【摘要】：隨著各地市逐步啟動5G網絡實驗網組建，5G網絡商用也距離我們越來越近，中國移動宣稱2020年實現5G網絡預商用，各設備廠家關于5G設備的研發也接近尾聲，5G天線設備在5G通信網絡中起著至關重要的作用，為未來5G通信提供強有力的保障。本文簡要概述了移動通信基站天線的演進，及5G天線發展的趨勢，簡單介紹了5G天線的關鍵技術，最后結合實際測試及理論數據給出了未來5G天面設備在不同場景下的部署建議。
【關鍵詞】：5G天線 Massive-MIMO 波束成形 波束管理 天線場景化部署建議
1 5G天線發展趨勢
1.1移動通信基站天線介紹及演進
隨著移動通信網絡的日益發展，天線設計工程師需要不斷根據網絡需求設計不同的基站天線，天線技術一直伴隨著過去幾代通信系統的發展在演進。
第一代通信系統基本采用全向天線，主要滿足少量用戶及低速率傳輸；第二代移動通信系統步入蜂窩通信時代，基站天線由全向天線向定向天線演進，常見波瓣寬度為60度、90度和120度；1997年，基站建設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；進入3G時代，通信系統復雜化程度提高，多頻段共存需求凸顯，多頻段天線登上舞臺，為了降低成本及節約天面空間，多頻段天線成為基站建設主流選擇，并且延續至今；MIMO（多入多出技術 Multiple-input Multiple-output）天線系統于2013年首次被提出，MIMO技術對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中的地位。
1.2 5G天線性能需求
根據通信行業內統計預測，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，各種豐富的無線網絡應用、手機APP的不斷更新發展等因素促使移動通信無線網絡業務瘋狂增長，同時無線網絡業務的增長給現有網絡無線接入帶來了前所未有的挑戰，這也迫使5G移動通信系統被設計用于有效利用帶寬資源和顯著的提高頻譜效率。
根據目前各地實驗網部署顯示，大規模天線陣列系統（Massive MIMO）成為5G網絡部署必然選擇。使用大規模天線能夠使通信基站的空間復用能力更強，并且大規模天線可以在傳播空間內形成高增益窄細波束，有效抑制用戶與用戶之間的干擾，同時增強接收信號強度，進而實現更高的系統容量和頻譜效率。
未來5G系統部署，將促進無源天線向有源天線演進。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，通過這一改進手段，能夠使天線覆蓋能力提升10%以上。由于現網基站天面空間資源緊張，將多個頻段融合到一面天線內能夠有效解決，并且能夠明顯降低運營維護成本和減少基站部署時間。
為了滿足5G網絡需求，5G天線從無源向有源演進，單天線向多陣列天線發展的同時，還需要5G天線做得小型化、系統化、實現自調諧、波束成形、多頻段、寬帶寬等。
2 5G天線主要技術特性分析
2.1 大規模天線陣列（Massive-MIMO）
在單一天線相互通信的通信系統中，外部環境復雜，電磁波經過多路徑傳播后接收點可能出現相位偏移或反轉，減弱接收端信號，使信道衰落加強，直接影響用戶通信質量。當基站天線使用大規模天線陣列的時候，數十、數百天線可供用戶使用。各自獨立的天線相當于獨立的傳播信道，同時陷入衰落的概率大大降低，用戶通信質量得到有效改善和提升。
目前，工業和信息化部已明確，6 GHz以下的頻段是每個運營商連續覆蓋部署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通信系統帶寬需求不低于100MHz，為了確保5G信號連續覆蓋，高熱高密度區域深度覆蓋，5G通信系統必然會在高頻段適量部署，即毫米波段（mm Wave）。接收功率受到發射功率、天線增益、傳播距離、發射頻率等因素影響，呈現為Friis公式。
根據上述公式可以得出：
1、當基站側的發送功率恒定時，用戶接收側的接收功率與波長的平方，基站側發送天線增益和用戶接收天線增益成正比例關系，與基站側發射天線和用戶接收天線之間的距離的平方成反比例關系。
2、在固定頻率內，天線有效橫截面積越大，天線獲得的增益將越大。
目前國內各通信系統均使用6GHz以下頻段，無線電波均為分米波或厘米波，而5G系統在高頻段部署時將使用毫米波，相當于現有通信制式，高頻段5G損耗將會更大，信號衰減更嚴重。由于：1、國家對天線發射功率限制，無法隨意更改發射功率；2、天線接收和發射增益也受限于材料及物理規律；3、發射端與接收端距離不可控等諸多因素限制。目前業界內可行方案僅為增加收發天線數量，設計大規模陣列天線系統。
