1 基站天線概述

本章介紹了基站天線的分類方式，移動通信中不同型號天線的外觀。

1.1 基站天線分類

全向天線 ：在水平方向圖上表現(xiàn)為360°都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在移動通信系統(tǒng)中一般應用與郊縣大區(qū)制的站型，覆蓋范圍大。

定向天線 ：在在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射，也就是平常所說的有方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，同全向天線一樣，波瓣寬度越小，增益越大。定向天線在移動通信系統(tǒng)中一般應用于城區(qū)小區(qū)制的站型，覆蓋范圍小，用戶密度大，頻率利用率高。

根據(jù)組網(wǎng)的要求建立不同類型的基站，而不同類型的基站可根據(jù)需要選擇不同類型的天線。選擇的依據(jù)就是上述技術參數(shù)。比如全向站就是采用了各個水平方向增益基本相同的全向型天線，而定向站就是采用了水平方向增益有明顯變化的定向型天線。一般在市區(qū)選擇水平波束寬度為65°的天線，在郊區(qū)可選擇水平波束寬度為65°、90°或120°的天線（按照站型配置和當?shù)氐乩憝h(huán)境而定），而在鄉(xiāng)村選擇能夠實現(xiàn)大范圍覆蓋的全向天線則是最為經(jīng)濟的。

機械天線 ：指使用機械調整下傾角度的移動天線。機械天線與地面垂直安裝好以后，如果因網(wǎng)絡優(yōu)化的要求，需要調整天線背面支架的位置改變天線的傾角來實現(xiàn)。在調整過程中，雖然天線主瓣方向的覆蓋距離明顯變化，但天線垂直分量和水平分量的幅值不變，所以天線方向圖容易變形。

實踐證明：機械天線的最佳下傾角度為1°-5°；當下傾角度在5°-10°變化時，其天線方向圖稍有變形但變化不大；當下傾角度在10°-15°變化時，其天線方向圖變化較大；當機械天線下傾15°后，天線方向圖形狀改變很大，從沒有下傾時的鴨梨形變?yōu)榧忓N形，這時雖然主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，但是整個天線方向圖不是都在本基站扇區(qū)內，在相鄰基站扇區(qū)內也會收到該基站的信號，從而造成嚴重的系統(tǒng)內干擾。另外，在日常維護中，如果要調整機械天線下傾角度，整個系統(tǒng)要關機，不能在調整天線傾角的同時進行監(jiān)測；機械天線調整天線下傾角度非常麻煩，一般需要維護人員爬到天線安放處進行調整；機械天線的下傾角度是通過計算機模擬分析軟件計算的理論值，同實際最佳下傾角度有一定的偏差；機械天線調整傾角的步進度數(shù)為1°，三階互調指標為-120dBc。

電調天線 ：指使用電子調整下傾角度的移動天線。電子下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的幅值大小，改變合成分量場強強度，從而使天線的垂直方向圖下傾。由于天線各方向的場強強度同時增大和減小，保證在改變傾角后天線方向圖變化不大，使主瓣方向覆蓋距離縮短，同時又使整個方向性圖在服務小區(qū)扇區(qū)內減小覆蓋面積但又不產生干擾。實踐證明，電調天線下傾角度在1°-5°變化時，其天線方向圖與機械天線的大致相同；當下傾角度在5°-10°變化時，其天線方向圖較機械天線的稍有改善；當下傾角度在10°-15°變化時，其天線方向圖較機械天線的變化較大；當機械天線下傾15°后，其天線方向圖較機械天線的明顯不同，這時天線方向圖形狀改變不大，主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，整個天線方向圖都在本基站扇區(qū)內，增加下傾角度，可以使扇區(qū)覆蓋面積縮小，但不產生干擾，因此采用電調天線能夠降低呼損，減小干擾。另外，電調天線允許系統(tǒng)在不停機的情況下對垂直方向性圖下傾角進行調整，實時監(jiān)測調整的效果，調整傾角的步進精度也較高（為0.1°），因此可以對網(wǎng)絡實現(xiàn)精細調整；電調天線的三階互調指標為-150dBc，較機械天線相差30dBc，有利于消除鄰頻干擾和雜散干擾。

