4G和5G基站天線的分類方式介紹

1 基站天線概述

本章介紹了基站天線的分類方式，移動(dòng)通信中不同型號(hào)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(shuō)的無(wú)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(dòng)通信系統(tǒng)中一般應(yīng)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(shuō)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(dòng)通信系統(tǒng)中一般應(yīng)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(shù)參數(shù)。比如全向站就是采用了各個(gè)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(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境而定），而在鄉(xiāng)村選擇能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍覆蓋的全向天線則是最為經(jīng)濟(jì)的。

機(jī)械天線 ：指使用機(jī)械調(diào)整下傾角度的移動(dòng)天線。機(jī)械天線與地面垂直安裝好以后，如果因網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的要求，需要調(diào)整天線背面支架的位置改變天線的傾角來(lái)實(shí)現(xiàn)。在調(diào)整過(guò)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(shí)踐證明：機(jī)械天線的最佳下傾角度為1°-5°；當(dāng)下傾角度在5°-10°變化時(shí)，其天線方向圖稍有變形但變化不大；當(dāng)下傾角度在10°-15°變化時(shí)，其天線方向圖變化較大；當(dāng)機(jī)械天線下傾15°后，天線方向圖形狀改變很大，從沒(méi)有下傾時(shí)的鴨梨形變?yōu)榧忓N形，這時(shí)雖然主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，但是整個(gè)天線方向圖不是都在本基站扇區(qū)內(nèi)，在相鄰基站扇區(qū)內(nèi)也會(huì)收到該基站的信號(hào)，從而造成嚴(yán)重的系統(tǒng)內(nèi)干擾。另外，在日常維護(hù)中，如果要調(diào)整機(jī)械天線下傾角度，整個(gè)系統(tǒng)要關(guān)機(jī)，不能在調(diào)整天線傾角的同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；機(jī)械天線調(diào)整天線下傾角度非常麻煩，一般需要維護(hù)人員爬到天線安放處進(jìn)行調(diào)整；機(jī)械天線的下傾角度是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析軟件計(jì)算的理論值，同實(shí)際最佳下傾角度有一定的偏差；機(jī)械天線調(diào)整傾角的步進(jìn)度數(shù)為1°，三階互調(diào)指標(biāo)為-120dBc。

電調(diào)天線 ：指使用電子調(diào)整下傾角度的移動(dòng)天線。電子下傾的原理是通過(guò)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(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度，從而使天線的垂直方向圖下傾。由于天線各方向的場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度同時(shí)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(shí)又使整個(gè)方向性圖在服務(wù)小區(qū)扇區(qū)內(nèi)減小覆蓋面積但又不產(chǎn)生干擾。實(shí)踐證明，電調(diào)天線下傾角度在1°-5°變化時(shí)，其天線方向圖與機(jī)械天線的大致相同；當(dāng)下傾角度在5°-10°變化時(shí)，其天線方向圖較機(jī)械天線的稍有改善；當(dāng)下傾角度在10°-15°變化時(shí)，其天線方向圖較機(jī)械天線的變化較大；當(dāng)機(jī)械天線下傾15°后，其天線方向圖較機(jī)械天線的明顯不同，這時(shí)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(gè)天線方向圖都在本基站扇區(qū)內(nèi)，增加下傾角度，可以使扇區(qū)覆蓋面積縮小，但不產(chǎn)生干擾，因此采用電調(diào)天線能夠降低呼損，減小干擾。另外，電調(diào)天線允許系統(tǒng)在不停機(jī)的情況下對(duì)垂直方向性圖下傾角進(jìn)行調(diào)整，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)整的效果，調(diào)整傾角的步進(jìn)精度也較高（為0.1°），因此可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)整；電調(diào)天線的三階互調(diào)指標(biāo)為-150dBc，較機(jī)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(shù)，組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時(shí)工作在收發(fā)雙工模式下，因此其最突出的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省單個(gè)定向基站的天線數(shù)量；一般LTE數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)的定向基站（三扇區(qū)）要使用9根天線，每個(gè)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(gè)扇形只需要1根天線；同時(shí)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(diào)對(duì)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(diào)天線的優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信網(wǎng)中使用雙極化天線同電調(diào)天線一樣，可以降低呼損，減小干擾，提高全網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。如果使用雙極化天線，由于雙極化天線對(duì)架設(shè)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(yīng)覆蓋方向固定在鐵柱上即可，從而節(jié)省基建投資，同時(shí)使基站布局更加合理，基站站址的選定更加容易。

對(duì)于天線的選擇，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，業(yè)務(wù)量，干擾和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等實(shí)際情況，選擇適合本地區(qū)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要的移動(dòng)天線：

