有源天線及Massive MIMO天線介紹及測(cè)試探討

1、有源天線的介紹

1.1、一體化有源天線簡(jiǎn)介

隨著移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量要求快速增長。面對(duì)數(shù)據(jù)容量的增長，從網(wǎng)絡(luò)角度需求更多的站點(diǎn)、更多的通信頻譜和進(jìn)一步提升頻譜效率新通信技術(shù)。而隨著2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，站點(diǎn)獲取越來越困難、站點(diǎn)空間利用也越來越受限，這使得現(xiàn)網(wǎng)擴(kuò)容及新增頻段變得愈加難度，同時(shí)也使得網(wǎng)絡(luò)部署變得更加復(fù)雜，對(duì)新技術(shù)的兼容也變得困難。天饋系統(tǒng)面臨著一系列的問題和新需求:

1、高站點(diǎn)租用費(fèi)用
2、網(wǎng)絡(luò)需要快速響應(yīng)保障客戶體驗(yàn)
3、多通道的復(fù)雜和高可靠性互聯(lián)要求
4、站點(diǎn)密集干擾加劇，需要精確的覆蓋設(shè)計(jì)

一體化有源天線（AAU）出現(xiàn)正與移動(dòng)寬帶要求相符合。通過射頻模塊與天線的融合，不僅簡(jiǎn)化站點(diǎn)部署，還減少了系統(tǒng)饋線損耗，使得網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能得到10%以上的提升。通過與多頻天線的融合設(shè)計(jì)，一個(gè)AAU可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)扇區(qū)的多頻段站點(diǎn)覆蓋要求，提升站點(diǎn)環(huán)境友好性，降低站點(diǎn)負(fù)荷；有利于降低部署時(shí)間和運(yùn)營維護(hù)成本。一體化的AAU技術(shù)不但可滿足越漸苛刻的部署要求，而且在將來可承載更多天線陣列新技術(shù)和新特性。

如圖2所示的加密宏站天線，通過：1、多頻基站天線替代傳統(tǒng)單頻或雙頻天線；2、多頻基站天線與射頻模塊的一體化融合及美學(xué)設(shè)計(jì)，既可加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能，同時(shí)與環(huán)境融為一體，美觀且便于部署。

圖1

圖2

1.2、Massive MIMO天線簡(jiǎn)介

移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，通信系統(tǒng)將面向4.5G、5G演進(jìn)，通信系統(tǒng)從人與人、人與機(jī)器的連接，進(jìn)一步擴(kuò)展到機(jī)器與機(jī)器的連接，到萬物互連。實(shí)現(xiàn)一個(gè)全連接的數(shù)字世界需要通信系統(tǒng)能提供大數(shù)據(jù)、大流量的信息洪流的管道。

在4G網(wǎng)絡(luò)向4.5G演進(jìn)中，提出要求讓用戶體驗(yàn)從xMbp步入到xGbps的時(shí)代。支撐用戶極速體驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括Massive CA、Massive MIMO以及高階信號(hào)調(diào)制等技術(shù)。其中Massive MIMO天線是Massive MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

圖3給出了5G網(wǎng)絡(luò)的一種部署預(yù)期，低頻Massive MIMO天線用于廣覆蓋和深度覆蓋，作為基礎(chǔ)容量層，提供基本的用戶體驗(yàn)速率。高頻Massive MIMO天線用于熱點(diǎn)地區(qū)、室內(nèi)容量和無線回傳。高低頻混合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)最佳頻譜利用。

圖3

Massive MIMO天線相對(duì)于傳統(tǒng)基站天線或者傳統(tǒng)一體化有源天線，其形態(tài)差異為陣列數(shù)量非常大、單元具備獨(dú)立收發(fā)能力。相當(dāng)于更多天線單元（128根、256根或者更多）實(shí)現(xiàn)同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。

Massive MIMO天線相比于傳統(tǒng)一體化有源天線有如下特性：

·多波束能力，可通過多用戶空分復(fù)用增益提升網(wǎng)絡(luò)容量（MU-MIMO）；
·大陣列Beam forming，通過算法抑制用戶間干擾，大幅提升單用戶SINR；
·3D-beamforming特性，實(shí)現(xiàn)多種場(chǎng)景的覆蓋要求；
·多通道上行接收，可最大化提升上行接收增益。

