4G和5G基站天线工程知识及应用场景

2021-12-28 740

1 基站天线概览

本章介绍了基站天线的分类以及移动通信中不同类型天线的出现情况。

1.1 基站天线分类

全向天线：在水平方向，它呈现360°均匀辐射，通常称为无方向性辐射。在垂直方向，它呈现一定宽度的波束。一般来说，波束宽度越小，增益越大。全向天线通常用于郊区和县级基站等覆盖范围较大的移动通信系统。

定向天线：在水平方向，它表现为在一定角度范围内辐射，这通常被称为方向性。在垂直方向，它表现为具有一定宽度的波束。与全向天线类似，波束宽度越小，增益越大。定向天线通常用于移动通信系统中覆盖范围小、用户密度高、频率利用率高的城市蜂窝基站。

根据网络需求，可以搭建不同类型的基站，而不同类型的基站可以根据需要选择不同类型的天线。天线的选择基于上述技术参数。例如，全向基站使用在各个水平方向上增益基本相同的全向天线，而定向基站则使用在水平方向上增益变化较大的定向天线。一般来说，城区选择水平波束宽度为65°的天线。郊区可以选择水平波束宽度为65°、90°或120°的天线（具体取决于基站配置和当地地理环境）。在农村地区，选择能够实现广域覆盖的全向天线最为经济。

机械天线：指采用机械方式调节下倾角的移动天线。机械天线垂直安装于地面后，如需优化网络，则需调整天线背面的支架位置，改变天线的倾角。在调整过程中，虽然天线主瓣方向的覆盖距离变化显著，但天线垂直和水平分量的幅度保持不变，因此天线方向图容易发生变形。

Practice proves:The optimal downtilt angle of the mechanical antenna is 1°-5°; when the downtilt angle changes between 5°-10°, its antenna pattern is slightly deformed but not much; when the downtilt angle changes between 10°-15°, its antenna pattern changes greatly; when the mechanical antenna changes After tilting down 15°, the shape of the antenna pattern changes greatly, from a pear shape without tilting to a spindle shape. At this time, although the coverage distance in the main lobe direction is significantly shortened, the entire antenna pattern is not within the sector of the base station. The base station's signal will also be received in the sectors of adjacent base stations, causing serious intra-system interference. In addition, during daily maintenance, if you want to adjust the downtilt angle of the mechanical antenna, the entire system must be shut down, and monitoring cannot be performed while adjusting the antenna inclination. Adjusting the downtilt angle of the mechanical antenna is very troublesome, and maintenance personnel generally need to climb to the place where the antenna is placed to make adjustments. The downtilt angle of the mechanical antenna is a theoretical value calculated through computer simulation analysis software, and there is a certain deviation from the actual best downtilt angle. The number of steps for adjusting the tilt angle of the mechanical antenna is 1°, and the third-order intermodulation index is -120dBc.

电子可调天线：指采用电子方式调节下倾角的移动天线。电子下倾的原理是通过改变共线阵列天线振荡器的相位，改变垂直分量和水平分量的幅度，以及改变复合分量的场强，使天线的垂直方向图向下倾斜。由于天线各个方向的场强同时增大和减小，因此在改变下倾角后，天线方向图变化不大，从而缩短了主瓣方向的覆盖距离，同时在不造成干扰的情况下缩小了服务小区扇区内整个方向图的覆盖范围。实践证明，当电可调天线的下倾角从1°变化到5°时，其方向图与机械天线大致相同；当下倾角从5°变化到10°时，其方向图比机械天线略有改善；当下倾角从10°变化到15°时，其方向图比机械天线的改善幅度更大。当机械天线向下倾斜15°时，其天线方向图与机械天线相比有显著差异。此时，天线方向图的形状变化不大，主瓣方向的覆盖距离显著缩短，整个天线方向图都位于基站扇区内。增大下倾角可以在不产生干扰的情况下缩小扇区覆盖范围。因此，使用电可调天线可以减少通话丢失和干扰。此外，电可调天线允许系统在不关机的情况下调整垂直方向图的下倾角，并实时监测调整效果。下倾角的调整精度也很高（0.1°），因此可以对网络进行精细调整；电可调天线的三阶互调指数为-150dBc，比机械天线低30dBc，这有利于消除邻道干扰和杂散干扰。