雙極化天線 ：雙極化天線是一種新型天線技術，組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時工作在收發(fā)雙工模式下，因此其最突出的優(yōu)點是節(jié)省單個定向基站的天線數(shù)量；一般LTE數(shù)字移動通信網(wǎng)的定向基站（三扇區(qū)）要使用9根天線，每個扇形使用3根天線（空間分集，一發(fā)兩收），如果使用雙極化天線，每個扇形只需要1根天線；同時由于在雙極化天線中，±45°的極化正交性可以保證+45°和-45°兩副天線之間的隔離度滿足互調對天線間隔離度的要求（≥30dB），因此雙極化天線之間的空間間隔僅需20-30cm；另外，雙極化天線具有電調天線的優(yōu)點，在移動通信網(wǎng)中使用雙極化天線同電調天線一樣，可以降低呼損，減小干擾，提高全網(wǎng)的服務質量。如果使用雙極化天線，由于雙極化天線對架設安裝要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直徑20cm的鐵柱，將雙極化天線按相應覆蓋方向固定在鐵柱上即可，從而節(jié)省基建投資，同時使基站布局更加合理，基站站址的選定更加容易。

對于天線的選擇，應根據(jù)網(wǎng)絡的覆蓋，業(yè)務量，干擾和網(wǎng)絡服務質量等實際情況，選擇適合本地區(qū)移動網(wǎng)絡需要的移動天線：

· 在基站密集的高話務地區(qū)，應該盡量采用雙極化天線和電調天線；

· 在邊、郊等業(yè)務量不高，基站不密集地區(qū)和只要求覆蓋的地區(qū)，可以使用傳統(tǒng)的機械天線。

1.2 移動通信基站天線的內部構造和種類

1.2.1 定向板型振子陣列天線

板狀定向天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。這種天線的優(yōu)點是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制方便、密封性能可靠以及使用壽命長。天線外形如下圖所示：

圖1-1 板狀定向天線外形示意圖

1.2.1.1 板狀天線高增益的形成

圖1-2 采用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣圖1-3 在直線陣的一側加反射板實現(xiàn)水平定向原理（以帶反射板的二半波振子垂直陣為例）

目前天線廠家的基站定向天線設計基本全部采用板型振子陣列結構，選用的振子有以下兩種，如下面兩節(jié)內容所述。

1.2.1.2 對稱振子

標準的半波對稱陣子（增加一附加振子用以降低振子離地高度，減小天線厚度）

圖1-4 采用多個半波振子合成的定向板狀天線

1.2.1.3 微帶振子

半波振子的變形，利用1/4波長傳輸線原理形成輻射：

圖1-5 采用多個微帶振子合成的定向板狀天線

1.2.2 全向串饋振子天線

全向天線采用多個半波振子串饋方式來實現(xiàn)輻射增益的合成和增強。

圖1-7 全向天線的串饋振子結構和產品形態(tài)

2 4G LTE天線類型和對比分析

本節(jié)的主要內容是介紹LTE雙極化天線與單極化天線對覆蓋以及流量的對比分析

2.1 LTE雙極化天線和單極化天線相關性分析

LTE多天線技術的引入為無線資源增加了空間維的自由度，同時對無線信道模型提出了新的要求。在3GPP TR 25.996中提出了空間信道模型（Spatial Channel Model, SCM），該模型適用于帶寬是5 MHz和載頻在2 GHz左右的系統(tǒng)，最大多徑個數(shù)為6。LTE系統(tǒng)要求無線信道可以支持到20 MHz，因此，在技術報告36.803中使用了SCME（SCM Extention）模型，將信道帶寬擴展到20 MHz，最大多徑個數(shù)支持到9。其中，eNB和UE間的無線傳輸特性是個時變函數(shù)，它隨著天線配置，天線方向角，天線相關性以及散射環(huán)境等變化而變化，如下圖所示。

