芯耀
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一、前言
市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)、行業(yè)聯(lián)盟/標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、原始設(shè)備制造商（OEM）、學(xué)術(shù)研究人員甚至消費(fèi)者普遍認(rèn)為，5G技術(shù)將提供無(wú)縫的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和控制服務(wù)，其規(guī)模遠(yuǎn)超當(dāng)今城市和郊區(qū)常見(jiàn)的服務(wù)水平。
普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，先進(jìn)天線系統(tǒng)（AAS）或智能天線（SAs）是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、超可靠低延遲通信（URLLC）和大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）的必要條件，這三大場(chǎng)景被視為早期5G應(yīng)用的三大支柱。升級(jí)后的天線技術(shù)，如大規(guī)模多輸入多輸出（mMIMO）、Sub-6 GHz與毫米波（mmW）載波聚合（CA），以及全維度（FD）波束成形/MIMO（FD-MIMO），也被視為支撐5G應(yīng)用的關(guān)鍵天線技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)這些高遠(yuǎn)的性能目標(biāo)，天線需要超越當(dāng)前部署的無(wú)源和有限MIMO技術(shù)，發(fā)展為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的密集天線陣列，更接近軍事有源電子掃描陣列（AESA）技術(shù)中使用的相控陣天線。
本文旨在向讀者介紹當(dāng)前4G天線的發(fā)展現(xiàn)狀，以及5G標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用場(chǎng)景如何推動(dòng)天線設(shè)計(jì)向有源、高度集成和超密集MIMO系統(tǒng)演進(jìn)。
二、傳統(tǒng)蜂窩天線技術(shù)與早期MIMO
近年來(lái)，電信安裝商主要使用扇區(qū)化（3扇區(qū)）天線，這類天線的頻率性能足以滿足特定運(yùn)營(yíng)商頻段的指定服務(wù)需求。隨著4G的出現(xiàn)，這還包括無(wú)源MIMO技術(shù)和載波聚合（CA），使設(shè)備能夠通過(guò)多個(gè)空間復(fù)用路徑和多個(gè)頻段連接。
圖2. 三扇區(qū)通信示意圖
在大多數(shù)國(guó)家，普遍部署的是2x2 MIMO和有限的CA（受限于用戶設(shè)備），這意味著對(duì)于大多數(shù)用戶而言，若啟用MIMO，最多僅通過(guò)設(shè)備與基站天線之間的兩條空間路徑進(jìn)行通信。直到最近，才有少數(shù)用戶設(shè)備和最新基站/天線部署提供更高階的MIMO（如8x8）和支持多達(dá)7個(gè)分量載波的CA。為了讓網(wǎng)絡(luò)為類5G服務(wù)和早期5G部署做好準(zhǔn)備，已出現(xiàn)了一種通過(guò)天線系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)來(lái)支持更高級(jí)別MIMO和CA的方式，這在很大程度上已在4G-LTE Advanced Pro（3GPP第14版）中概述。
圖3. 2x2 MIMO示意圖
