楊 濤，謝偉良，朱雪田

(中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心 北京 100031)

1 引言

移動(dòng)通信系統(tǒng)中的有源天線是將基站的射頻部分集成到天線內(nèi)部，采用多通道的射頻和天線陣子配合，實(shí)現(xiàn)空間波束賦形，完成射頻信號(hào)的收發(fā)。每個(gè)有源單元除了作為輻射/接收單元，輻射/接收電磁信號(hào)之外，還作為電路的一部分，具有諧振、濾波、功率放大等作用[1]。

當(dāng)前，3G/4G移動(dòng)通信系統(tǒng)越來越多地引入了多天線技術(shù)，復(fù)雜的多天線系統(tǒng)將會(huì)給運(yùn)營(yíng)商的工程建設(shè)帶來巨大挑戰(zhàn)，有源天線技術(shù)順應(yīng)射頻部件更貼近天線的發(fā)展趨勢(shì)，使運(yùn)營(yíng)商有機(jī)會(huì)通過減少站點(diǎn)租賃、維護(hù)和能源成本來降低運(yùn)營(yíng)支出，同時(shí)進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能和部署靈活性，有望成為3G/4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的利器[2]，因此有必要對(duì)有源天線在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 有源天線的原理與組成結(jié)構(gòu)

在有源天線結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)天線陣子的背后直接連接分布式的微型收發(fā)單元（micro-radio），包括數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大器（PA）、低噪放（LNA）和雙工器（duplexer），所有的微型收發(fā)單元由數(shù)字信號(hào)處理模塊 (digital signal processing，DSP)控制，實(shí)現(xiàn)同步功能和數(shù)字波束賦形功能，Optical(common public radio interface，CPRI)接口用于連接基帶處理單元(base band unit，BBU)，實(shí)現(xiàn)I/Q數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送。圖1是一個(gè)典型的支持2×2 MIMO（2收2發(fā)）的有源陣列天線結(jié)構(gòu)圖[2]。有源天線內(nèi)部的射頻部件與傳統(tǒng)的射頻拉遠(yuǎn)模塊(remote radio unit，RRU)相比，主要的區(qū)別在于使用了大量的分布式、小型化、高集成度、低功耗的RoC（radio on chip）、雙工器和小功放。這種結(jié)構(gòu)的有源天線能夠進(jìn)一步減少饋線連接的功率損耗，可使系統(tǒng)具有更高的信噪比、更好的阻抗匹配以及更寬的頻帶。典型有源天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 有源天線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

通常有源陣列天線是由多個(gè)分布式收發(fā)單元和輻射模塊組成，每個(gè)輻射模塊的頻率、幅度、相位可控，能形成單個(gè)或多個(gè)波束，并可控制波束指向及波束重構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)大角度范圍內(nèi)的靈活掃描[1]。與傳統(tǒng)的無源天線系統(tǒng)相比，有源天線系統(tǒng)具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖1 典型有源天線結(jié)構(gòu)

3.1 集成度高，天面要求低，便于快速安裝

圖2是基站架構(gòu)演進(jìn)趨勢(shì)圖[3]，從中可以看出，與當(dāng)前使用RRH(remote radio head)的分布式基站相比，有源天線基站將射頻單元集成于天線內(nèi)部，節(jié)省了RRH的安裝空間，大大降低了對(duì)天面資源的要求，高度集成產(chǎn)品更容易安裝和替換，節(jié)省工程時(shí)間和人力成本。同時(shí)，射頻單元內(nèi)置于天線內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)零饋線、零損耗，節(jié)省饋線的投資以及饋線損耗對(duì)性能的影響，提升機(jī)頂輸出功率和接收機(jī)的靈敏度，對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的改善大有益處。

圖2 射頻集成趨勢(shì)

3.2 具有一定的自我修復(fù)（self-healing）能力

有源天線使用分布式多通路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具有冗余備份功能，某些陣子的失效不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)扇區(qū)失去服務(wù)功能，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到某些陣子損壞后，會(huì)通過調(diào)整剩余陣子的幅度和相位來補(bǔ)償增益損失，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。自我修復(fù)能力如圖3所示[3]，當(dāng)某個(gè)陣子失效后，如果不作補(bǔ)償，天線方向圖與之前相比有一定的偏離和增益損失，經(jīng)過補(bǔ)償之后，天線方向圖有明顯改善，當(dāng)然，系統(tǒng)的有效全向輻射功率 (effective isotropic radiated power，EIRP)和接收信號(hào)水平有一定的損失，是不能完全補(bǔ)償?shù)摹?/p>