Massive MIMO作為容量提升關(guān)鍵技術(shù)方法，可通過MU-MIMO和3D-beamforming實(shí)現(xiàn)頻譜效率5~8倍的提升；通過用戶級(jí)波束、上行MIMO收益以及高階調(diào)制技術(shù)極大提升用戶網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)；通過3D-MIMO可解決弱覆蓋問題。

其應(yīng)用場(chǎng)景可針對(duì)TDD高頻組網(wǎng)，應(yīng)用于密集城區(qū)樓宇阻擋導(dǎo)致弱覆蓋場(chǎng)景；可以用于CBD區(qū)域站址緊張，現(xiàn)有宏小區(qū)的容量需大幅提升場(chǎng)景；還可用于高樓3D 覆蓋，解決站址及墻體傳輸損耗挑戰(zhàn)。

2、天線系統(tǒng)演進(jìn)對(duì)測(cè)試的挑戰(zhàn)

2.1、一體化有源天線對(duì)測(cè)試的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的天饋系統(tǒng)的天線與RRU是相互分離，接口為標(biāo)準(zhǔn)化的接口。其各自的性能可以通過獨(dú)立測(cè)試進(jìn)行檢驗(yàn)。而一體化有源天線是天線與RU的集成，其之間的連接非標(biāo)準(zhǔn)接口，通過分離式的方式無法整體反映有源天線的射頻指標(biāo)性能和輻射性能。需要考慮一體化的測(cè)試方式，即部分傳導(dǎo)指標(biāo)需要考慮空口測(cè)試。

而空口測(cè)試是基于場(chǎng)的方式進(jìn)行測(cè)試，傳統(tǒng)天線測(cè)試是采用單音信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)場(chǎng)的幅度和相位的測(cè)試，而對(duì)于一體化有源天線，其工作模式狀態(tài)下信號(hào)可能工作在不同制式，不同調(diào)制方式以及不同的帶寬?；趫?chǎng)的測(cè)試系統(tǒng)需要支持各種配置場(chǎng)景的業(yè)務(wù)信號(hào)的幅度、 相位測(cè)試。

對(duì)于一體化有源天線方向圖的測(cè)試，如何選擇方向圖的測(cè)試信號(hào)也是一體化測(cè)試面臨的新問題，需要研究分析及討論定義。

2.2、Massive MIMO天線對(duì)測(cè)試的挑戰(zhàn)

Massive MIMO天線系統(tǒng)其射頻部分與天線無法直接區(qū)分，無法進(jìn)行拆卸進(jìn)行傳導(dǎo)測(cè)試。且Massive MIMO天線存在大量的天線通道，采用傳統(tǒng)的傳導(dǎo)測(cè)試幾乎無法進(jìn)行測(cè)試。因此，Massive MIMO形態(tài)的有源天線，其射頻指標(biāo)需要通過空口（OTA）進(jìn)行測(cè)試。該測(cè)試模式下，射頻指標(biāo)均附帶了輻射方向性。如何對(duì)這些射頻指標(biāo)空口性能進(jìn)行定義，并通過什么方式進(jìn)行測(cè)試均是Massive MIMO天線測(cè)試面臨巨大挑戰(zhàn)。 目前均未有清晰的技術(shù)途徑，3gpp標(biāo)準(zhǔn)上也在技術(shù)研討中。

同時(shí)，Massive MIMO天線大陣列形態(tài)，可實(shí)現(xiàn)扇區(qū)更密集劈裂（垂直、水平或二維面混合劈裂等）、同頻多波束覆蓋、3D-beamforming等特性。這些特性實(shí)現(xiàn)對(duì)天線波束賦型、干擾抑制以及指向精度要求相比傳統(tǒng)天饋系統(tǒng)要求更高。

圖 4

因此，在天線波束輻射特性趨于復(fù)雜場(chǎng)景下，其輻射性能測(cè)試面臨問題同樣復(fù)雜：

1、如何準(zhǔn)確評(píng)估天線業(yè)務(wù)波束指向準(zhǔn)確性、副瓣、波寬等；
2、如何選擇業(yè)務(wù)狀態(tài)下多波束輻射測(cè)試場(chǎng)景；
3、多波束天線的測(cè)試效率問題；
4、如何通過輻射特性評(píng)估覆蓋性能。

