4G及5G基地台天線工程知識及應用場景

2021-12-28 737

1 基地台天線概覽

本章介紹了基地台天線的分類以及行動通訊中不同類型天線的出現情況。

1.1 基地台天線分類

全向天線：在水平方向，它呈現360°均勻輻射，通常稱為無方向輻射。在垂直方向，它呈現一定寬度的波束。一般來說，波束寬度越小，增益越大。全向天線通常用於郊區和縣級基地台等覆蓋範圍較大的行動通訊系統。

定向天線：在水平方向，它表現為在一定角度範圍內輻射，這通常被稱為方向性。在垂直方向，它表現為具有一定寬度的波束。與全向天線類似，波束寬度越小，增益越大。定向天線通常用於行動通訊系統中覆蓋範圍小、用戶密度高、頻率利用率高的城市蜂巢式基地台。

根據網路需求，可以建造不同類型的基地台，而不同類型的基地台可以根據需要選擇不同類型的天線。天線的選擇是基於上述技術參數。例如，全向基地台使用在各個水平方向上增益基本上相同的全向天線，而定向基地台則使用在水平方向上增益變化較大的定向天線。一般來說，城區選擇水平波束寬度為65°的天線。郊區可以選擇水平波束寬度為65°、90°或120°的天線（取決於基地台配置和當地地理環境）。在農村地區，選擇能夠實現廣域覆蓋的全向天線最為經濟。

機械天線：指以機械方式調節下傾角的移動天線。機械天線垂直安裝於地面後，如需優化網絡，則需調整天線背面的支架位置，改變天線的傾斜角度。在調整過程中，雖然天線主瓣方向的覆蓋距離變化顯著，但天線垂直和水平分量的幅度保持不變，因此天線方向圖容易變形。

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.

電子可調天線：指以電子方式調節下傾角的移動天線。電子下傾的原理是透過改變共線陣列天線振盪器的相位，改變垂直分量和水平分量的幅度，以及改變複合分量的場強，使天線的垂直方向圖向下傾斜。由於天線各個方向的場強同時增大和減小，因此在改變下傾角後，天線方向圖變化不大，從而縮短了主瓣方向的覆蓋距離，同時在不造成乾擾的情況下縮小了服務小區扇區內整個方向圖的覆蓋範圍。實務證明，當電可調天線的下傾角從1°變化到5°時，其方向圖與機械天線大致相同；當下傾角從5°變化到10°時，其方向圖比機械天線略有改善；當下傾角從10°變化到15°時，其方向圖比機械天線的改善幅度更大。當機械天線向下傾斜15°時，其天線方向圖與機械天線相比有顯著差異。此時，天線方向圖的形狀變化不大，主瓣方向的覆蓋距離顯著縮短，整個天線方向圖都位於基地檯扇區內。增大下傾角可以在不產生幹擾的情況下縮小扇區覆蓋範圍。因此，使用電可調天線可以減少通話損失和乾擾。此外，電可調天線可讓系統在不關機的情況下調整垂直方向圖的下傾角，並即時監控調整效果。下傾角的調整精度也很高（0.1°），因此可以對網路進行精細調整；電可調天線的三階互調指數為-150dBc，比機械天線低30dBc，這有利於消除鄰道幹擾和雜散幹擾。

雙極化天線：雙極化天線是一種新型天線技術，它將兩個極化方向正交（+45°和-45°）的天線組合在一起，同時以雙工模式進行收發。因此，其最顯著的優勢在於節省了單一定向基地台的天線數量。通常，LTE數位行動通訊網路的定向基地台（三個扇區）使用9個天線，每個磁區使用3個天線（空間分集，一個發射天線和兩個接收天線）。如果使用雙極化天線，每個扇區只需1根天線；同時，由於雙極化天線之間±45°的極化正交性，可以保證+45°和-45°天線之間的隔離度滿足天線間互調隔離的要求（≥30dB），因此雙極化天線之間的空間距離僅需20-30cm；此外，雙電可極化天線的優點。在行動通訊網路中使用雙極化天線（例如電可調天線）可降低通話遺失率、減少干擾，並提高整個網路的服務品質。由於雙極化天線對架設和安裝的要求不高，因此無需徵地建塔，只需豎立一根直徑20厘米的鐵柱，並根據相應的覆蓋方向將雙極化天線固定在鐵柱上即可。這節省了基礎設施投資，使基地台佈局更加合理，也簡化了基地台選址的流程。