3.3 靈活多樣的電子下傾技術(shù)使系統(tǒng)覆蓋和容量有明顯提升

由于有源天線每個(gè)陣子都有獨(dú)立的收發(fā)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)幅度和相位的單獨(dú)控制，具有靈活多樣的電子下傾功能，如圖4所示[3]，不同的載波采用不同的下傾角、上下行獨(dú)立下傾角、垂直多扇區(qū)等，仿真結(jié)果表明，這些技術(shù)便于實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，使系統(tǒng)覆蓋和容量有明顯提升。

圖5是LTE上下行的下傾角與系統(tǒng)容量關(guān)系的仿真結(jié)果，從圖5中可以看出，上行容量最優(yōu)時(shí)的下傾角與下行容量最優(yōu)時(shí)的下傾角是不相同的，例如站間距ISD=500 m時(shí)，下行容量最優(yōu)時(shí)的下傾角為14°，上行容量最優(yōu)時(shí)的下傾角為13°，如果考慮下傾角為14°的情況，與相同上下行傾角（DL Tilt=14°，UL Tilt=14°）相比，不同上下行傾角（DL Tilt=14°，UL Tilt=13°）的系統(tǒng)上行容量增益為 8.88%。站間距ISD=1732 m時(shí)，如果考慮系統(tǒng)下行容量最優(yōu)時(shí)的下傾角 6°，與相同上下行傾角（DL Tilt=6°，UL Tilt=6°）相比，不同上下行傾角（DL Tilt=6°，UL Tilt=3°）的系統(tǒng)上行容量增益為22.09%。

圖3 自我修復(fù)能力示意

圖4 電子下傾角應(yīng)用

圖5 LTE上下行獨(dú)立下傾角系統(tǒng)容量仿真

圖6是站間距ISD=500 m時(shí)的LTE垂直多扇區(qū)系統(tǒng)容量仿真結(jié)果，從圖6中可以看出，垂直多扇區(qū)化后，可用資源增倍，使得系統(tǒng)吞吐量有較大的提升，下行容量和上行容量增益分別為32.5%和64.2%。

3.4 節(jié)能環(huán)保

有源天線將射頻緊密集成到天線中，沒有了饋線的損耗，在保證相同輸出功率的情況下，功耗更小，基站的射頻部分置于塔上自然散熱，可以大大減少機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)的使用，有效降低了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的能耗，同時(shí)有源天線簡(jiǎn)潔好看，視覺效果佳，起到了節(jié)能環(huán)保的作用。

圖6 LTE垂直多扇區(qū)系統(tǒng)容量仿真

3.5 2G/3G/4G多制式集成

有源天線與傳統(tǒng)的無源天線相比，頻帶更寬，能夠支持更多的頻段，為2G/3G/4G多制式無線網(wǎng)絡(luò)的融合奠定了基礎(chǔ)，與基于系統(tǒng)集成芯片（system on chip，SoC）的多制式BBU相連接，實(shí)現(xiàn)真正的多?；?。運(yùn)營(yíng)商通過使用基于有源天線的多模基站，將替代原有的大天線、多天線和大面積機(jī)房，從而使得基站樓房的租賃費(fèi)用降低，而且能耗也會(huì)大幅降低，同時(shí)運(yùn)維方面，由多個(gè)分布式收發(fā)單元組成的系統(tǒng)，其中一個(gè)損壞后，不影響整體運(yùn)作，只是損失幾分之一的功能或功率，其本身具有容災(zāi)的能力，從而大幅降低運(yùn)營(yíng)成本。

4 有源天線廣泛應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)

有源陣列天線是集現(xiàn)代相控陣?yán)碚?、超大?guī)模集成電路、現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、先進(jìn)固態(tài)器件及光電技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)物[1]，雖然具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有著廣泛的應(yīng)用空間，但是也應(yīng)該看到有源天線大規(guī)模應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。

4.1 體積和重量問題

有源天線陣列是由許多收發(fā)單元和天線陣子組成的，在收發(fā)單元的背后要附加多個(gè)散熱片以達(dá)到良好的散熱性能，這種結(jié)構(gòu)使得整機(jī)體積和重量較大，特別是當(dāng)天線陣列增加時(shí)，如四天線（四收四發(fā)）或八天線（八收八發(fā)），收發(fā)單元、天線陣子和散熱片的數(shù)量將成倍增加，整機(jī)體積和重量將難以接受，大大限制了有源天線的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，采取有效措施降低體積和尺寸是規(guī)模推廣有源天線應(yīng)用需要重點(diǎn)解決的問題?？赡艿拇胧┯校翰捎眯虏牧先绶涓C夾層、碳纖維結(jié)構(gòu)、帶金屬表層的塑料等[4]；良好的散熱設(shè)計(jì)；采用新工藝技術(shù)；采用更加小型化的功放和雙工器；提高集成度[1]。