當(dāng)前，4G MIMO天線是2x2 MIMO交叉極化天線，通過(guò)前傳光纖電纜連接到遠(yuǎn)程無(wú)線電頭端/無(wú)線電單元（RRU），再連接到數(shù)字單元/基帶（BBU或者DU）。這是對(duì)先前蜂窩塔天線系統(tǒng)的改進(jìn)——此前的系統(tǒng)使用基站收發(fā)信機(jī)（BTS），通過(guò)同軸組件將射頻信號(hào)傳輸到單個(gè)天線單元。對(duì)于4x4和8x8 MIMO，通常需要將多個(gè)RRU連接到多個(gè)交叉極化MIMO天線，形成一個(gè)隨著MIMO復(fù)雜度增加而線性擴(kuò)展的天線系統(tǒng)。但由于蜂窩塔設(shè)備繁雜，且從成本和復(fù)雜性角度來(lái)看缺乏吸引力，OEM廠商已開(kāi)發(fā)并持續(xù)開(kāi)發(fā)基于有源技術(shù)的更緊湊天線系統(tǒng)。其成果是64x64 MIMO天線，在與天線同一組件中集成了收發(fā)器、MIMO和波束成形硬件。
圖4. 基帶+RRU+天線連接示意圖
為避免小區(qū)邊緣干擾，運(yùn)營(yíng)商主要采用雙扇區(qū)小區(qū)策略，但這可能不足以滿足最終4G部署或早期5G部署的預(yù)期。目前正朝著每個(gè)小區(qū)使用6扇區(qū)的先進(jìn)矢量扇區(qū)化方向發(fā)展，結(jié)合主動(dòng)小區(qū)成形等技術(shù)來(lái)幫助緩解小區(qū)邊緣干擾。當(dāng)前，天線采購(gòu)正轉(zhuǎn)向多頻段和MIMO天線，即64x64 MIMO天線，也稱為大規(guī)模MIMO（mMIMO）天線。
三、5G波束成形與MIMO
2019年發(fā)布的3GPP第15版引入了非獨(dú)立（NSA）5G選項(xiàng)，支持LTE和5G新空口（NR）通信鏈路的雙連接。這涉及使用LTE服務(wù)作為控制平面和冗余路徑，以及使用毫米波5G鏈路進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信。因此，現(xiàn)在存在多種網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，每種選項(xiàng)都有其獨(dú)特的天線要求和技術(shù)。鑒于毫米波5G服務(wù)面臨更高的大氣衰減和相應(yīng)較窄的天線方向圖，波束成形和MIMO被視為其正常運(yùn)行的關(guān)鍵。大規(guī)模MIMO在支持小區(qū)內(nèi)大量并發(fā)用戶和機(jī)器類通信方面獲得了更多支持，這對(duì)天線系統(tǒng)和基站基礎(chǔ)設(shè)施提出了不同的要求。
圖6. 波束調(diào)整支持方位角、仰角和天線方向圖成形，這些是有源天線陣列的優(yōu)勢(shì)。
四、網(wǎng)絡(luò)部署場(chǎng)景
由于4G技術(shù)的持續(xù)部署和5G NR技術(shù)的初步部署（其中許多仍處于試驗(yàn)階段），可能會(huì)出現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)部署配置和策略。在眾多策略中，5G Americas確定了三種主要策略：N+1、1+1和一體化（All-in-One），這些策略涵蓋了增強(qiáng)型4G站點(diǎn)和新型5G站點(diǎn)。
1、 N+1
這種部署策略包括在現(xiàn)有4G站點(diǎn)上使用獨(dú)立的有源或無(wú)源天線部署5G NR高頻段?，F(xiàn)有天線無(wú)需更改，也不會(huì)向現(xiàn)有服務(wù)添加額外頻段。該方法使用4G LTE作為控制平面來(lái)管理5G NR通信，可能提供固定無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)（FWI）服務(wù)。
2、1+1
通過(guò)更換現(xiàn)有天線并添加5G NR天線，1+1策略可支持傳統(tǒng)頻段/技術(shù)。此外，該策略還支持部署5G NR低頻段和中頻段，但需在獨(dú)立的有源或無(wú)源天線系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。此配置可能支持高低頻段的4T4R和新LTE頻段，其中5G NR低頻段位于LTE低頻段天線罩內(nèi)。
3、一體化（All-in-One）
一體化方法需要將傳統(tǒng)頻段/技術(shù)完全整合，并在同一天線罩內(nèi)納入新的5GNR頻段。這可能導(dǎo)致在同一天線罩內(nèi)放置兩種不同的天線系統(tǒng)：一種是支持4T4R和8T8R的全無(wú)源天線（4T4R 700/850/1900/AWS/1800/2100/2600 + 8T8R 3500），另一種是用于中期的無(wú)源或有源天線，支持更高級(jí)別的MIMO（4T4R 700/850/1900/AWS/1800/2100/2600+16T16R/32T32R/64T64R 3500）。