双极化天线：双极化天线是一种新型天线技术，它将两个极化方向正交（+45°和-45°）的天线组合在一起，同时以双工模式进行收发。因此，其最显著的优势在于节省了单个定向基站的天线数量。通常，LTE数字移动通信网络的定向基站（三个扇区）使用9根天线，每个扇区使用3根天线（空间分集，一根发射天线和两根接收天线）。如果使用双极化天线，每个扇区只需1根天线；同时，由于双极化天线之间±45°的极化正交性，可以保证+45°和-45°天线之间的隔离度满足天线间互调隔离的要求（≥30dB），因此双极化天线之间的空间距离仅需20-30cm；此外，双极化天线还具有电可调天线的优点。在移动通信网络中使用双极化天线（例如电可调天线）可以降低通话丢失率、减少干扰，并提高整个网络的服务质量。由于双极化天线对架设和安装的要求不高，因此无需征地建塔，只需竖立一根直径20厘米的铁柱，并根据相应的覆盖方向将双极化天线固定在铁柱上即可。这节省了基础设施投资，使基站布局更加合理，也简化了基站选址的流程。

在选择天线时，应根据网络覆盖范围、业务量、干扰和网络服务质量等实际情况，选择适合该地区移动网络需求的移动天线：

· 在基站密集的交通繁忙地区，应尽可能使用双极化天线和电可调天线；

· 传统机械天线可用于边境和郊区等交通流量不高、基站密度不高、仅需覆盖的区域。

1.2 移动通信基站天线的内部结构和类型

1.2.1 定向板元阵列天线

板状定向天线是基站中最常用且极其重要的天线类型。这类天线的优点包括：增益高、扇形方向图好、后瓣小、垂直方向图俯仰角易于控制、密封性能可靠、使用寿命长。天线外观如下图所示：

图 1-1 板状定向天线的外观示意图

1.2.1.1 高增益平板天线的形成

图 1-2 使用多个半波振荡器构成垂直线性阵列

图 1-3 在线性阵列的一侧添加反射板以实现水平定向的原理（以带有反射板的双半波振荡器垂直阵列为例）

目前，天线厂商的基站定向天线设计基本都采用板式振荡器阵列结构。振荡器主要有两种类型，将在以下两节中进行描述。

1.2.1.2 对称振荡器

标准半波对称阵列（增加一个额外的振荡器，以降低振荡器离地面的高度并减小天线的厚度）

图 1-4 由多个半波振荡器合成的定向板天线

1.2.1.3 微带振荡器

半波振荡器的形变利用1/4波长传输线的原理形成辐射：

图 1-5 由多个微带振荡器合成的定向板天线

1.2.2 全向串馈偶极子天线

全向天线采用多个半波振荡器来实现辐射增益的合成和增强。

图1-7 全向天线的串联馈电振荡器结构及产品形式

2 4G LTE天线类型及对比分析

本节主要内容是对LTE双极化天线和单极化天线的覆盖范围和流量进行比较分析。

2.1 LTE双极化天线与单极化天线的相关性分析

LTE多天线技术的引入为无线资源增加了空间自由度，并对无线信道模型提出了新的要求。空间信道模型（SCM）在3GPP TR 25.996中提出。该模型适用于带宽为5 MHz、载波频率约为2 GHz的系统，最大多径数为6。LTE系统要求无线信道能够支持高达20 MHz的带宽。因此，技术报告36.803中使用了SCME（SCM扩展）模型，将信道带宽扩展到20 MHz，并支持的最大多径数增加到9。其中，eNB和UE之间的无线传输特性是一个时变函数，它会随着天线配置、天线方向角、天线相关性和散射环境的变化而变化，如下图所示。

图 2-1 单片机角度参数示意图

双极化天线和单极化天线（天线间距10λ）的无线性能差异主要取决于基站天线的相关系数。当相关系数为0时，表示天线相对独立，相关性较低；当相关系数为1时，表示天线之间存在较强的相关性。当系统采用发射分集模式（例如SFBC）、接收分集和MIMO双流模式时，低相关天线的无线性能优于高相关天线。下图分别展示了相关系数为0.25、0.5、0.6和1时SFBC的性能仿真结果。仿真结果表明，当相关系数为0.25时，其性能基本不受影响（与相关系数为0时相比）。而当相关系数为0.5和0.6时，SFBC的性能下降了约0.3dB至0.4dB。

图 2-2 不同相关系数下 SFBC 链路级性能比较

中国移动于2008年7月测试了不同天线配置的相关系数。具体相关系数如下表所示：

表 2-1 不同天线配置对应的相关系数

注：上表中的相关系数由中国移动基于SCME模型在人口密集城区进行测试得出。在人口密集城区，该相关系数具有一定的代表性。但这并不意味着该相关系数可以应用于特定项目，也不意味着该相关系数适用于所有人口密集城区模型。

