【摘要】：随着各地市逐步启动5G网络实验网组建，5G网络商用也距离我们越来越近，中国移动宣称2020年实现5G网络预商用，各设备厂家关于5G设备的研发也接近尾声，5G天线设备在5G通信网络中起着至关重要的作用，为未来5G通信提供强有力的保障。本文简要概述了移动通信基站天线的演进，及5G天线发展的趋势，简单介绍了5G天线的关键技术，最后结合实际测试及理论数据给出了未来5G天面设备在不同场景下的部署建议。
【关键词】：5G天线 Massive-MIMO 波束成形 波束管理 天线场景化部署建议
1 5G天线发展趋势
1.1移动通信基站天线介绍及演进
随着移动通信网络的日益发展，天线设计工程师需要不断根据网络需求设计不同的基站天线，天线技术一直伴随着过去几代通信系统的发展在演进。
第一代通信系统基本采用全向天线，主要满足少量用户及低速率传输；第二代移动通信系统步入蜂窝通信时代，基站天线由全向天线向定向天线演进，常见波瓣宽度为60度、90度和120度；1997年，基站建设开始使用双极化天线（±45°交叉极化），与上一代天线相比，性能大大提高；进入3G时代，通信系统复杂化程度提高，多频段共存需求凸显，多频段天线登上舞台，为了降低成本及节约天面空间，多频段天线成为基站建设主流选择，并且延续至今；MIMO（多入多出技术 Multiple-input Multiple-output）天线系统于2013年首次被提出，MIMO技术对通信容量的提升起到了极大的帮助，阵列天线和多频段天线逐渐取代了单天线在基站天线系统中的地位。
1.2 5G天线性能需求
根据通信行业内统计预测，我国流量将在2020年较目前增长8倍，到2030年我国流量较目前呈上百倍增长，各种丰富的无线网络应用、手机APP的不断更新发展等因素促使移动通信无线网络业务疯狂增长，同时无线网络业务的增长给现有网络无线接入带来了前所未有的挑战，这也迫使5G移动通信系统被设计用于有效利用带宽资源和显著的提高频谱效率。
根据目前各地实验网部署显示，大规模天线阵列系统（Massive MIMO）成为5G网络部署必然选择。使用大规模天线能够使通信基站的空间复用能力更强，并且大规模天线可以在传播空间内形成高增益窄细波束，有效抑制用户与用户之间的干扰，同时增强接收信号强度，进而实现更高的系统容量和频谱效率。
未来5G系统部署，将促进无源天线向有源天线演进。有源天线将射频模块与天线一体化，使建站部署变得更为简化，也明显减少馈线损耗，通过这一改进手段，能够使天线覆盖能力提升10%以上。由于现网基站天面空间资源紧张，将多个频段融合到一面天线内能够有效解决，并且能够明显降低运营维护成本和减少基站部署时间。
为了满足5G网络需求，5G天线从无源向有源演进，单天线向多阵列天线发展的同时，还需要5G天线做得小型化、系统化、实现自调谐、波束成形、多频段、宽带宽等。
2 5G天线主要技术特性分析
2.1 大规模天线阵列（Massive-MIMO）
在单一天线相互通信的通信系统中，外部环境复杂，电磁波经过多路径传播后接收点可能出现相位偏移或反转，减弱接收端信号，使信道衰落加强，直接影响用户通信质量。当基站天线使用大规模天线阵列的时候，数十、数百天线可供用户使用。各自独立的天线相当于独立的传播信道，同时陷入衰落的概率大大降低，用户通信质量得到有效改善和提升。
目前，工业和信息化部已明确，6 GHz以下的频段是每个运营商连续覆盖部署5G通信的主要频段，但是由于TD-LTE的部署致使sub-6GHz带宽资源极为有限，且5G通信系统带宽需求不低于100MHz，为了确保5G信号连续覆盖，高热高密度区域深度覆盖，5G通信系统必然会在高频段适量部署，即毫米波段（mm Wave）。接收功率受到发射功率、天线增益、传播距离、发射频率等因素影响，呈现为Friis公式。
根据上述公式可以得出：
1、当基站侧的发送功率恒定时，用户接收侧的接收功率与波长的平方，基站侧发送天线增益和用户接收天线增益成正比例关系，与基站侧发射天线和用户接收天线之间的距离的平方成反比例关系。
2、在固定频率内，天线有效横截面积越大，天线获得的增益将越大。
目前国内各通信系统均使用6GHz以下频段，无线电波均为分米波或厘米波，而5G系统在高频段部署时将使用毫米波，相当于现有通信制式，高频段5G损耗将会更大，信号衰减更严重。由于：1、国家对天线发射功率限制，无法随意更改发射功率；2、天线接收和发射增益也受限于材料及物理规律；3、发射端与接收端距离不可控等诸多因素限制。目前业界内可行方案仅为增加收发天线数量，设计大规模阵列天线系统。
3GPP对Massive-MIMO引入5G通信系统的目的给出了系统性概括：
Ø 5G通信将使用高频段无线电波，路径传播损耗越来越大
Ø 由于使用的频段增高，理论上5G天线的设计尺寸将变得更小
Ø 因为天线的尺寸变得更小，同样空间内可以放入更多的天线来克服更大的路径传播损耗
Ø 多天线的应用能够有效提升网络覆盖性能，同时明显减少干扰
