天馈新技术在通信工程的应用.docx

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1、天馈新技术在通信工程的应用1. Massive MIMO 技术1、Massive MIMO 基本概念为获取高频谱效率，编码技术、多天线技术是现代通信系统的主要手段。4G 已引入了多天线技术(MIMO), 5G则引入了大规模天线技术(Massive MIMO), 旨在增强上行和下行覆盖，提升系统容量,是5G的又一个主要特征。基站通过把射频模块和天线整合，以AAU形式实现Massive MIMO,天线配置 最基本的为4T4R,还可以配置8T8R、32T32R,甚至是64T64R。图1-45 Massive MIMO原理示意图通过Massive MIMO可以获得垂直和水平方向上的波束成型，即3D M

2、IMO,实 现空间复用，增加系统容量，减少干扰。同时还可以实现SU MIMO和MU MIMOo SU MIMO:同一个用户利用空间复用信道，多个不同数据流承载在同一个 RB上； MU MIMO：不同用户利用空间复用信道，多个用户的不同数据流承载在同 一个RB上； SU/MU MIMO动态切换。图1-55 劈裂天线安装后示意图2、适用场景1）局部区域高话务、高负荷地区。2）部分区域考虑到有限的频率资源，无法通过增加载波扩容。3）节省频点资源，发展数据业务的需求。4）站址获取困难、铁塔空间、承重的限制，导致加站、普通6扇区等方案 无法实施的场景。普通天线更换为劈裂天线后，三扇区变成劈裂六扇区图15

3、6采用劈裂天线裂分扇区示意图AAS图1-46 Massive MIMO的功能示意图要实现Massive MIMO关键技术是信道状态信息（CSI）的获取，对于TDD系 统，上下行共用同一个频率，上下行信道具有互易型，基站侧可以通过上行SRS 信号获取；对于FDD系统，上下行分别采用不同的频率，需要基于码本反馈。基 站在下行方向发送CSI-RS导频到UE, UE测量CSI-RS,从上行控制上报 PMI/CQI/RI到基站，基站根据PMI/CQI/RI估计CSL因此TDD MM信道测量不 依赖于终端，F加信道测量和精度依赖于终端和3Gpp标准。TDD MMFDD MM图 1-47 TDD 与 FDD

4、 的 Massive MIMO 差异Massive MIMO的频谱效率随天线数目线性增加。但工程实现上受重量体积影 响，天线数取决于频段，理论上频率越高，天线体积可以做得越小，天线数越多, 频谱效率越高，但高频率传播损耗严重，覆盖范围收缩。2、Massive MIMO 的实现大规模天线技术主要通过多端口空时编码技术，形成多个波束赋形，引 入空间维度，实现空间复用，降低了邻区的干扰。没有采用波束赋形时，只能采 用天线主瓣覆盖相对固定的区域，而大规模天线可以在水平和垂直方向上选择合 适波束追踪用户，有效扩大无线基站的覆盖范围，有望解决无线基站塔下黑、高 层信号弱和高层信号污染等问题；大规模天线可以

5、实现多个不同的波束同时为不 同的用户服务，提升系统容量；大规模天线产生的波束赋形波瓣更窄、能量更集 中，有效减少对邻区干扰。与4G不同，5G下行控制信道采用了波束赋形，并且可以采用多个波束进行 循环扫描发射。针对不同的覆盖场景，设置相应的广播信道波束组合，满足水平 和垂直方向上的覆盖要求。5G天线可配置的参数集数量相对4G有较大提升，对 网络规划设计和优化维护都提出了挑战，可引入大数据分析和人工智能技术，通 过自适应配置实现参数的优化配置。图1-48大规模天线Massive MIMO覆盖示意图表1-95G下的关键多天线技术领域技术方案核心价值关键算法上行SU-MIMO最优化单用户接收合并性能，