圖2-1 SCM角度參數(shù)示意圖

雙極化天線和單極化天線（天線間距10λ）的無線性能差異主要取決于基站天線的相關系數(shù)。當相關系數(shù)為0時，表明天線間相對獨立，相關性低。當相關系數(shù)為1時，表明天線間具有強相關性。當系統(tǒng)采用發(fā)射分集模式（如SFBC），接收分集和MIMO雙流方式時，低相關性天線的無線性能要優(yōu)于高相關性天線的性能。下圖是相關系數(shù)分別為0.25，0.5，0.6和1的SFBC性能仿真結果。從仿真結果來看，當相關系數(shù)為0.25時，其性能基本不受影響（和相關系數(shù)為0相比）。相關系數(shù)為0.5和0.6的SFBC性能下降0.3dB至0.4dB左右。

圖2-2 不同相關系數(shù)的SFBC鏈路級性能對比

中國移動于2008年7月對不同天線配置的相關系數(shù)進行了測試，具體的相關系數(shù)見下表：

表2-1 不同天線配置對應的相關系數(shù)

說明：上表中的相關系數(shù)是中移根據(jù)SCME模型在密集城區(qū)測試獲得。在密集城區(qū)，此相關系數(shù)具有一定的代表性。但并不意味著此相關系數(shù)可以映射到某一具體項目，也不意味著此相關系數(shù)對所有密集城區(qū)的模型都適用。

2.2 LTE雙極化天線和單極化天線性能對比

LTE定義了七種多天線發(fā)射模式，包括發(fā)射分集，基于預編碼的MIMO, 波束賦型等。LTE定義的七種發(fā)射模式，主要就是考慮在不同場景下，不同信道模型下，可以靈活選用發(fā)射模式。通常無線移動通信網(wǎng)絡性能的瓶頸和短板分為以下三類：

功率受限系統(tǒng)：

典型應用場景：以增加覆蓋，克服衰落為主要目的，如效區(qū)，農村廣覆蓋等

采用天線技術類型：發(fā)射分集，接收分集

性能差距：10λ單極化天線比雙極化天線性能提升低于5%，兩者性能差距不大。

干擾受限系統(tǒng)：

典型應用場景：主要應用于密集城區(qū)，站間距比較小。干擾是影響網(wǎng)絡性能的主要因素。

采用天線技術類型：RANK=2 MIMO雙流，RANK=1 MIMO單流，RANK自適應

性能差距：RANK自適應算法明顯優(yōu)于MIMO強制雙流；同時，雙極化天線性能和10λ單極化天線性能基本相當。

帶寬受限系統(tǒng)：

典型應用場景：信道條件（CQI）比較好，基站間沒有形成連續(xù)覆蓋，基站的站間距比較大，用戶數(shù)比較稀少。如：實驗網(wǎng)初期的單小區(qū)覆蓋等，

采用天線技術類型：RANK=2 MIMO雙流

性能比較：10λ單極化天線性能要優(yōu)于雙極化天線，性能提升在20%左右

表2-2 天線應用場景結論表

上文主要分析了單極化天線和雙極化天線的性能上的差距。但需要注意的是，雙極化天線在工程上具有安裝方便等優(yōu)勢。包括可以采用單抱桿，統(tǒng)一調整下傾角，容易美化天線等。在目前無線網(wǎng)絡站址選擇和安裝越來越困難的情況下，雙極化天線上述優(yōu)勢顯得尤其重要。

3 4G LTE基站天線應用場景和選型

本節(jié)的主要內容根據(jù)實際網(wǎng)絡部署場景，說明無線網(wǎng)絡覆蓋區(qū)分類和相應的天線選型

3.1 市區(qū)基站天線選擇

應用環(huán)境特點：基站分布較密，要求單基站覆蓋范圍小，希望盡量減少越區(qū)覆蓋的現(xiàn)象，減少基站之間的干擾，提高下載速率。

天線選用原則：

極化方式選擇：由于市區(qū)基站站址選擇困難，天線安裝空間受限，建議選用雙極化天線，寬頻天線；

方向圖的選擇：在市區(qū)主要考慮提高頻率復用度，因此一般選用定向天線；

半功率波束寬度的選擇：為了能更好地控制小區(qū)的覆蓋范圍來抑制干擾，市區(qū)天線水平半功率波束寬度選60~65°；

天線增益的選擇：由于市區(qū)基站一般不要求大范圍的覆蓋距離，因此建議選用中等增益的天線。建議市區(qū)天線增益選用15-18dBi增益的天線。若市區(qū)內用作補盲的微蜂窩天線增益可選擇更低的天線；