· 在基站密集的高話務(wù)地區(qū)，應(yīng)該盡量采用雙極化天線和電調(diào)天線；

· 在邊、郊等業(yè)務(wù)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(jī)械天線。

1.2 移動(dòng)通信基站天線的內(nèi)部構(gòu)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(diǎn)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(zhǎng)。天線外形如下圖所示：

1.2.1.1 板狀天線高增益的形成

圖1-2 采用多個(gè)半波振子排成一個(gè)垂直放置的直線陣

圖1-3 在直線陣的一側(cè)加反射板實(shí)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(shè)計(jì)基本全部采用板型振子陣列結(jié)構(gòu)，選用的振子有以下兩種，如下面兩節(jié)內(nèi)容所述。

1.2.1.2 對(duì)稱振子

標(biāo)準(zhǔn)的半波對(duì)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）

1.2.1.3 微帶振子

半波振子的變形，利用1/4波長(zhǎng)傳輸線原理形成輻射：

1.2.2 全向串饋振子天線

全向天線采用多個(gè)半波振子串饋方式來(lái)實(shí)現(xiàn)輻射增益的合成和增強(qiáng)。

圖1-7 全向天線的串饋振子結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品形態(tài)

2 4G LTE天線類型和對(duì)比分析

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

2.1 LTE雙極化天線和單極化天線相關(guān)性分析

LTE多天線技術(shù)的引入為無(wú)線資源增加了空間維的自由度，同時(shí)對(duì)無(wú)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(gè)數(shù)為6。LTE系統(tǒng)要求無(wú)線信道可以支持到20 MHz，因此，在技術(shù)報(bào)告36.803中使用了SCME（SCM Extention）模型，將信道帶寬擴(kuò)展到20 MHz，最大多徑個(gè)數(shù)支持到9。其中，eNB和UE間的無(wú)線傳輸特性是個(gè)時(shí)變函數(shù)，它隨著天線配置，天線方向角，天線相關(guān)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(wú)線性能差異主要取決于基站天線的相關(guān)系數(shù)。當(dāng)相關(guān)系數(shù)為0時(shí)，表明天線間相對(duì)獨(dú)立，相關(guān)性低。當(dāng)相關(guān)系數(shù)為1時(shí)，表明天線間具有強(qiáng)相關(guān)性。當(dāng)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(shí)，低相關(guān)性天線的無(wú)線性能要優(yōu)于高相關(guān)性天線的性能。下圖是相關(guān)系數(shù)分別為0.25，0.5，0.6和1的SFBC性能仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果來(lái)看，當(dāng)相關(guān)系數(shù)為0.25時(shí)，其性能基本不受影響（和相關(guān)系數(shù)為0相比）。相關(guān)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(guān)系數(shù)的SFBC鏈路級(jí)性能對(duì)比

中國(guó)移動(dòng)于2008年7月對(duì)不同天線配置的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，具體的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)下表：

表2-1 不同天線配置對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)

說(shuō)明：上表中的相關(guān)系數(shù)是中移根據(jù)SCME模型在密集城區(qū)測(cè)試獲得。在密集城區(qū)，此相關(guān)系數(shù)具有一定的代表性。但并不意味著此相關(guān)系數(shù)可以映射到某一具體項(xiàng)目，也不意味著此相關(guān)系數(shù)對(duì)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(duì)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(yù)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(chǎng)景下，不同信道模型下，可以靈活選用發(fā)射模式。通常無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸和短板分為以下三類：

功率受限系統(tǒng)：

典型應(yīng)用場(chǎng)景：以增加覆蓋，克服衰落為主要目的，如效區(qū)，農(nóng)村廣覆蓋等

采用天線技術(shù)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(yīng)用場(chǎng)景：主要應(yīng)用于密集城區(qū)，站間距比較小。干擾是影響網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素。

采用天線技術(shù)類型：RANK=2 MIMO雙流，RANK=1 MIMO單流，RANK自適應(yīng)

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

帶寬受限系統(tǒng)：

典型應(yīng)用場(chǎng)景：信道條件（CQI）比較好，基站間沒(méi)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(shí)驗(yàn)網(wǎng)初期的單小區(qū)覆蓋等，

采用天線技術(shù)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(yīng)用場(chǎng)景結(jié)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(shì)。包括可以采用單抱桿，統(tǒng)一調(diào)整下傾角，容易美化天線等。在目前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)站址選擇和安裝越來(lái)越困難的情況下，雙極化天線上述優(yōu)勢(shì)顯得尤其重要。

3 4G LTE基站天線應(yīng)用場(chǎng)景和選型

本節(jié)的主要內(nèi)容根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署場(chǎng)景，說(shuō)明無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)分類和相應(yīng)的天線選型