4.2 成本問題

有源天線中多路收發(fā)單元大量使用的數(shù)字處理芯片、復(fù)雜的設(shè)計(jì)工藝都給研發(fā)費(fèi)用和制造費(fèi)用帶來成倍的增長(zhǎng)，與傳統(tǒng)的無源天線基站相比，居高不下的成本是運(yùn)營(yíng)商大規(guī)模部署有源天線基站的最大障礙。如何能夠大大降低有源天線的價(jià)格是設(shè)備廠商必須考慮的問題。隨著設(shè)計(jì)制造工藝的持續(xù)改進(jìn)，大規(guī)模集成芯片價(jià)格降低，小型化功放和雙工器產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟，相信將來有源天線的價(jià)格能降低到運(yùn)營(yíng)商可接受的程度。降低收發(fā)組件的成本是推廣使用有源陣列天線的關(guān)鍵,具體可采用如下措施：提高組件中芯片及功能電路的成品率；提高集成度；提高組裝密度；降低組裝過程中的人工成本與生產(chǎn)成本[1]。

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性問題

雖然有源天線陣列在軍事雷達(dá)上已經(jīng)應(yīng)用了很多年，而且被證明在系統(tǒng)穩(wěn)定性上沒有問題，但是在移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用尚處于試驗(yàn)階段，系統(tǒng)穩(wěn)定性和優(yōu)越性還需要進(jìn)一步的測(cè)試驗(yàn)證。有源陣列天線的核心是收發(fā)組件,工程上對(duì)其提出了高性能、高可靠性和低成本等要求[1]。在性能方面,各收發(fā)組件除了要滿足各種電氣、結(jié)構(gòu)指標(biāo)外,還應(yīng)有較好的頻帶內(nèi)幅度、相位的穩(wěn)定性和一致性,并具備一定的可監(jiān)視性和可調(diào)整性；在可靠性方面,雖然采用了自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)后,個(gè)別收發(fā)組件的損壞對(duì)系統(tǒng)整體性能影響不大,但有源陣列對(duì)收發(fā)組件的可靠性仍有很高的要求,特別是在有源天線陣面的散熱設(shè)計(jì)方面[1,5]。散熱設(shè)計(jì)的重要性在于它可以降低天線陣面環(huán)境溫度,降低組件中各功能電路內(nèi)半導(dǎo)體芯片的工作溫度,確保收發(fā)組 件 高 的 可 靠 性[1，5]。

4.4 功放效率問題

目前，基站中最廣泛使用的功率放大器一般采用數(shù)字預(yù)失真 (digital pre-distortion，DPD)和 doherty相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，最大功率可達(dá)100 W，功放效率可達(dá)到40%～50%，功放線性化程度也比較高，該結(jié)構(gòu)被業(yè)界證明是現(xiàn)階段性能較優(yōu)的功率放大器解決方案。然而，有源天線中使用的是低功率（一般只有幾瓦）小型化的分布式功放，無法采用已經(jīng)成熟的大功率功放的高效率高線性化的技術(shù)，整機(jī)的功放效率是值得關(guān)注的問題。使用多個(gè)低功率功放的總能耗與使用一個(gè)高功率功放的能耗相比，孰優(yōu)孰劣，有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。有源天線使功放的發(fā)展轉(zhuǎn)向低功率、寬頻、高效率小器件方向，向功放廠商提出了新的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

隨著高度集成的數(shù)字芯片技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、天線陣列技術(shù)、分布式功放技術(shù)和小型化寬頻化雙工器技術(shù)的逐漸成熟，有源天線的發(fā)展也越來越快。近期，世界上著名的幾家通信設(shè)備廠商相繼宣布推出有源天線解決方案，如阿爾卡特朗訊的lightRadio[6]、諾基亞西門子的Liquid Radio[7]、愛立信的 AIR(antenna-integrated radio)等[5]。相信經(jīng)過多家廠商的共同推動(dòng)，有源天線產(chǎn)品會(huì)越來越成熟，必將在移動(dòng)通信系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 樂鐵軍，朱海冰，袁飛.有源陣列天線的發(fā)展及應(yīng)用.電子信息對(duì)抗技術(shù)，2007,22(4):22～27

2 李增辰，賈建蕊.有源陣列陣天線系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì).電子科技,2009,22(8):80～82

3 MIMO and smart antennas for 3G and 4G wireless systemspractical aspects and deployment considerations.3G Americas Whitepaper,May 2010

4 Active antenna arrays,small-footprint,scalable RF solutions for base stations.BellLabs Research Project,Alcatel-Lucent Innovation Days,December 2008

5 有源天線主導(dǎo)3G/4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè).http://www.ccidcom.com/html/chanpinjishu/wuxiantongxin/201103/06-138530.html

6 阿朗推出lightRadio引領(lǐng)基站建設(shè)走向“隱”時(shí)代.http://www.c114.net/news/133/a582206.html

7 諾基亞西門子推出動(dòng)態(tài)無線電 （liquid radio）.http://www.donews.com/tele/201103/402291.shtm