下傾角選擇：由于市區(qū)的天線傾角調整相對頻繁，且有的天線需要設置較大的傾角，而機械下傾不利于干擾控制，所以建議選用預置下傾角天線?？梢赃x擇具有固定電下傾角的天線，條件滿足時也可以選擇電調天線。

3.2 郊區(qū)農村基站天線選擇

應用環(huán)境特點：基站分布稀疏，業(yè)務量較小，對數(shù)據(jù)業(yè)務要求比較低，要求廣覆蓋。有的地方周圍只有一個基站，覆蓋成為最為關注的對象，這時應結合基站周圍需覆蓋的區(qū)域來考慮天線的選型。

方向圖選擇：如果要求基站覆蓋周圍的區(qū)域，且沒有明顯的方向性，基站周圍話務分布比較分散，此時建議采用全向基站覆蓋。同時需要注意的是：全向基站由于增益小，覆蓋距離不如定向基站遠。同時全向天線在安裝時要注意塔體對覆蓋的影響，并且天線一定要與地平面保持垂直。如果局方對基站的覆蓋距離有更遠的覆蓋要求，則需要用定向天線來實現(xiàn)。一般情況下，應當采用水平面半功率波束寬度為90 °、105 °、120 °的定向天線；

天線增益的選擇：視覆蓋要求選擇天線增益，建議在郊區(qū)農村地區(qū)選擇較高增益（16-18dBi）的定向天線或9-11dBi的全向天線；

下傾方式的選擇：在郊區(qū)農村地區(qū)對天線的下傾調整不多，其下傾角的調整范圍及特性要求不高，建議選用機械下傾天線；同時，天線掛高在50米以上且近端有覆蓋要求時，可以優(yōu)先選用零點填充的天線來避免塔下黑問題。

3.3 公路覆蓋基站天線選擇

應用環(huán)境特點：該環(huán)境下業(yè)務量低、用戶高速移動、此時重點解決的是覆蓋問題。一般來說它要實現(xiàn)的是帶狀覆蓋，故公路的覆蓋多采用雙向小區(qū)；在穿過城鎮(zhèn)，旅游點的地區(qū)也綜合采用全向小區(qū)；再就是強調廣覆蓋，要結合站址及站型的選擇來決定采用的天線類型。不同的公路環(huán)境差別很大，一般來說有較為平直的公路，如高速公路、鐵路、國道、省道等等，推薦在公路旁建站，采用S1/1/1、或S1/1站型，配以高增益定向天線實現(xiàn)覆蓋。有蜿蜒起伏的公路如盤山公路、縣級自建的山區(qū)公路等等。得結合在公路附近的鄉(xiāng)村覆蓋，選擇高處建站。

在初始規(guī)劃進行天線選型時，應盡量選擇覆蓋距離廣的高增益天線進行廣覆蓋。

天線選型原則：

方向圖的選擇：在以覆蓋鐵路、公路沿線為目標的基站，可以采用窄波束高增益的定向天線?？筛鶕?jù)布站點的道路局部地形起伏和拐彎等因素來靈活選擇天線形式；

天線增益的選擇，定向天線增益可選17dBi-22dBi的天線，全向天線的增益選擇11dBi；

下傾方式的選擇：公路覆蓋一般不設下傾角，建議選用價格較便宜的機械下傾天線，在50米以上且近端有覆蓋要求時，可以優(yōu)先選用零點填充（大于15%）的天線來解決塔下黑問題；