3.1 市區(qū)基站天線選擇

應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)：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(fù)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(lái)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(nèi)用作補(bǔ)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(diào)整相對(duì)頻繁，且有的天線需要設(shè)置較大的傾角，而機(jī)械下傾不利于干擾控制，所以建議選用預(yù)置下傾角天線。可以選擇具有固定電下傾角的天線，條件滿足時(shí)也可以選擇電調(diào)天線。

3.2 郊區(qū)農(nóng)村基站天線選擇

應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)：基站分布稀疏，業(yè)務(wù)量較小，對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求比較低，要求廣覆蓋。有的地方周圍只有一個(gè)基站，覆蓋成為最為關(guān)注的對(duì)象，這時(shí)應(yīng)結(jié)合基站周圍需覆蓋的區(qū)域來(lái)考慮天線的選型。

天線選用原則：

方向圖選擇：如果要求基站覆蓋周圍的區(qū)域，且沒(méi)有明顯的方向性，基站周圍話務(wù)分布比較分散，此時(shí)建議采用全向基站覆蓋。同時(shí)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(yuǎn)。同時(shí)全向天線在安裝時(shí)要注意塔體對(duì)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(duì)基站的覆蓋距離有更遠(yuǎn)的覆蓋要求，則需要用定向天線來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般情況下，應(yīng)當(dāng)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(nóng)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(nóng)村地區(qū)對(duì)天線的下傾調(diào)整不多，其下傾角的調(diào)整范圍及特性要求不高，建議選用機(jī)械下傾天線；同時(shí)，天線掛高在50米以上且近端有覆蓋要求時(shí)，可以優(yōu)先選用零點(diǎn)填充的天線來(lái)避免塔下黑問(wèn)題。

3.3 公路覆蓋基站天線選擇

應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)：該環(huán)境下業(yè)務(wù)量低、用戶高速移動(dòng)、此時(shí)重點(diǎn)解決的是覆蓋問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)它要實(shí)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(guò)城鎮(zhèn)，旅游點(diǎn)的地區(qū)也綜合采用全向小區(qū)；再就是強(qiáng)調(diào)廣覆蓋，要結(jié)合站址及站型的選擇來(lái)決定采用的天線類型。不同的公路環(huán)境差別很大，一般來(lái)說(shuō)有較為平直的公路，如高速公路、鐵路、國(guó)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(shí)現(xiàn)覆蓋。有蜿蜒起伏的公路如盤山公路、縣級(jí)自建的山區(qū)公路等等。得結(jié)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(jìn)行天線選型時(shí)，應(yīng)盡量選擇覆蓋距離廣的高增益天線進(jìn)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(biāo)的基站，可以采用窄波束高增益的定向天線。可根據(jù)布站點(diǎn)的道路局部地形起伏和拐彎等因素來(lái)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(shè)下傾角，建議選用價(jià)格較便宜的機(jī)械下傾天線，在50米以上且近端有覆蓋要求時(shí)，可以優(yōu)先選用零點(diǎn)填充（大于15%）的天線來(lái)解決塔下黑問(wèn)題；

前后比：由于公路覆蓋大多數(shù)用戶都是快速移動(dòng)用戶，所以為保證切換的正常進(jìn)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(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)：在偏遠(yuǎn)的丘陵山區(qū)，山體阻擋嚴(yán)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(nèi)分布零散用戶，業(yè)務(wù)量較小。基站或建在山頂上、山腰間、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(diǎn)來(lái)進(jìn)行基站選址、選型、選擇天線。以下這幾種情況比較常見(jiàn)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(lái)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(duì)于建在山上的基站，若需要覆蓋的地方位置相對(duì)較低，則應(yīng)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(yuǎn)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(shí)，要選用具有零點(diǎn)填充或預(yù)置下傾角的天線。對(duì)于預(yù)置下傾角的大小視基站與需覆蓋地方的相對(duì)高度作出選擇，相對(duì)高度越大預(yù)置下傾角也就應(yīng)選擇更大一些的天線。

3.5 LTE基站天線應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)

根據(jù)以上的選擇，結(jié)合LTE的特殊情況，建議的天線選型原則為：

表3-1 天線應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)

一般情況下，LTE的站址選擇均利用現(xiàn)有的設(shè)施，因此是否有足夠空間來(lái)安裝LTE天線和高度是否滿足LTE規(guī)劃是面臨的最大問(wèn)題。因此實(shí)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(shù)參數(shù)，需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行詳細(xì)勘查后，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理規(guī)劃。由于LTE存在MIMO技術(shù)，目前常用的包括2T2R和4T4R情況?？紤]到建站成本等因素，對(duì)于2T2R情況，一般情況下采用雙極化天線；對(duì)于4T4R情況，一般情況下采用2個(gè)雙極化天線，天線之間的距離1-2λ即可，對(duì)應(yīng)2.6G大約30-50cm之間。