在選擇天線時，應根據網路覆蓋範圍、業務量、幹擾和網路服務品質等實際情況，選擇適合該地區行動網路需求的行動天線：

· 在基地台密集的交通繁忙地區，應盡可能使用雙極化天線和電可調天線；

· 傳統機械天線可用於邊境和郊區等交通流量不高、基地台密度不高、僅需覆蓋的區域。

1.2 行動通訊基地台天線的內部結構與類型

1.2.1 定向板元陣列天線

板狀定向天線是基地台中最常使用且極為重要的天線類型。這類天線的優點包括：增益高、扇形方向圖好、後瓣小、垂直方向圖俯仰角易於控制、密封性能可靠、使用壽命長。天線外觀如下圖所示：

圖 1-1 板狀定向天線的外觀示意圖

1.2.1.1 高增益平板天線的形成

圖 1-2 使用多個半波振盪器構成垂直線性陣列

圖 1-3 在線性陣列的一側添加反射板以實現水平定向的原理（以帶有反射板的雙半波振盪器垂直陣列為例）

目前，天線廠商的基地台定向天線設計基本上都採用板式振盪器陣列結構。振盪器主要有兩種類型，將在以下兩節中進行說明。

1.2.1.2 對稱振盪器

標準半波對稱陣列（增加一個額外的振盪器，以降低振盪器離地面的高度並減少天線的厚度）

圖 1-4 由多個半波振盪器合成的定向板天線

1.2.1.3 微帶振盪器

半波振盪器的形變利用1/4波長傳輸線的原理形成輻射：

圖 1-5 由多個微帶振盪器合成的定向板天線

1.2.2 全向串饋偶極子天線

全向天線採用多個半波振盪器來實現輻射增益的合成和增強。

圖1-7 全向天線的串聯饋電振盪器結構及產品形式

2 4G LTE天線類型及比較分析

本節主要內容為LTE雙極化天線和單極化天線的覆蓋範圍和流量進行比較分析。

2.1 LTE雙極化天線與單極化天線的相關性分析

LTE多天線技術的引入為無線資源增加了空間自由度，並對無線通道模型提出了新的要求。空間通道模型（SCM）在3GPP TR 25.996中提出。此模型適用於頻寬為5 MHz、載波頻率約為2 GHz的系統，最大多徑數為6。 LTE系統要求無線頻道能夠支援高達20 MHz的頻寬。因此，技術報告36.803中使用了SCME（SCM擴展）模型，將通道頻寬擴展到20 MHz，並支援的最大多徑數增加到9。其中，eNB和UE之間的無線傳輸特性是一個時變函數，它會隨著天線配置、天線方向角、天線相關性和散射環境的變化而變化，如下圖所示。

圖 2-1 單晶片角度參數示意圖

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於基地台天線的相關係數。當相關係數為0時，表示天線相對獨立，相關性較低；相關係數為1時，表示天線之間有較強的相關性。當系統採用發射分集模式（例如SFBC）、接收分集和MIMO雙流模式時，低相關天線的無線性能優於高相關天線。下圖分別展示了相關係數為0.25、0.5、0.6和1時SFBC的性能模擬結果。模擬結果表明，當相關係數為0.25時，其性能基本上不受影響（與相關係數為0時相比）。而當相關係數為0.5和0.6時，SFBC的表現下降了約0.3dB至0.4dB。

圖 2-2 不同相關係數下 SFBC 鏈路層級效能比較

中國移動於2008年7月測試了不同天線配置的相關係數。具體相關係數如下表所示：

表 2-1 不同天線配置對應的相關係數

註：上表中的相關係數由中國移動基於SCME模型在人口密集城區進行測試得出。在人口密集城區，此相關係數具有一定的代表性。但這並不意味著該相關係數可以應用於特定項目，也不代表該相關係數適用於所有人口密集城區模型。

2.2 LTE雙極化天線與單極化天線的效能比較

LTE定義了七種多天線傳輸模式，包括發射分集、基於預先編碼的MIMO、波束成形等。 LTE定義的這七種傳輸模式主要是為了在不同場景和不同通道模型下靈活選擇傳輸模式。通常，無線行動通訊網路效能的瓶頸和不足可分為以下三類：