前后比：由于公路覆蓋大多數(shù)用戶都是快速移動用戶，所以為保證切換的正常進行，定向天線的前后比不宜太高。

3.4 山區(qū)覆蓋基站天線選擇

應用環(huán)境特點：在偏遠的丘陵山區(qū)，山體阻擋嚴重，電波的傳播衰落較大，覆蓋難度大。通常為廣覆蓋，在基站很廣的覆蓋半徑內分布零散用戶，業(yè)務量較小?；净蚪ㄔ谏巾斏稀⑸窖g、山腳下、或山區(qū)里的合適位置。需要區(qū)分不同的用戶分布、地形特點來進行基站選址、選型、選擇天線。以下這幾種情況比較常見的：盆地型山區(qū)建站、高山上建站、半山腰建站、普通山區(qū)建站等。

天線選擇原則：

方向圖的選擇：視基站的位置、站型及周邊覆蓋需求來決定方向圖的選擇，可以選擇全向天線，也可以選擇定向天線。對于建在山上的基站，若需要覆蓋的地方位置相對較低，則應選擇垂直半功率角較大的方向圖，更好地滿足垂直方向的覆蓋要求；

天線增益選擇：視需覆蓋的區(qū)域的遠近選擇中等天線增益，全向天線（9-11dBi），定向天線（15-18dBi）；

傾角選擇：在山上建站，需覆蓋的地方在山下時，要選用具有零點填充或預置下傾角的天線。對于預置下傾角的大小視基站與需覆蓋地方的相對高度作出選擇，相對高度越大預置下傾角也就應選擇更大一些的天線。

3.5 LTE基站天線應用場景總結

根據(jù)以上的選擇，結合LTE的特殊情況，建議的天線選型原則為：

表3-1 天線應用場景總結

一般情況下，LTE的站址選擇均利用現(xiàn)有的設施，因此是否有足夠空間來安裝LTE天線和高度是否滿足LTE規(guī)劃是面臨的最大問題。因此實際工程采用那種極化方式、是否采用寬頻天線、下傾角方式等技術參數(shù)，需要對現(xiàn)有設施進行詳細勘查后，根據(jù)實際情況進行合理規(guī)劃。由于LTE存在MIMO技術，目前常用的包括2T2R和4T4R情況?？紤]到建站成本等因素，對于2T2R情況，一般情況下采用雙極化天線；對于4T4R情況，一般情況下采用2個雙極化天線，天線之間的距離1-2λ即可，對應2.6G大約30-50cm之間。

4 5G Massive MIMO AAU和應用場景

本節(jié)的主要內容簡述了5G的AAU的天線和應用場景選型

4.1 5G Massive MIMO AAU

4G時代已經(jīng)非常成熟的多輸入輸出技術（MIMO）可以有效利用在收發(fā)系統(tǒng)之間的多個天線之間存在的多個空間信道，傳輸多路相互正交的數(shù)據(jù)流，從而在不增加通信帶寬的基礎上提高數(shù)據(jù)吞吐率以及通信的穩(wěn)定性。

從4G發(fā)展到5G時代的Massive MIMO技術是MIMO技術的升級版。在有限的時間和頻率資源基礎上，采用上百個天線單元同時服務多達幾十個的移動終端，更進一步提高了數(shù)據(jù)吞吐率和能量的使用效率。而5G通信頻率高，天線尺寸隨著縮短，使得原本空間能夠塞下更多的天線數(shù)量。Massive MIMO技術奠定了5G時代通信技術的基調，因此天線也成為5G時代繼射頻前端的另一個爆發(fā)性增長的器件，其中基站天線占比20%，而終端天線占比80%。

5G基站的由于廣泛采用了Massive MIMO技術，其內部集成的天線采用的振子數(shù)量很多，另外集成了收發(fā)機單元，因此也稱作有源天線陣列單元（AAU）。其內部結構原理圖和產品形態(tài)如下圖所示。

圖4-1 Massive MIMO AAU 結構原理圖

圖4-2 Massive MIMO AAU 產品形態(tài)爆炸圖

對于<6GHz頻段的AAU來說，通信設備廠商一般采用192個振子。水平方向共12行，垂直方向有8列振子，再加上±45°雙極化，一共就有12x8x2=192個振子。每三個振子為一組，稱為一副天線，因此該AAU共有192/3=64個天線。如果每6個振子組成一個天線的話，該AAU就有192/6=32個天線。