4 5G Massive MIMO AAU和應(yīng)用場(chǎng)景

本節(jié)的主要內(nèi)容簡(jiǎn)述了5G的AAU的天線和應(yīng)用場(chǎng)景選型

4.1 5G Massive MIMO AAU

4G時(shí)代已經(jīng)非常成熟的多輸入輸出技術(shù)（MIMO）可以有效利用在收發(fā)系統(tǒng)之間的多個(gè)天線之間存在的多個(gè)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(chǔ)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(shí)代的Massive MIMO技術(shù)是MIMO技術(shù)的升級(jí)版。在有限的時(shí)間和頻率資源基礎(chǔ)上，采用上百個(gè)天線單元同時(shí)服務(wù)多達(dá)幾十個(gè)的移動(dòng)終端，更進(jìn)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(shù)奠定了5G時(shí)代通信技術(shù)的基調(diào)，因此天線也成為5G時(shí)代繼射頻前端的另一個(gè)爆發(fā)性增長(zhǎng)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(shù)，其內(nèi)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(jī)單元，因此也稱作有源天線陣列單元（AAU）。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖和產(chǎn)品形態(tài)如下圖所示。

圖4-1 Massive MIMO AAU 結(jié)構(gòu)原理圖

圖4-2 Massive MIMO AAU 產(chǎn)品形態(tài)爆炸圖

對(duì)于《6GHz頻段的AAU來(lái)說(shuō)，通信設(shè)備廠商一般采用192個(gè)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(gè)振子。每三個(gè)振子為一組，稱為一副天線，因此該AAU共有192/3=64個(gè)天線。如果每6個(gè)振子組成一個(gè)天線的話，該AAU就有192/6=32個(gè)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(rèn)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(gè)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(nèi)部的功放數(shù)也就越多，對(duì)基帶資源的消耗也會(huì)越大，設(shè)備的成本也就越高。

4.2 5G信號(hào)衰落模型

3GPP TR 38.901給出了室內(nèi)熱點(diǎn)辦公區(qū)（InH-Office）、城市微蜂窩街道（UMi-Street Canyon）、城市宏蜂窩（Uma）、農(nóng)村宏蜂窩（RMa）4種場(chǎng)景，每類場(chǎng)景又分非視距（NLOS）和視距（LOS）場(chǎng)景共八種傳播模型。本文選取了城市宏站Uma-LOS/NLOS場(chǎng)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(dòng)臺(tái)天線有效高度（m），d2D基站與移動(dòng)臺(tái)水平距離（m），d3D基站天線與移動(dòng)臺(tái)天線直線距離（m）。

根據(jù)上表中，根據(jù)以下公式可以計(jì)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(dá)到13.65 dB，網(wǎng)絡(luò)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(jī)天線增益，Lp建筑物穿透損耗，Lb人體損耗，SRx手機(jī)接收靈敏度

4.3 5G AAU應(yīng)用場(chǎng)景

在密集城區(qū)，復(fù)雜的無(wú)線環(huán)境導(dǎo)致干擾惡化，高樓林立導(dǎo)致垂直覆蓋要求高、用戶容量需求大。64TR設(shè)備能提供更優(yōu)的大規(guī)模MIMO的波束賦形，實(shí)現(xiàn)高流量的多用戶MIMO傳輸，同時(shí)可顯著提高垂直維度的覆蓋。在郊區(qū)和農(nóng)村，MU-MIMO配對(duì)成功率降低，64TR設(shè)備不能充分發(fā)揮其容量?jī)?yōu)勢(shì)，因此可采用低配置設(shè)備。使用32天線就可以滿足需求了。對(duì)于更為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，對(duì)容量的要求不高，主要解決覆蓋問(wèn)題，這時(shí)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(shè)備廠商提出的場(chǎng)景化網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案。宏站是最重要的產(chǎn)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(nèi)分布系統(tǒng)產(chǎn)品有2TR和4TR設(shè)備，利用現(xiàn)網(wǎng)無(wú)源室分系統(tǒng)或者新建等方式，解決高價(jià)值、高流量的室內(nèi)場(chǎng)景。此外，微站基站4TR射頻單元（RRU）產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于居民區(qū)、步行街等補(bǔ)忙補(bǔ)熱場(chǎng)景。

從第4.2節(jié)的計(jì)算結(jié)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(lái)5G推出后的一段時(shí)間內(nèi)上下行業(yè)務(wù)速率要求仍存在不對(duì)稱的情況（下行速率要求遠(yuǎn)高于上行），為保持現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變、減低建網(wǎng)成本，使得運(yùn)營(yíng)商能在4G現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)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(wèn)題。即上行利舊LTE設(shè)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

原文標(biāo)題：4G和5G基站天線工程知識(shí)和應(yīng)用場(chǎng)景

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