3GPP對Massive-MIMO引入5G通信系統的目的給出了系統性概括：
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天線的設計尺寸將變得更小
Ø 因為天線的尺寸變得更小，同樣空間內可以放入更多的天線來克服更大的路徑傳播損耗
Ø 多天線的應用能夠有效提升網絡覆蓋性能，同時明顯減少干擾
Ø 當無線電波頻率在10GHz以上，信號的主要傳播方式不會再是電磁波衍射并且在非視距傳播場景下，信號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場景下，室內場景幾乎無法通過室外宏基站解決網絡覆蓋，使用室內Massive-MIMO能夠通過波束管理和波束成形等技術使室內信號得到明顯提升，對周邊干擾也能得到有效減少。
與中國移動4G網絡相比較，由于4G網絡使用頻段為1.9GHz、2.6GHz或者900MHz，頻段明顯優于5G通信所使用的毫米波段，故4G天線無需使用大規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備型號為8TR、4TR、2TR。
香農（Shannon）公式：
C：信息傳送速率 BW：信道帶寬 S：信號功率 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4G網絡單載波為20MHz，而5G網絡不低于100MHz，由于4G帶寬的限制，采用大規模陣列天線實現速率提升需求相比于5G網絡不那么強烈。
綜合上述與4G網絡在頻段、帶寬上的差異，4G天線無需使用大規模天線陣列亦能滿足網絡覆蓋需求，為用戶提供高質量可靠的通信服務，而大規模天線陣列系統應用于5G網絡可謂是為未來5G通信的大幅飛躍推波助瀾。
2.2 波束成形與管理技術
大規模天線陣列設計是將大量高頻段天線集中布放在單面天線內，出于對工程建設需求考慮，天線設計尺寸不能過大，所以大量天線發射能量集中在相對狹窄的區域內。為了確保大規模天線陣列中各天線信號不會相互干擾，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準，那么用戶接收信號會明顯降低，所以5G通信必須確保波束能夠與用戶精確對準。
波束成形（Beam Forming）技術是通過對天線相位進行適當調節，讓電波信號能夠形成有用的疊加從而增強信號的增益，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量的5G信號。
圖2.1
（圖片示意來源于網絡）
由于5G天線使用大規模天線陣列系統，當波束成形以后，為保證用戶接收信號最佳，基站需要精確定位用戶，并確保天線波束對準用戶。此時基站將發射不同方向波束，當用戶接收端接收到不同波束后將相關信息報告給基站，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過程稱為波束掃描（Beam Sweeping）。
圖2.2
5G標準中允許用戶根據需求選擇最佳發射波束，形成一對最佳發射-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）。
因為大規模天線陣列中天線數量極多，逐一掃描顯得效率低下，與5G期望相違背，所以5G標準采用了分級掃描，由寬到窄掃描。
分級掃描分兩步進行：
Ø 粗略掃描：將天線多個窄波束劃分為少量寬波束，確定用戶對準最佳寬波束，該步驟對準精度不高
Ø 精細掃描：經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，經過粗略掃描后基站寬波束TA、TB分別對準用戶1和用戶2；再通過精細掃描逐一掃描寬波束TA中T1~T4，寬波束TB中T5~T8。對于單個用戶而言，如果不采用分級掃描最多將掃描8次，分級掃描最多掃描6次。使用分級掃描明顯提高掃描效率，通信連接質量有效提高。
如果當用戶正好處于2個窄波束之間，基站精細掃描與信息反饋同步，根據反饋的信息預估最佳波束方向。采用波束估計算法能有效的避免或減少基站進一步細化掃描的可能，實現快速波束管理。