功率受限系統：

典型應用場景：主要目的是增加覆蓋範圍並克服訊號衰減，例如有效區域、農村地區的大範圍覆蓋等。

所採用的天線技術類型：發射分集、接收分集

效能差距：10λ單極化天線的效能提升相對於雙極化天線不到5%，兩者之間的效能差距不大。

幹擾受限系統：

典型應用場景：主要用於站點間距較小的密集城區，幹擾是影響網路效能的主要因素。

所採用的天線技術類型：RANK=2 MIMO 雙流、RANK=1 MIMO 單流、RANK 自適應

效能差距：RANK自適應演算法明顯優於MIMO強制雙流演算法；同時，雙極化天線的效能與10λ單極化天線的效能基本相同。

頻寬受限系統：

典型應用場景：頻道條件（CQI）較好，基地台間無連續覆蓋，基地台間距較大，使用者數量相對稀疏。例如：實驗網路初期單小區覆蓋等。

天線技術型式：RANK=2 MIMO 雙流

性能比較：10λ單極化天線的性能優於雙極化天線，性能提升約20%。

表2-2 天線應用場景總結表

以上主要分析了單極化天線和雙極化天線之間的性能差距。然而，需要指出的是，雙極化天線在工程安裝方面具有優勢，例如可以使用單桿、統一調節下傾角、便於天線美觀化等。在目前無線網路選址和安裝難度日益增加的情況下，雙極化天線的上述優勢尤其重要。

3 4G LTE基地台天線應用場景及選擇

本節主要內容依據實際網路部署場景，闡述無線網路覆蓋區域的分類以及對應的天線選擇。

3.1 城市基地台天線選擇

應用環境特性：基地台密集分佈，單一基地台的覆蓋範圍要求較小。希望最大限度地減少跨區域覆蓋，降低基地台間的干擾，並提高下載速率。

天線選擇原則：

極化模式選擇：由於城區基地台選址困難、天線安裝空間有限，建議使用雙極化天線及寬頻天線；

方向圖選擇：在城區，主要考慮的是提高頻率多工率，因此通常使用定向天線；

半功率波束寬度的選擇：為了更好地控制小區覆蓋範圍以抑制干擾，城市天線的水平半功率波束寬度選擇為 60~65°；

天線增益的選擇：由於城區基地台通常不需要很廣的覆蓋範圍，建議使用中等增益天線。建議在城區使用增益為15-18dBi的天線。如果使用微蜂窩天線來填充城區盲區，則可以選擇增益較低的天線；

下傾角選擇：由於城區天線傾角調整較為頻繁，且部分天線需要設定較大的傾角，而機械式下傾角調節不利於乾擾控制，因此建議使用預設下傾角的天線。可選擇固定下傾角的天線，或在條件允許的情況下選擇電動可調下傾角的天線。

3.2 郊區農村基地台天線選擇

應用環境特性：基地台分佈稀疏，業務量較小，資料業務需求相對較低，但需涵蓋範圍廣。某些區域可能只有一個基地台，因此覆蓋範圍成為首要考慮因素。此時，天線的選擇應根據基地台周圍需要覆蓋的區域來考慮。

天線選擇原則：

方向模式選擇：如果基地台需要覆蓋週邊區域，且沒有明顯的方向性，基地台周圍的流量分佈也較分散，建議採用全向基地台覆蓋。同時要注意的是，由於全向基地台增益較小，其覆蓋距離不如定向基地台遠。此外，安裝全向天線時，請注意塔架對覆蓋範圍的影響，天線必須保持垂直於地面。如果地方政府對基地台覆蓋範圍有更遠的要求，則需要使用定向天線。一般來說，應使用水平面半功率波束寬度為90°、105°和120°的定向天線。

天線增益的選擇：根據覆蓋需求選擇天線增益。建議在郊區和農村地區選擇增益較高的（16-18dBi）定向天線或9-11dBi全向天線；

下傾方式的選擇：在郊區和鄉村地區，天線下傾角度的調節範圍有限，調節幅度及下傾角度特性也不高，建議採用機械式下傾天線。同時，當天線懸掛高度超過50公尺且有近端覆蓋要求時，可優先選擇零點填充天線，以避免塔下方出現訊號盲點。

3.3 高速公路覆蓋基地台天線選擇

應用環境特性：在這種環境下，業務量較低，使用者移動速度快。此時，重點在於解決覆蓋問題。一般來說，需要實現的是帶狀覆蓋，因此高速公路覆蓋多採用雙向小區；城鎮和旅遊景點附近也採用全向小區；然後，強調廣域覆蓋，天線類型的選擇必鬚根據站點和站點類型而定。不同的高速公路環境差異很大。一般來說，對於相對筆直的高速公路，例如公路、鐵路、國道、省道等，建議在高速公路旁建站，採用S1/1/1或S1/1型站點，並配備高增益定向天線以實現覆蓋。對於蜿蜒起伏的道路，例如山路、縣級自建山路等，則必須結合高速公路附近的鄉村覆蓋，並選擇地勢較高的地方建站。