Ø 当无线电波频率在10GHz以上，信号的主要传播方式不会再是电磁波衍射并且在非视距传播场景下，信号主要传播方式变成了反射和散射
Ø 在高楼密布的密集城区场景下，室内场景几乎无法通过室外宏基站解决网络覆盖，使用室内Massive-MIMO能够通过波束管理和波束成形等技术使室内信号得到明显提升，对周边干扰也能得到有效减少。
与中国移动4G网络相比较，由于4G网络使用频段为1.9GHz、2.6GHz或者900MHz，频段明显优于5G通信所使用的毫米波段，故4G天线无需使用大规模天线阵列以克服过大的路径传播损耗，目前4G基站主要使用天馈设备型号为8TR、4TR、2TR。
香农（Shannon）公式：
C：信息传送速率 BW：信道带宽 S：信号功率 N：噪声功率
决定信息传送速率的主要因素是信道带宽和信噪比。目前中国移动4G网络单载波为20MHz，而5G网络不低于100MHz，由于4G带宽的限制，采用大规模阵列天线实现速率提升需求相比于5G网络不那么强烈。
综合上述与4G网络在频段、带宽上的差异，4G天线无需使用大规模天线阵列亦能满足网络覆盖需求，为用户提供高质量可靠的通信服务，而大规模天线阵列系统应用于5G网络可谓是为未来5G通信的大幅飞跃推波助澜。
2.2 波束成形与管理技术
大规模天线阵列设计是将大量高频段天线集中布放在单面天线内，出于对工程建设需求考虑，天线设计尺寸不能过大，所以大量天线发射能量集中在相对狭窄的区域内。为了确保大规模天线阵列中各天线信号不会相互干扰，就需要天线阵列中天线的波束足够窄，指向性明确。如果高增益窄波束与用户无法对准，那么用户接收信号会明显降低，所以5G通信必须确保波束能够与用户精确对准。
波束成形（Beam Forming）技术是通过对天线相位进行适当调节，让电波信号能够形成有用的叠加从而增强信号的增益，让高频段电波传播损耗过大的问题得到有效的改善，保证用户接收端能够接收到高质量的5G信号。
图2.1
（图片示意来源于网络）
由于5G天线使用大规模天线阵列系统，当波束成形以后，为保证用户接收信号最佳，基站需要精确定位用户，并确保天线波束对准用户。此时基站将发射不同方向波束，当用户接收端接收到不同波束后将相关信息报告给基站，以便寻找到用户接收到的最佳指向波束，精确匹配最佳指向波束的整个过程称为波束扫描（Beam Sweeping）。
图2.2
5G标准中允许用户根据需求选择最佳发射波束，形成一对最佳发射-接收波束，如图2.2所示，用户1最佳波束为（T2,R2），用户2最佳波束为（T5,R1）。
因为大规模天线阵列中天线数量极多，逐一扫描显得效率低下，与5G期望相违背，所以5G标准采用了分级扫描，由宽到窄扫描。
分级扫描分两步进行：
Ø 粗略扫描：将天线多个窄波束划分为少量宽波束，确定用户对准最佳宽波束，该步骤对准精度不高
Ø 精细扫描：经过粗略扫描后在用户匹配最佳宽波束中逐一扫描包含于其中的窄波束，寻找到与用户匹配的最佳波束。
图2.3
如图2.3所示，经过粗略扫描后基站宽波束TA、TB分别对准用户1和用户2；再通过精细扫描逐一扫描宽波束TA中T1~T4，宽波束TB中T5~T8。对于单个用户而言，如果不采用分级扫描最多将扫描8次，分级扫描最多扫描6次。使用分级扫描明显提高扫描效率，通信连接质量有效提高。
如果当用户正好处于2个窄波束之间，基站精细扫描与信息反馈同步，根据反馈的信息预估最佳波束方向。采用波束估计算法能有效的避免或减少基站进一步细化扫描的可能，实现快速波束管理。
目前在中国移动4G网络建设中普遍部署8通道、4通道天线设备，相比5G网络，天线发射的波束更宽，单个波束更容易与用户对准，在波束管理算法上更加简约。而5G网络中天线系统内集合大量高频段天线，发射出大量的窄细波束，此时要想使移动状态下的用户精确对准并根据需要自由切换接收波束就需要复杂的波束管理可以根据用户需求随时响应。
3 5G天线性能测试分析与应用场景建议
3.1 5G天线测试结果和分析
在测试前提条件为：2.6GHz—SCS-30KHz 100MHz 发射功率53dBm UE-26dBm S配备6:4:4 5ms帧结构 192振子；3.5GHz—SCS-30KHz 100MHz 发射功率53dBm UE-26dBm S配备10:2:2 2.5ms双周期 192振子；单用户峰值速率：UL-2流64QAM,DL-4流256QAM。测试及理论数据如下：
|
测试参数 |
2.6GHz |
3.5GHz 2.5ms 双周期 |
|||
|
8通道 |
16通道 |
64通道 |
64通道 |
||
|
小区平均速率（Mbps） |
上行 |
94 |
139 |
242 |
333 |
|
下行 |
313 |
471 |
979 |
704 |
|
|
小区理论峰值速率（Mbps） |
上行 |
380 |
380 |
760 |
1140 |
|
下行 |
1722 |
3444 |
6888 |
6040 |
|
|