2.2 LTE双极化天线与单极化天线的性能比较

LTE定义了七种多天线传输模式，包括发射分集、基于预编码的MIMO、波束成形等。LTE定义的这七种传输模式主要是为了在不同场景和不同信道模型下灵活选择传输模式。通常，无线移动通信网络性能的瓶颈和不足可分为以下三类：

功率受限系统：

典型应用场景：主要目的是增加覆盖范围并克服信号衰减，例如有效区域、农村地区的大范围覆盖等。

所采用的天线技术类型：发射分集、接收分集

性能差距：10λ单极化天线的性能提升相对于双极化天线不到5%，两者之间的性能差距不大。

干扰受限系统：

典型应用场景：主要用于站点间距较小的密集城区，干扰是影响网络性能的主要因素。

所采用的天线技术类型：RANK=2 MIMO 双流、RANK=1 MIMO 单流、RANK 自适应

性能差距：RANK自适应算法明显优于MIMO强制双流算法；同时，双极化天线的性能与10λ单极化天线的性能基本相同。

带宽受限系统：

典型应用场景：信道条件（CQI）较好，基站间无连续覆盖，基站间距较大，用户数量相对稀疏。例如：实验网络初期单小区覆盖等。

天线技术类型：RANK=2 MIMO 双流

性能比较：10λ单极化天线的性能优于双极化天线，性能提升约20%。

表2-2 天线应用场景总结表

以上主要分析了单极化天线和双极化天线之间的性能差距。然而，需要指出的是，双极化天线在工程安装方面具有优势，例如可以使用单杆、统一调节下倾角、便于天线美观化等。在当前无线网络选址和安装难度日益增加的情况下，双极化天线的上述优势尤为重要。

3 4G LTE基站天线应用场景及选择

本节主要内容根据实际网络部署场景，阐述无线网络覆盖区域的分类以及相应的天线选择。

3.1 城市基站天线选择

应用环境特点：基站密集分布，单个基站的覆盖范围要求较小。希望最大限度地减少跨区域覆盖，降低基站间的干扰，并提高下载速率。

天线选择原则：

极化模式选择：由于城区基站选址困难、天线安装空间有限，建议使用双极化天线和宽带天线；

方向图选择：在城区，主要考虑的是提高频率复用率，因此通常使用定向天线；

半功率波束宽度的选择：为了更好地控制小区覆盖范围以抑制干扰，城市天线的水平半功率波束宽度选择为 60~65°；

天线增益的选择：由于城区基站通常不需要很广的覆盖范围，建议使用中等增益天线。建议在城区使用增益为15-18dBi的天线。如果使用微蜂窝天线来填充城区盲区，则可以选择增益较低的天线；

下倾角选择：由于城区天线倾角调整较为频繁，且部分天线需要设置较大的倾角，而机械式下倾角调节不利于干扰控制，因此建议使用预设下倾角的天线。可选择固定下倾角的天线，或在条件允许的情况下选择电动可调下倾角的天线。

3.2 郊区农村基站天线选择

应用环境特点：基站分布稀疏，业务量较小，数据业务需求相对较低，但需要覆盖范围广。某些区域可能只有一个基站，因此覆盖范围成为首要考虑因素。此时，天线的选择应根据基站周围需要覆盖的区域来考虑。

天线选择原则：

方向模式选择：如果基站需要覆盖周边区域，且没有明显的方向性，基站周围的流量分布也比较分散，建议采用全向基站覆盖。同时需要注意的是，由于全向基站增益较小，其覆盖距离不如定向基站远。此外，安装全向天线时，要注意塔架对覆盖范围的影响，天线必须保持垂直于地面。如果当地政府对基站覆盖范围有更远的要求，则需要使用定向天线。一般来说，应使用水平面半功率波束宽度为90°、105°和120°的定向天线。

天线增益的选择：根据覆盖需求选择天线增益。建议在郊区和农村地区选择增益较高的（16-18dBi）定向天线或9-11dBi全向天线；

下倾方式的选择：在郊区和农村地区，天线下倾角度的调节范围有限，调节幅度及下倾角度特性也不高，建议采用机械式下倾天线。同时，当天线悬挂高度超过50米且有近端覆盖要求时，可优先选择零点填充天线，以避免塔下出现信号盲区。