在初步規劃時選擇天線，應盡量選擇增益高、覆蓋距離廣的天線，以獲得更廣的覆蓋範圍。

天線選擇原則：

方向圖選擇：在設計用於覆蓋鐵路和公路的基地台中，可以使用窄波束、高增益定向天線。天線形式可根據部署地點的當地地形起伏和轉彎等因素靈活選擇；

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

下傾方式的選擇：高速公路覆蓋一般沒有下傾角要求，建議使用價格較低的機械下傾天線。當距離超過50公尺且有近端覆蓋要求時，可優先選擇零點填充率（大於15%）的天線，以解決塔下盲點問題；

前後比：由於高速公路覆蓋的大多數用戶都是快速移動的用戶，為了確保正常切換，定向天線的前後比不宜過高。

3.4 山區基地台天線選擇

應用環境特性：在偏遠丘陵和山區，山脈嚴重阻擋無線電波，導致無線電波傳播衰減，覆蓋困難。通常情況下，此類地區的覆蓋範圍較廣，使用者分散在基地台覆蓋半徑較大的區域內，業務量較小。基地台可以建在山頂、山坡、山腳或山區其他適合的位置。選擇基地台位置、型號和天線時，需要根據不同的使用者分佈和地形特徵進行區分。以下情況較為常見：在盆地型山區建站、在高山上建站、在半山腰建站、在普通山區建站等。

天線選擇原則：

方向圖的選擇：方向圖的選擇取決於基地台的位置、基地台類型和周圍環境的覆蓋要求。您可以選擇全向天線或定向天線。對於建在山上的基地台，如果覆蓋位置相對較低，則應選擇垂直半功率角較大的方向圖，以更好地滿足垂直覆蓋要求；

天線增益選擇：根據需要覆蓋區域的距離，選擇中等增益天線、全向天線（9-11dBi）、定向天線（15-18dBi）；

傾角選擇：當在山上建造基地台且覆蓋區域位於山腳時，應選擇零點填充天線或預設下傾角天線。預設下傾角的大小應根據基地台與覆蓋區域的相對高度來選擇。相對高度越高，預設下傾角也應越大。

3.5 LTE基地台天線應用場景概述

基於以上選擇並結合LTE的特殊情況，建議的天線選擇原則如下：

表3-1 天線應用場景總結

通常情況下，LTE站點的選址利用現有設施，因此，是否有足夠的空間安裝LTE天線以及高度是否符合LTE規劃是最大的問題。所以，實際專案中需要考慮極化方式、是否使用寬頻天線、下傾角等技術參數。需要對現有設施進行詳細勘察，並根據實際情況制定合理的方案。由於LTE採用了MIMO技術，目前常用的配置是2T2R和4T4R。考慮到站點建造成本等因素，對於2T2R配置，一般採用雙極化天線；對於4T4R配置，一般採用兩根雙極化天線，天線間距為1-2λ，相當於2.6GHz頻段的30-50cm左右。

4 個 5G 大規模 MIMO AAU以及應用場景

本節主要內容簡要介紹了 5G AAU 的天線選擇和應用場景選擇。

4.1 5G大規模MIMO AAU

多輸入多輸出技術（MIMO）在 4G 時代已經非常成熟，它可以有效地利用收發器和收發器系統之間多個天線之間存在的多個空間通道來傳輸多個相互正交的資料流，從而在不增加通訊頻寬的情況下提高資料吞吐量和通訊穩定性。

從4G發展到5G時代的大規模MIMO技術是MIMO技術的升級版。在有限的時間和頻率資源下，它利用數百個天線單元同時服務數十個行動終端，進一步提升了資料吞吐量和能源利用效率。 5G通訊頻率更高，天線尺寸更小，使得在原有空間內可以容納更多天線。大規模MIMO技術為5G時代的通訊技術奠定了基調。因此，天線成為繼射頻前端之後，5G時代又一個爆發式成長的組件。其中，基地台天線佔20%，終端天線佔比高達80%。

由於5G基地台廣泛採用大規模MIMO技術，其內部整合天線使用大量振盪器並整合收發單元，因此也稱為主動天線陣列單元（AAU）。其內部結構示意圖及產品外形如下圖所示。