6、提升 小区覆盖、上行单用户容量和体验MRC IRC、Turbo Receiver UL Precoding上行MU-MIMO最优化多用户联合接收性能，提升 小区容量和用户体验配对算法（调度、功控、AMC、 Rank自适应）、IRC接收合并、 UL Precoding下行波束扫描下行广播和控制信道波束扫描，提 升下行广播和控制信道覆盖扫描波束设计、扫描波束场景 化自适应调整下行SU-BF最优化单用户接收信号质量，提升 控制信道覆盖、下行单用户容量 和体验权值计算、SRS权值和PMI权 值自适应、功控、AMC、Rank 自适应下行MU-BF最优化多用户联合发送性能，提升 小区容量和用户体验配对算法

7、（调度、功控、AMC、 Rank自适应）、多用户权值 迫害一般而言，大规模天线Massive MIMO的增益主要由阵列增益、分集增益或 者波束赋型（BF）增益组成，如192振子的64T64R的阵列增益为lOdBi,上行 分集增益或者下行BF增益为iri5dBio当前主流的Massive MIMO有64T64R、32T32R、16Tl6R等多种通道数天线可选，其区别在于垂直面上分别支持4层、2 层和1层波束，具备不同的三维Massive MIMO性能，相比以往的双极化天线在 垂直维度上有更好的覆盖增益。落地实施中应根据不同的场景需求，考虑覆盖、 容量、CAPEX、OPEX及施工条件等五大因素进行

8、天线选型。图1-49 典型的TRX的覆盖波束示意图表1-10不同通道数的大规模天线性能对比性能16通叟32通道 64通道倾角调整能力011 12dB上副瓣抑 制011 12dB 上副瓣 抑制011。12dB 上副瓣 抑制水平波束扫描 能力约+/-55。 3dB约+/-55。 3dB约+/-55。 3dB垂直波束扫描 能力无约+/-6。约+/-12天线增益2223dBi2324dBi2425dBi3、Massive MIMO的应用场景5G部署前期的无线网络是一个复杂且多种制式共存的混合网络。大多数场景 面临无线环境复杂，建筑物密集，高低分布不均匀，频率资源紧张，用户数量高, 流量需求大等问题。这

9、给5G基站的规划和建设带来更加严峻的考验。大规模天 线技术的提出为解决这一难题提供了有效的解决方法。大规模天线技术的可能应 用场景如下表所示：表1-11大规模天线技术的应用场景主要场景特点频段范围潜在问题宏覆盖5G组网覆盖的主要手段，覆 盖面积较大，用户数量多以6GHz以下的低频频 段为主因场景地物的复杂性，可 能存在覆盖盲点高层覆盖用户分布在楼宇较高为位 置，且二维/三维混合分布， 需要基站有良好的垂直覆盖 能力以6GHz以下的低频频 段为主，部分高层场景 可能用到6GHz以上的 高频频段容易发生越区覆盖，产生 邻小区干扰，控制信道、 导频信号覆盖性能与数据 信道不平衡郊区农村 覆盖覆盖范围

10、大，用户密度低， 信道环境简单，噪声受限以6GHz以下的低频频 段为主控制信道、导频信号覆盖 性能与数据信道不平衡由于郊区农村的用户密度低，对容量需求不迫切且信道环境简单，因此研究 优先级较低。接下来主要介绍大规模天线系统在宏覆盖、高层覆盖场景中的应用01 1) 宏覆盖宏覆盖是5G组网的主要覆盖场景，一般使用6GHz以下的低频频段，利用低 频频段较好的障碍物穿透能力，快速建立5G网络。当大规模天线系统用于室外 宏覆盖时，可以通过波束赋形提供更多流数并行传输，提高系统总容量。尤其是 在密集城区需要大幅度提高系统容量时，可以采用大规模天线系统。但是，由于 室外宏覆盖通常采用中低频段，当采用Mass