五、有源與無(wú)源天線
有源天線與無(wú)源天線的區(qū)別在于，通過(guò)對(duì)天線單元或子陣列的相位和幅度進(jìn)行主動(dòng)控制，有源天線可實(shí)現(xiàn)波束成形。波束成形是對(duì)射頻能量的控制，驅(qū)動(dòng)天線陣列使其方向圖能夠按預(yù)期進(jìn)行控制和成形。相較于電子下傾技術(shù)，波束成形提供了更大的自由度和精細(xì)控制能力，先進(jìn)的波束成形技術(shù)可生成多個(gè)指向目標(biāo)通信設(shè)備的天線波瓣（波束）。
圖7. 有源天線通過(guò)控制線性陣列中每個(gè)貼片天線所接收信號(hào)的相位，就能控制波束指向的方向。
波束成形的進(jìn)一步發(fā)展可包括仰角（垂直波束成形）和方位角（水平波束成形）控制。將波束的方位角和仰角控制與MIMO能力相結(jié)合，即稱為全維度MIMO（3D-MIMO），這使得作為用戶 premises 設(shè)備（CPE）的用戶設(shè)備和固定無(wú)線設(shè)備能夠通過(guò)限制干擾和更高效地引導(dǎo)信號(hào)能量，接收最佳信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量。
圖8. 3D-MIMO端示意圖
無(wú)源天線僅需要定期（手動(dòng)或電動(dòng)）調(diào)整或僅在安裝時(shí)調(diào)整的電子元件。相比之下，有源天線需要對(duì)發(fā)送至每個(gè)天線單元的信號(hào)的相位和幅度進(jìn)行持續(xù)電子（有源）調(diào)整，這也是為何將射頻與數(shù)字技術(shù)集成以實(shí)現(xiàn)更小尺寸和更低成本天線系統(tǒng)的趨勢(shì)日益明顯。
六、 射頻與天線的集成（AAS）
先進(jìn)天線系統(tǒng)（AAS）或有源天線系統(tǒng)被廣泛視為優(yōu)化基站效率、容量和覆蓋范圍，并滿足用戶對(duì)5G服務(wù)高期望的關(guān)鍵技術(shù)。然而，利用AAS也意味著需要改變蜂窩結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施以及天線/射頻技術(shù)，以支持既能兼容傳統(tǒng)服務(wù)又能承載新5G網(wǎng)絡(luò)的需求。從本質(zhì)上講，AAS是將遠(yuǎn)程無(wú)線電頭端（RRU）與天線陣列相結(jié)合，由數(shù)字單元（DU）/數(shù)字基帶單元（BBU）替代基站收發(fā)信機(jī)來(lái)提供數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。5G AAS基站的網(wǎng)絡(luò)信息最可能通過(guò)光纖通信和微波/毫米波回程實(shí)現(xiàn)最后一公里連接。這一趨勢(shì)在4G部署后期已顯現(xiàn)，并普遍被提議用于5G部署。
圖9. AAS及其射頻前端示意圖
七、波束成形/MIMO架構(gòu)對(duì)天線系統(tǒng)的影響
為了使AAS在與現(xiàn)有無(wú)源天線大致相同的尺寸下滿足設(shè)計(jì)要求，AAS原始設(shè)備制造商（OEM）必須應(yīng)對(duì)若干設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。將射頻、數(shù)字和天線技術(shù)集成到單個(gè)封裝中，同時(shí)具備足夠的可配置性以避免過(guò)早淘汰，這帶來(lái)了額外的設(shè)計(jì)考量：熱管理、尺寸最小化、電源管理、互連布線以及減輕所有額外射頻硬件的重量。因此，AAS有幾種設(shè)計(jì)方法，可利用模擬/射頻、數(shù)字或混合方法來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的發(fā)射、接收、波束成形和MIMO功能。
1、 模擬波速成形