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

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

對於頻率低於6GHz的AAU（天線陣列單元），通訊設備製造商通常使用192個振盪器。水平方向有12行，垂直方向有8列振盪器。加上45°雙極化，總共有12×8×2=192個振盪器。每三個振盪器組成一個天線，因此AAU共有192/3=64個天線。若每6個振盪器組成一個天線，則AAU共有192/6=32個天線。

圖 4-3 65TR 和 32TR AAU 天線元件圖

工作頻段低於6GHz的AAU通常採用全數位波束成形技術。可以認為天線數量、傳輸通道數量和功率放大器數量相同。天線數量是影響覆蓋範圍的重要因素。天線單元越多，波束越窄，能量越集中。天線和頻道越多，AAU內部的電力放大器就越多，基頻資源的消耗就越大，設備成本就越高。

4.2 5克訊號衰退模型

3GPP TR 38.901 提供了四個場景：室內熱點辦公區（InH-Office）、城市微蜂窩街道（UMi-Street Canyon）、城市宏蜂窩（Uma）和鄉村宏蜂窩（RMa）。每種場景又分為非視距（NLOS）和視距（LOS）場景，共包含八種傳播模型。本文選取城市宏基地台 Uma-LOS/NLOS 場景下的路徑損耗模型。其中 fc工作頻率（GHz），hBS基地台天線的有效高度（公尺），hUT移動台天線的有效高度（米），d2D基地台與移動台之間的水平距離（公尺），d3D基地台天線與行動電話天線之間的直線距離（公尺）。

根據上表，城市宏站不同頻道的典型最大允許路徑損耗（MAPL）可依下列公式計算。可以看出，5G NR 3.5GHz 上行鏈路和下行鏈路之間的最大允許路徑損耗差距達到 13.65 dB，網路覆蓋範圍受限於上行鏈路，且受限於上行鏈路 PUSCH 通道。

PL最大=PTx-Lf+GTx-Mf-Ml+GRx-Lp-Lb-SR

其中 PTx基地台發射功率，Lf饋線損耗，GTx基地台天線增益，Mf陰影衰落和快衰落餘量，Ml干涉餘量，GRx手機天線增益，Lp建築穿透損失，Lb車身磨損，SRx手機訊號接收靈敏度

4.3 5G AAU應用場景

在人口密集的城市地區，複雜的無線環境導致幹擾加劇，高層建築也對垂直覆蓋和使用者容量提出了更高的要求。 64TR 設備能夠提供更優的大規模 MIMO 波束成形，實現高流量多用戶 MIMO 傳輸，並顯著提升垂直方向的覆蓋範圍。在郊區和農村地區，MU-MIMO 配對成功率較低，64TR 設備無法充分發揮其容量優勢，因此可以使用低配置設備，例如使用 32 個天線即可滿足需求。對於較偏遠的地區，容量要求不高，主要問題是解決覆蓋問題。此時，甚至不需要大規模 MIMO，只需使用 8 連接埠 RRU 連接天線即可。

下圖展示了某設備廠商提出的基於場景的網路覆蓋方案。宏基站是其中最重要的產品形態。 64TR AAU 解決了 4G/5G 階段持續高容量的需求，而低配置的 32TR AAU 則解決了 4G/5G 低流量區域的低成本網路建置需求。室內分配系統產品包括 2TR 和 4TR 設備，它們利用被動式室內分配系統，在現有網路或新建網路中部署，以解決高價值、高流量的室內場景。此外，4TR 射頻單元 (RRU) 的微型基地台產品廣泛應用於住宅區、步行街等繁忙且流量較大的場景。

圖 4-4 設備製造商提供的基於場景的網路覆蓋解決方案

從4.2節的計算結果可以看出，3.5GHz頻段的5G NR上行鏈路覆蓋範圍有限，主要原因是終端功率的限制。考慮到5G推出後，未來上下行鏈路的業務速率需求仍將不對稱（下行鏈路的速率需求遠高於上行鏈路），為了保持現有網路結構不變，降低網路建設成本，使運營商能夠快速地在4G現有站點上疊加部署5G，可以採用上下行鏈路解耦（SUL）來解決上行鏈路覆蓋瓶頸問題。也就是說，上行鏈路使用原有的LTE設備，將部分1.8GHz FDD頻寬重新開發用於5G NR以提升覆蓋範圍，而下行鏈路則部署在3.5GHz頻段。