針對(duì)以上的測(cè)試需求建議通過以下研究分析和明確測(cè)試要求：

1、需要重新評(píng)估Massive MIMO天線指標(biāo)要求；
2、研究分析覆蓋區(qū)域指標(biāo)要求，定義3D輻射指標(biāo)要求 ；
3、在真實(shí)業(yè)務(wù)信號(hào)下評(píng)估多波束輻射性能 。

此外，Massive MIMO天線能很好的解決高頻覆蓋問題，作為5G的擴(kuò)展頻段，提供容量保障。其有幾個(gè)關(guān)鍵特征：超高頻、大帶寬、超大陣列。

這些關(guān)鍵特征也給測(cè)試提出新的述求：

·高頻天線輻射指標(biāo)的判斷容差如何要求，需要重新分析定義；
·測(cè)試儀器、場(chǎng)地支持大口徑超高頻天線的測(cè)試，尤其是輻射特性的測(cè)試；
·測(cè)試儀器需要支持超高頻、超寬帶信號(hào)的測(cè)試。

3、天線系統(tǒng)演進(jìn)對(duì)測(cè)試指標(biāo)和要求探討

從天線的發(fā)展趨勢(shì)看，射頻模塊與天線集成化是技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，并且演進(jìn)趨勢(shì)為多通道的系統(tǒng)集成。因此，有源天線測(cè)試指標(biāo)應(yīng)該包含射頻指標(biāo)以及天線相關(guān)輻射指標(biāo)。

模塊RF指標(biāo)在天線一體化之后，很多都需要重新分析和定義其測(cè)試要求。尤其是Massive MIMO天線，由于其多通道射頻架構(gòu)、3D-beamforming特性以及多波束特性，其射頻指標(biāo)的測(cè)試要求與容差、空口測(cè)試要求和方向圖測(cè)試要求均需要重新分析和定義。

有源天線的方向圖關(guān)鍵指標(biāo)與射頻關(guān)鍵指標(biāo)如下表所示：

從產(chǎn)品形態(tài)、測(cè)試準(zhǔn)確性以及簡(jiǎn)易性和標(biāo)準(zhǔn)定義來看，

一體化有源天線

建議輻射指標(biāo)按一體化整機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其包括傳統(tǒng)天線輻射指標(biāo)以及3gpp已經(jīng)定義的EIRP和EIS指標(biāo)；

射頻指標(biāo)參照傳導(dǎo)測(cè)試方式進(jìn)行測(cè)試。

Massive MIMO天線

輻射指標(biāo)測(cè)試可參考一體化有源天線方式進(jìn)行測(cè)試，天線輻射指標(biāo)由于前述其波束的特點(diǎn)，可考慮部分指標(biāo)通過三維進(jìn)行定義，通過三維方向圖測(cè)試以準(zhǔn)確描述波束特性。

射頻指標(biāo)也通過空口測(cè)試，要求定義和測(cè)試方法待進(jìn)一步研究。

4、總結(jié)

隨著網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)演進(jìn)，天線與射頻模塊將深度融合，Massive MIMO有源天線將是未來天線的發(fā)展主流。傳統(tǒng)的測(cè)試方式在對(duì)有源天線真實(shí)輻射性能和射頻指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試將會(huì)面臨新的挑戰(zhàn)，一體化測(cè)試和空口測(cè)試（OTA）可能成為未來測(cè)試的演進(jìn)方向；相比于傳統(tǒng)天線和射頻測(cè)試，面臨測(cè)試指標(biāo)以及判斷體系，測(cè)試原理和方法、測(cè)試平臺(tái)等重大挑戰(zhàn)，需要進(jìn)行深入的探索和研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] TS 37.105，“Technical Specification Group Radio Access Network; Active Antenna System (AAS) Base Station (BS) radio transmission and reception”，3GPP.
[2] IMT-2020(5G)推進(jìn)組-5G愿景與需求白皮書.