模擬波束成形涉及使用離散射頻硬件，處理波束成形和通信所需的合成/拆分、幅度調(diào)整、相位調(diào)整、發(fā)射、接收和濾波。在模擬方法中，每個(gè)天線單元或子陣列需要獨(dú)立的射頻前端（RFFE）硬件，其中部分組件可集成到射頻集成電路（RFIC）或微波單片集成電路（MMIC）中，以節(jié)省空間和功耗。此外，為限制模擬波束成形AAS的尺寸和重量，通常采用子陣列來(lái)減少單元素控制的靈活性。
圖10. 模擬波束成形框圖
然而，其他組件（如功率放大器（PA）、混頻器、振蕩器、調(diào)制器、功率合成器/分配器、濾波器等）的集成可能具有挑戰(zhàn)性。由于技術(shù)可用性、靈活性和時(shí)序限制，模擬波束成形目前用于4G最終部署和5G早期部署。高頻段5G（毫米波5G）可能會(huì)在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)使用模擬RFFE硬件，因?yàn)樵?0、30和50GHz頻段運(yùn)行的數(shù)字技術(shù)較少。通常，對(duì)于毫米波應(yīng)用，使用振蕩器、混頻器和頻率合成器技術(shù)生成毫米波信號(hào)，但過(guò)去幾年中已出現(xiàn)了較新的28GHz數(shù)字收發(fā)器原型作為例外。
2、數(shù)字波速成形
全數(shù)字波束成形技術(shù)仍在開(kāi)發(fā)中，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是完全替代直至收發(fā)器的RFFE組件，這些組件可能隨后集成或組裝到緊湊的發(fā)射/接收模塊（TRM）中。通過(guò)直接數(shù)字合成（DDS）和直接數(shù)字轉(zhuǎn)換（DDC）/直接射頻采樣（DRF），基帶單元與任何頻率轉(zhuǎn)換、波束成形配置、調(diào)制/解調(diào)及濾波（接收器和發(fā)射器濾波除外，以減輕干擾并確保合規(guī)性）完全數(shù)字化。
圖11. 數(shù)字波束成形框圖
此類單元（有時(shí)稱為天線處理單元（AAU））能夠向數(shù)字基帶單元提供射頻信號(hào)的數(shù)字化饋送，從而支持極寬帶寬應(yīng)用，只要AAU能夠覆蓋所需5G毫米波頻段的最高頻率，即可在單個(gè)AAS中處理低頻段、中頻段和高頻段5G信號(hào)。目前，該技術(shù)極為新穎，可能尚未部署或正在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。
具備完整功能的全數(shù)字AAS將支持單元素FD-MIMO，與為降低成本、復(fù)雜性、功耗、尺寸或重量而將單元?jiǎng)澐譃樽雨嚵械腗IMO系統(tǒng)相比，性能可能得到提升。
3、混合波速成形
混合波束成形結(jié)合了數(shù)字和模擬波束成形技術(shù)，通過(guò)數(shù)字合成和采樣/轉(zhuǎn)換技術(shù)幫助減少部分射頻硬件。在這種情況下，高單元數(shù)MIMO和波束成形天線可能仍劃分為子陣列，但較低復(fù)雜度的MIMO/波束成形AAS（4T4R、8T8R、16T16R）可通過(guò)單元素控制實(shí)現(xiàn)?；旌螦AS可能比同類數(shù)字AAS更重，但被視為在成本和復(fù)雜性之間的權(quán)衡，以提供后期4G技術(shù)和早期5G技術(shù)。在可行的全數(shù)字波束成形技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)之前，這可能是最常見(jiàn)的MIMO天線和大規(guī)模MIMO AAS形式。目前已有原型和產(chǎn)品正在準(zhǔn)備于2020年推出。
圖12. 混合波束成形框圖
結(jié)論
自蜂窩服務(wù)誕生以來(lái)，蜂窩天線不斷演進(jìn)。最新3GPP版本為4G引入的MIMO、波束成形和CA技術(shù)已對(duì)蜂窩天線設(shè)計(jì)產(chǎn)生了重大影響。隨著蜂窩服務(wù)新增低頻段、中頻段和高頻段頻率，以及大規(guī)模MIMO的引入，蜂窩天線正在再次變革。蜂窩天線功能的這些新特性和變化也極大地影響了蜂窩天線設(shè)計(jì)，以至于現(xiàn)代蜂窩天線現(xiàn)在必須包含集成的射頻和數(shù)字硬件，以滿足最新標(biāo)準(zhǔn)并保持競(jìng)爭(zhēng)力。