单用户理论峰值速率（Mbps） |
上行 |
190 |
190 |
190 |
285 |
|
下行 |
1722 |
1722 |
1722 |
1510 |
|
|
边缘速率（Mbps） |
上行 |
0.19 |
0.43 |
0.7 |
0.143 |
|
下行 |
41.9 |
64.3 |
81 |
21 |
|
|
空口时延（ms） |
上行 |
5 |
5 |
5 |
3.5 |
|
下行 |
3 |
3 |
3 |
2.5 |
|
|
农村覆盖半径（Km） |
|
1.4 |
1.7 |
2.2 |
1.52 |
表3.1
（数据来源：中国移动通信集团设计院有限公司测试）
由表3.1数据可以得出：在相同测试条件下，5G 2.6GHz较3.5GHz覆盖能力强6-8dB左右。
Ø 小区平均速率：2.6GHz NR 64通道上行平均速率为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通道下行平均速率为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。当采用64TR设备时，小区平均速率明显由于其他8TR、16TR设备，能够为用户提供更加质量稳定的网络使用体验。
Ø 小区峰值速率：2.6GHz NR 64通道上行峰值速率为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通道下行峰值速率为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设备为能够为用户提供更加急速的上网体验。
Ø 单用户峰值速率：2.6GHz NR 64通道单用户上行峰值速率为190Mbps，与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通道单用户下行峰值速率为1722Mbps，与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 密集城区350米站间距边缘速率：2.6GHz NR 64通道上行边缘速率为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通道下行边缘速率为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 农村覆盖半径：2.6GHz NR 64通道覆盖半径为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。
根据测试及理论值显示，64TR设备相比16TR设备增益高出约3dB，设备容量约高出2倍，2.6GHz NR采用16TR和64TR设备均能实现和现网TD-LTE共站连续覆盖。
3.2 5G天线应用场景建议
密集城区高热、流量密度高、建筑物密集易产生多径效应、电波传播复杂。根据中国移动4G部署情况来看，在多数密集城区场景下已经部署64TR设备（3D-MIMO），4G 3D-MIMO的部署，明显缓解了密集城区的容量不足、多径效应的短板，在4G网络中64TR设备是网络覆盖增强了20%左右。
图3.1（基于4G业务上行256Kbps/下行1Mbps）
结合测试数据及关键技术特性分析，密集城区5G网络部署建64TR天线设备，能够具备更强的发射、绕射能力及抗干扰能力，更适合密集城区的复杂环境。相比16TR设备，64TR设备增加了垂直维度波束成形，垂直维度覆盖达到60-110米，非常适合密集城区高楼众多，容量需求大的场景。
一般城区及县城相对密集城区流量密度需求较低，电波传播环境复杂度降低，用户数减少，参照测试数据，在一般城区及县城部署16TR设备，覆盖性能基本优于TDD1.9G，当站间距为350米时，小区边缘速率等够达到64.3Mbps，且单用户理论峰值速率与64TR相当，小区平均速率约为64TR设备50%。即在一般城区及县城城区部署5G网络时使用16TR设备，不仅能够满足网络覆盖及容量，同时还兼顾了投资成本，真正做到收益、投资、需求的综合平衡。
乡镇和农村地区流量需求小、电波传播空间场景单一，高速率应用需求较城区变小，乡镇和农村一般以低层建筑物为主，8TR设备农村覆盖半径能够达到1.4Km，理论站间距设置可以高达2Km，已经远远超出目前中国移动农村乡镇的4G平均站间距设置。所以根据测试结果及目前中国农村乡镇发展现状，建议在核心乡镇区域内可选择性使用16TR设备，以确保用户密集的乡镇区域信号覆盖及容量达到5G所期望的效果；在一般乡镇及农村区域建议共址现有4G站址部署8TR设备，既保证网络覆盖质量，又能获得更高的性价比。
参考文献：
（1） 英特尔中国研究院.《解析5G背后的核心技术：波束成形》.雷锋网.2017年5月
（2） 刘宁、袁宏伟.《5G大规模天线系统研究现状及发展趋势》【J】.电子科技.2015年.28卷4期