圖4-3 65TR和32TR AAU 天線振子圖

<6GHz頻段的AAU通常采用全數(shù)字波束賦形，可以認為其天線數(shù)，發(fā)射通道數(shù)，功放數(shù)是一樣的。陣子數(shù)是覆蓋的一個重要因素，陣子數(shù)越多，波束就越窄，能量就更集中天線數(shù)和通道數(shù)越多，AAU內部的功放數(shù)也就越多，對基帶資源的消耗也會越大，設備的成本也就越高。

4.2 5G信號衰落模型

3GPP TR 38.901給出了室內熱點辦公區(qū)（InH-Office）、城市微蜂窩街道（UMi-Street Canyon）、城市宏蜂窩（Uma）、農村宏蜂窩（RMa）4種場景，每類場景又分非視距（NLOS）和視距（LOS）場景共八種傳播模型。本文選取了城市宏站Uma-LOS/NLOS場景下路徑損耗模型。其中fc工作頻率（GHz），hBS基站天線有效高度（m），hUT移動臺天線有效高度（m），d2D基站與移動臺水平距離（m），d3D基站天線與移動臺天線直線距離（m）。

根據(jù)上表中，根據(jù)以下公式可以計算出城市宏站不同信道的典型的最大允許路徑損耗（MAPL）?？梢钥闯?，5G NR 3.5GHz上下行最大允許路徑損耗差距達到13.65 dB，網(wǎng)絡覆蓋范圍上行受限，且受限于上行PUSCH信道。

PLmax=PTx-Lf+GTx-Mf-Ml+GRx-Lp-Lb-SR

其中PTx基站發(fā)射功率，Lf饋線損耗，GTx基站天線增益，Mf陰影衰落和快衰落余量，Ml干擾余量，GRx手機天線增益，Lp建筑物穿透損耗，Lb人體損耗，SRx手機接收靈敏度

4.3 5G AAU應用場景

在密集城區(qū)，復雜的無線環(huán)境導致干擾惡化，高樓林立導致垂直覆蓋要求高、用戶容量需求大。64TR設備能提供更優(yōu)的大規(guī)模MIMO的波束賦形，實現(xiàn)高流量的多用戶MIMO傳輸，同時可顯著提高垂直維度的覆蓋。在郊區(qū)和農村，MU-MIMO配對成功率降低，64TR設備不能充分發(fā)揮其容量優(yōu)勢，因此可采用低配置設備。使用32天線就可以滿足需求了。對于更為偏遠的地區(qū)，對容量的要求不高，主要解決覆蓋問題，這時甚至連Massive MIMO都不用了，直接使用8端口RRU接上天線就行。

下圖為某設備廠商提出的場景化網(wǎng)絡覆蓋方案。宏站是最重要的產品形態(tài)，64TR AAU解決4G/5G階段持續(xù)高容量需求，用低配置32TR AAU解決4G/5G低流量區(qū)域、低成本建網(wǎng)需求。室內分布系統(tǒng)產品有2TR和4TR設備，利用現(xiàn)網(wǎng)無源室分系統(tǒng)或者新建等方式，解決高價值、高流量的室內場景。此外，微站基站4TR射頻單元（RRU）產品廣泛應用于居民區(qū)、步行街等補忙補熱場景。

圖4-4 某設備廠商的場景化網(wǎng)絡覆蓋解決方案

從第4.2節(jié)的計算結果可以看到，3.5 GHz頻段5G NR上行覆蓋受限，主要受終端功率受限影響，考慮到未來5G推出后的一段時間內上下行業(yè)務速率要求仍存在不對稱的情況（下行速率要求遠高于上行），為保持現(xiàn)有網(wǎng)絡結構不變、減低建網(wǎng)成本，使得運營商能在4G現(xiàn)網(wǎng)站點上快速疊加部署5G，可采用上下行解耦（SUL）的方式解決存在上行覆蓋瓶頸的問題。即上行利舊LTE設備，重耕1.8 GHz FDD部分帶寬為5G NR提升覆蓋，下行則在3.5 GHz頻段部署5GNR。

圖4-5 上下行使用不同頻段解耦解決方案