11、ive MIMO天线系统时，会导致天线 尺寸较大，重量较大，硬件成本和施工难度大的问题，因此在室外宏覆盖场景需 要重点研究天线的小型化问题。宏覆盖场景可以用城市宏小区(UrbanMicrocell, UMa)模型概括。Uma模型是 3Gpp协议中定义的一种适合于中高频的传播模型，适用频率在0.8 GHz到100 GHz 之间，小区半径在10 m到5 000 m的宏蜂窝系统。UMa同时也是移动通信的主 要以及最重要的应用场景之一，在众多的应用场景中占有较大的比例。首先，UMa 场景中的用户分布较为密集，随着移动通信业务的发展，UMa场景的频谱效率需 求越来越高；其次，UMa场景往往提供大范围的服

12、务，在水平和垂直范围，基站 都需要提供优质的网络覆盖能力以保证边缘用户的网络体验。一图123断UE3 , 卜的大观丝吧少UMa场景大规模天线技术的高频谱利用率特点可以良好的满足UMa场景用户的频谱效 率需求，同时由于大规模天线能够提供更为精确的信号波束，因此能够增强小区 的覆盖范围，减少能量损耗，利于干扰波束间协调，最终有效提高UMa场景的用 户体验。从UMa场景的需求和大规模天线技术的特征等方面看，UMa场景是大规模天线的一个典型应用场景。2 2） 高层覆盖大多数城市都有高层建筑被多数低层建筑包围的场景，传统3/4G基站主要 解决周边大多数低层建筑，针对高层建筑的覆盖问题一般通过室分方案解决

13、，而无法部署室分方案的高层建筑将面临无信号覆盖的困难局面。大规模天线系统的 出现为这种场景提供了有效的解决方法：即通过大规模天线技术的垂直纬度的波束赋形，为高层建筑提供网络覆盖，如下图所示:图1-51 Massive MIMO天线用于高层覆盖高层覆盖可以根据具体的场景特点来确定选用6GHz以下的低频频段还是 6GHz以上的高频频段：当高层用户较为密集，且建筑物墙体的穿损较小时就可 以选用6GHz以上的高频频段，利用高频频段丰富的频谱资源大幅度提升系统容 量；当高层用户较少或者建筑物墙体的穿损较大时，应选用6GHz以下的低频频 段，利用低频良好的障碍物穿透能力为用户提供基本的网络覆盖。同样在一些

14、山地区域，也可以通过大规模天线技术为高地提供信号覆盖，主 要利用大规模天线系统在垂直方向的覆盖能力。3 .多频超宽频天线国内移动网存在多种制式，频谱具有多样性，包括800M, L8G, 2.1G和 2.6G等。频段的增加使天馈系统变得日益复杂，天线的部署成为网络建设中一 大难题。在多制式混合组网的情况下，如何选择天线，保证一次部署满足未来几 年的网络演进，同时兼顾总体投资收益，满足“快，好，省”的部署需求，成为运 营商最关心的问题。破解天线部署难题，多频超宽频天线成为运营商的最佳选择。多频超宽频天 线，满足多制式下各种场景的混合组网方式，一根天线支持多个频段，解决天面 空间问题，同时预留可能增

15、加的频段，满足未来网络演进，有效保护运营商长期 投资。1、场景一：密集城区和热点区域密集城区和热点区域话务量最集中，同时对数据业务也有较高的需求，是运 营商主要投资区域。由于不同频段存在着覆盖差异，下倾角的要求也不同，同时 密集城区和热点区域对通信质量要求较高，网络需要频繁地进行调整，选择天线 时需考虑不同频段独立调整的需求。以移动网全频段(800M/L8G/2.1G/2.6G)为目标网，在天面空间紧张的情 况下，建议选用四频 8 端口天线(790-960/1710-2690/1710-2170/2490-2690M), 支持各频段独立调整，支持800M和1.8G/2.1G/2.6G同时部署。