3.3 高速公路覆盖基站天线选择

应用环境特点：在这种环境下，业务量较低，用户移动速度快。此时，重点在于解决覆盖问题。一般来说，需要实现的是带状覆盖，因此高速公路覆盖多采用双向小区；城镇和旅游景点附近也采用全向小区；然后，强调广域覆盖，天线类型的选择必须根据站点和站点类型而定。不同的高速公路环境差异很大。一般来说，对于相对笔直的高速公路，例如公路、铁路、国道、省道等，建议在高速公路旁建站，采用S1/1/1或S1/1型站点，并配备高增益定向天线以实现覆盖。对于蜿蜒起伏的道路，例如山路、县级自建山路等，则必须结合高速公路附近的乡村覆盖，并选择地势较高的地方建站。

在初步规划时选择天线，应尽量选择增益高、覆盖距离广的天线，以获得更广的覆盖范围。

天线选择原则：

方向图选择：在旨在覆盖铁路和公路的基站中，可以使用窄波束、高增益定向天线。天线形式可根据部署地点的当地地形起伏和转弯等因素灵活选择；

天线增益的选择，定向天线增益可选择17dBi-22dBi，全向天线增益可选择11dBi；

下倾方式的选择：高速公路覆盖一般没有下倾角要求，建议使用价格较低的机械下倾天线。当距离超过50米且有近端覆盖要求时，可优先选择零点填充率（大于15%）的天线，以解决塔下盲区问题；

前后比：由于高速公路覆盖的大多数用户都是快速移动的用户，为了确保正常切换，定向天线的前后比不宜过高。

3.4 山区基站天线选择

应用环境特点：在偏远丘陵和山区，山脉严重阻挡无线电波，导致无线电波传播衰减，覆盖困难。通常情况下，此类地区的覆盖范围较广，用户分散在基站覆盖半径较大的区域内，业务量较小。基站可以建在山顶、山坡、山脚或山区其他适宜的位置。选择基站位置、型号和天线时，需要根据不同的用户分布和地形特征进行区分。以下情况较为常见：在盆地型山区建站、在高山上建站、在半山腰建站、在普通山区建站等。

天线选择原则：

方向图的选择：方向图的选择取决于基站的位置、基站类型和周围环境的覆盖要求。您可以选择全向天线或定向天线。对于建在山上的基站，如果覆盖位置相对较低，则应选择垂直半功率角较大的方向图，以更好地满足垂直覆盖要求；

天线增益选择：根据需要覆盖区域的距离，选择中等增益天线、全向天线（9-11dBi）、定向天线（15-18dBi）；

倾角选择：当在山上建设基站且覆盖区域位于山脚时，应选择零点填充天线或预设下倾角天线。预设下倾角的大小应根据基站与覆盖区域的相对高度来选择。相对高度越高，预设下倾角也应越大。

3.5 LTE基站天线应用场景概述

基于以上选择并结合LTE的特殊情况，推荐的天线选择原则如下：

表3-1 天线应用场景总结

通常情况下，LTE站点的选址利用现有设施，因此，是否有足够的空间安装LTE天线以及高度是否符合LTE规划是最大的问题。所以，实际项目中需要考虑极化方式、是否使用宽带天线以及下倾角等技术参数。需要对现有设施进行详细勘察，并根据实际情况制定合理的方案。由于LTE采用了MIMO技术，目前常用的配置是2T2R和4T4R。考虑到站点建设成本等因素，对于2T2R配置，一般采用双极化天线；对于4T4R配置，一般采用两根双极化天线，天线间距为1-2λ，相当于2.6GHz频段的30-50cm左右。

4 5G 大规模 MIMO AAU以及应用场景

本节主要内容简要介绍了 5G AAU 的天线和应用场景选择。

4.1 5G Massive MIMO AAU

多输入多输出技术（MIMO）在 4G 时代已经非常成熟，它可以有效地利用收发器和收发器系统之间多个天线之间存在的多个空间信道来传输多个相互正交的数据流，从而在不增加通信带宽的情况下提高数据吞吐量和通信稳定性。

从4G发展到5G时代的大规模MIMO技术是MIMO技术的升级版。在有限的时间和频率资源下，它利用数百个天线单元同时服务数十个移动终端，进一步提升了数据吞吐量和能源利用效率。5G通信频率更高，天线尺寸更小，使得在原有空间内可以容纳更多天线。大规模MIMO技术为5G时代的通信技术奠定了基调。因此，天线成为继射频前端之后，5G时代又一个爆发式增长的组件。其中，基站天线占比20%，终端天线占比高达80%。