目前在中國移動4G網絡建設中普遍部署8通道、4通道天線設備，相比5G網絡，天線發射的波束更寬，單個波束更容易與用戶對準，在波束管理算法上更加簡約。而5G網絡中天線系統內集合大量高頻段天線，發射出大量的窄細波束，此時要想使移動狀態下的用戶精確對準并根據需要自由切換接收波束就需要復雜的波束管理可以根據用戶需求隨時響應。
3 5G天線性能測試分析與應用場景建議
3.1 5G天線測試結果和分析
在測試前提條件為：2.6GHz—SCS-30KHz 100MHz 發射功率53dBm UE-26dBm S配備6:4:4 5ms幀結構 192振子；3.5GHz—SCS-30KHz 100MHz 發射功率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。測試及理論數據如下：
|
測試參數 |
2.6GHz |
3.5GHz 2.5ms 雙周期 |
|||
|
8通道 |
16通道 |
64通道 |
64通道 |
||
|
小區平均速率（Mbps） |
上行 |
94 |
139 |
242 |
333 |
|
下行 |
313 |
471 |
979 |
704 |
|
|
小區理論峰值速率（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 |
|
|
空口時延（ms） |
上行 |
5 |
5 |
5 |
3.5 |
|
下行 |
3 |
3 |
3 |
2.5 |
|
|
農村覆蓋半徑（Km） |
|
1.4 |
1.7 |
2.2 |
1.52 |
表3.1
（數據來源：中國移動通信集團設計院有限公司測試）
由表3.1數據可以得出：在相同測試條件下，5G 2.6GHz較3.5GHz覆蓋能力強6-8dB左右。
Ø 小區平均速率：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。當采用64TR設備時，小區平均速率明顯由于其他8TR、16TR設備，能夠為用戶提供更加質量穩定的網絡使用體驗。
Ø 小區峰值速率：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設備為能夠為用戶提供更加急速的上網體驗。
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。
根據測試及理論值顯示，64TR設備相比16TR設備增益高出約3dB，設備容量約高出2倍，2.6GHz NR采用16TR和64TR設備均能實現和現網TD-LTE共站連續覆蓋。
3.2 5G天線應用場景建議
密集城區高熱、流量密度高、建筑物密集易產生多徑效應、電波傳播復雜。根據中國移動4G部署情況來看，在多數密集城區場景下已經部署64TR設備（3D-MIMO），4G 3D-MIMO的部署，明顯緩解了密集城區的容量不足、多徑效應的短板，在4G網絡中64TR設備是網絡覆蓋增強了20%左右。
圖3.1（基于4G業務上行256Kbps/下行1Mbps）
結合測試數據及關鍵技術特性分析，密集城區5G網絡部署建64TR天線設備，能夠具備更強的發射、繞射能力及抗干擾能力，更適合密集城區的復雜環境。相比16TR設備，64TR設備增加了垂直維度波束成形，垂直維度覆蓋達到60-110米，非常適合密集城區高樓眾多，容量需求大的場景。
一般城區及縣城相對密集城區流量密度需求較低，電波傳播環境復雜度降低，用戶數減少，參照測試數據，在一般城區及縣城部署16TR設備，覆蓋性能基本優于TDD1.9G，當站間距為350米時，小區邊緣速率等夠達到64.3Mbps，且單用戶理論峰值速率與64TR相當，小區平均速率約為64TR設備50%。即在一般城區及縣城城區部署5G網絡時使用16TR設備，不僅能夠滿足網絡覆蓋及容量，同時還兼顧了投資成本，真正做到收益、投資、需求的綜合平衡。
鄉鎮和農村地區流量需求小、電波傳播空間場景單一，高速率應用需求較城區變小，鄉鎮和農村一般以低層建筑物為主，8TR設備農村覆蓋半徑能夠達到1.4Km，理論站間距設置可以高達2Km，已經遠遠超出目前中國移動農村鄉鎮的4G平均站間距設置。所以根據測試結果及目前中國農村鄉鎮發展現狀，建議在核心鄉鎮區域內可選擇性使用16TR設備，以確保用戶密集的鄉鎮區域信號覆蓋及容量達到5G所期望的效果；在一般鄉鎮及農村區域建議共址現有4G站址部署8TR設備，既保證網絡覆蓋質量，又能獲得更高的性價比。
參考文獻：
（1） 英特爾中國研究院.《解析5G背后的核心技術：波束成形》.雷鋒網.2017年5月
（2） 劉寧、袁宏偉.《5G大規模天線系統研究現狀及發展趨勢》【J】.電子科技.2015年.28卷4期