16、如果天面空间不紧张，可选用三频6端口天(1710-2690/1710-2170/2490-2690M),支持各频段独立调整，支持 1.8G/2.1G/2.6G 同时部署。选择这两种天线在密集城区和热点区域进行部署，可以有效解决天面空间紧 张的问题，降低物业协调难度。远程独立下倾角调整，实时网络优化，保障不同 频段实现最优覆盖效果。2、场景二：一般城区一般城区兼顾覆盖与容量，同时要求降低综合投资成本。考虑到一般城区网 络优化频率比较低，可以使用合路器将1.8G和2.1G共端口接入，降低天线复杂 度和部署成本。以移动网全频段(800M/1.8G/2.1G/2.6G)为目标网，在天面空间紧张的情 况

17、下，建议选用三频天线6端口( 790-960/2* 1710-2690M)，支持800M和1.8G/2.1 G 同时部署，同时预留2.6G,满足未来演进。如果天面空间不紧张，可选用双频4端口天线(2*1710-2690M),支持 L8G/2.1G同时部署，同时预留L2.6G,满足未来演进。选择这两种天线在一般城区部署，可以有效解决天面空间紧张的问题，避免未来新增加系统带来物业协调困难。新增2.6G可独立下倾角调整，避免影响已 经优化的网络。结合以上分析，对各个场景选型的建议和优势总结如下:表1-12密集市区和一般城区天线选型表场景建议天线类型优势不足密集城 区和热 点区域8端口四频天线全频段共

18、部署，节省天面空间，综合部 署成本低。独立优化，保障网络性能首次部署天线成本较高1.8-2.6G 6 端 口三频天线独立优化，保障网络性能不支持800M共天馈部署一般城 区6端口三频天线支持全频段共部署，节省天面空间1.8G/2.1G系统不能独立 优化1.8-2.6G 4 端 口双频天线降低天线复杂度和整体成本不支持800M共天馈部 署，1.8G/2.1G系统不能 独立优化对运营商来说，天线部署成本应综合考虑单根天线自身成本、天线获取及物 业协调成本和天面空间租金等综合费用。选择多频超宽频天线，首次部署天线成 本会较高，但单根天线极大地降低了天面租金费用。未来新增频段，天馈系统无 需改变，减免

19、了新增天线的费用以及物业协调和人工安装费用。天线数量的减少, 也便于对整个天馈系统进行管理,提高了网络优化和管理效率。多频超宽频天线, 有效降低长期TCO,保护客户长期投资，已逐渐成为移动网主流天线选择。随着多频超宽频天线的应用逐渐广泛，产业链也已十分成熟。目前，四频和 三频天线在欧洲多个跨国运营商已有规模应用。4 .有源天线在无线接入网的变革中，有源天线的出现具有重要意义。目前，有源天线正 向着多频、多标准演进，有望成为3G、4G网络建设的利器。1、基本原理有源天线通过将射频单元紧密集成到天线中的设计，将显著降低功耗。与传 统的解决方案相比,有源天线减少了部件数量和相互连接,从而缩短了安装时

20、间。与现在已经大规模使用的BBU+RRU方案相比，有源天线的集成度更高， 不仅可以节省大量的塔上空间，而且降低对铁塔的承重、风阻要求；由于省掉了 跳线，射频损耗更小，因此输出功率可以做得更大，或者说在保持相同输出功率 的情况下，功耗更小从而达到节能减排的目的。日源天嬉II次方累图1-52基站建设解决方案演进示意图不同场景安装方式。AAU SolutionO feeder loss0.8 dB SavingCPRISaving1 O% PA Power图1-53有源天线在支撑杆上的安装示意图2 RRUActive Antenna Unit图I-54 有源天线在铁塔上的安装示意图5 .劈裂天线1、基本原理劈裂天线是在一个天线罩实体内集成了两根双极化天线，采用波束赋形技 术，相比于普通窄波束天线，劈裂天线增益下降更快，劈裂天线内两个扇区间的 重叠区域更小，有利于减少软切换和更软切换。劈裂天线技术致力于提高移动通信系统的系统容量，解决网络建设的困境。 这项技术在无线电频谱资源日益拥挤的今天，具有十分重要的现实意义。相对其它技术方案而言，劈裂天线具有投资省、见效快等优点。劈裂天线安 装后的情形如下图：