由于5G基站广泛采用大规模MIMO技术，其内部集成天线使用大量振荡器并集成收发单元，因此也称为有源天线阵列单元（AAU）。其内部结构示意图和产品外形如下图所示。

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

Figure 4-2 Exploded view of Massive MIMO AAU product form

对于频率低于6GHz的AAU（天线阵列单元），通信设备制造商通常使用192个振荡器。水平方向有12行，垂直方向有8列振荡器。加上45°双极化，总共有12×8×2=192个振荡器。每三个振荡器组成一个天线，因此AAU共有192/3=64个天线。如果每6个振荡器组成一个天线，则AAU共有192/6=32个天线。

图 4-3 65TR 和 32TR AAU 天线元件图

工作频段低于6GHz的AAU通常采用全数字波束成形技术。可以认为天线数量、传输信道数量和功率放大器数量相同。天线数量是影响覆盖范围的重要因素。天线单元越多，波束越窄，能量越集中。天线和信道越多，AAU内部的功率放大器就越多，基带资源的消耗就越大，设备成本也就越高。

4.2 5G信号衰落模型

3GPP TR 38.901 提供了四种场景：室内热点办公区（InH-Office）、城市微蜂窝街道（UMi-Street Canyon）、城市宏蜂窝（Uma）和乡村宏蜂窝（RMa）。每种场景又分为非视距（NLOS）和视距（LOS）场景，共包含八种传播模型。本文选取城市宏基站 Uma-LOS/NLOS 场景下的路径损耗模型。其中 fc工作频率（GHz），hBS基站天线的有效高度（米），hUT移动台天线的有效高度（米），d2D基站与移动台之间的水平距离（米），d3D基站天线与移动台天线之间的直线距离（米）。

根据上表，城市宏站不同信道的典型最大允许路径损耗（MAPL）可按以下公式计算。可以看出，5G NR 3.5GHz 上行链路和下行链路之间的最大允许路径损耗差距达到 13.65 dB，网络覆盖范围受限于上行链路，且受限于上行链路 PUSCH 信道。

PL最大=PTx-Lf+GTx-Mf-Ml+GRx-Lp-Lb-SR

其中 PTx基站发射功率，Lf馈线损失，GTx基站天线增益，Mf阴影淡化和快速淡化边缘，Ml干扰裕度，GRx手机天线增益，Lp建筑穿透损失，Lb车身磨损，SRx手机信号接收灵敏度

4.3 5G有源天线单元应用场景

在人口密集的城市地区，复杂的无线环境导致干扰加剧，高层建筑也对垂直覆盖和用户容量提出了更高的要求。64TR 设备能够提供更优的大规模 MIMO 波束成形，实现高流量多用户 MIMO 传输，并显著提升垂直方向的覆盖范围。在郊区和农村地区，MU-MIMO 配对成功率较低，64TR 设备无法充分发挥其容量优势，因此可以使用低配置设备，例如使用 32 根天线即可满足需求。对于更偏远的地区，容量要求不高，主要问题是解决覆盖问题。此时，甚至不需要大规模 MIMO，只需使用 8 端口 RRU 连接天线即可。

下图展示了某设备厂商提出的基于场景的网络覆盖方案。宏基站是其中最重要的产品形态。64TR AAU 解决了 4G/5G 阶段持续高容量的需求，而低配置的 32TR AAU 则解决了 4G/5G 低流量区域的低成本网络建设需求。室内分配系统产品包括 2TR 和 4TR 设备，它们利用被动式室内分配系统，在现有网络或新建网络中部署，以解决高价值、高流量的室内场景。此外，4TR 射频单元 (RRU) 的微型基站产品广泛应用于住宅区、步行街等繁忙且流量较大的场景。

图 4-4 设备制造商提供的基于场景的网络覆盖解决方案

从4.2节的计算结果可以看出，3.5GHz频段的5G NR上行链路覆盖范围有限，主要原因是终端功率的限制。考虑到5G推出后，未来上下行链路的业务速率需求仍将不对称（下行链路的速率需求远高于上行链路），为了保持现有网络结构不变，降低网络建设成本，使运营商能够快速地在4G现有站点上叠加部署5G，可以采用上下行链路解耦（SUL）来解决上行链路覆盖瓶颈问题。也就是说，上行链路使用原有的LTE设备，将部分1.8GHz FDD带宽重新开发用于5G NR以提升覆盖范围，而下行链路则部署在3.5GHz频段。