课题,2014 年承担了集团督办项目“美化天线产品研发及标准编制”,2015 年承担了采购共享中心的潜在集采天线类型的摸底测试。经过大量的仿真和测试,得出如下结论。

· 一体化天线对天线性能的影响程度明显低于加罩美化的影响,一体化美化天线与普通天线性能基本相当,可满足网络性能的要求。

· 在条件许可的场景下,建议优先选用一体化美化天线,并严格按照行业标准和中国移动企业标准进行采购、施工。

· 加罩美化天线相比普通天线在增益、前后比、波束宽度、交叉极化比等指标均有不同程度的下降,尤其是在高频段、大下倾情况下,性能下降更加严重,建议尽量减少使用加罩美化天线。

· 在实际的施工中, 如不得不采用加罩美化天线,建议采用“交钥匙”的方式实现。以避免在传统天线美化过程中,基站、天线、美化外罩分属不同厂商,从而造成天线性能不可控的不利局面。同时,需严格规范美化天线罩安装的准确性与合理性。

7、结束语

可见,未来移动通信天线将向有源化、小型化、阵列化和可感知等方向发展,国内多数天线厂商只着眼于当前的产品技术指标达成,对新技术新产品的布局和开发重视程度不够,研发资源投入少,导致中国天线在新技术新产品方面落后国外厂商,缺少技术话语权,制约了中国天线产业的可持续发展。作为运营商可以在引导天线技术创新和全球专利布局方向发挥作用,为天线产业从产业大国迈向产业强国贡献力量。

参考文献:

[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.
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[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、王丽芳、朱文涛、和凯,中国移动通信集团设计院有限公司

作者简介

高峰,男,博士,中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师,主要研究方向为天线研究与网络优化。
王丽芳,女,中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师,主要研究方向为移动通信网络。
朱文涛,男,中国移动通信集团设计院有限公司工程师,主要研究方向为移动通信天馈优化和维护、移动通信产品质量检测等。
和凯,男,中国移动通信集团设计院有限公司工程师,主要研究方向为天线宽频带小型化技术、天线数值分析与优化、移动终端天线、智能天线等。
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