芯耀
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一、前言
市场研究机构、行业联盟/标准机构、原始设备制造商（OEM）、学术研究人员甚至消费者普遍认为，5G技术将提供无缝的语音、数据和控制服务，其规模远超当今城市和郊区常见的服务水平。
普遍观点认为，先进天线系统（AAS）或智能天线（SAs）是实现增强移动宽带（eMBB）、超可靠低延迟通信（URLLC）和大规模机器类通信（mMTC）的必要条件，这三大场景被视为早期5G应用的三大支柱。升级后的天线技术，如大规模多输入多输出（mMIMO）、Sub-6 GHz与毫米波（mmW）载波聚合（CA），以及全维度（FD）波束成形/MIMO（FD-MIMO），也被视为支撑5G应用的关键天线技术。为实现这些高远的性能目标，天线需要超越当前部署的无源和有限MIMO技术，发展为主动驱动的密集天线阵列，更接近军事有源电子扫描阵列（AESA）技术中使用的相控阵天线。
本文旨在向读者介绍当前4G天线的发展现状，以及5G标准和应用场景如何推动天线设计向有源、高度集成和超密集MIMO系统演进。
二、传统蜂窝天线技术与早期MIMO
近年来，电信安装商主要使用扇区化（3扇区）天线，这类天线的频率性能足以满足特定运营商频段的指定服务需求。随着4G的出现，这还包括无源MIMO技术和载波聚合（CA），使设备能够通过多个空间复用路径和多个频段连接。
图2. 三扇区通信示意图
在大多数国家，普遍部署的是2x2 MIMO和有限的CA（受限于用户设备），这意味着对于大多数用户而言，若启用MIMO，最多仅通过设备与基站天线之间的两条空间路径进行通信。直到最近，才有少数用户设备和最新基站/天线部署提供更高阶的MIMO（如8x8）和支持多达7个分量载波的CA。为了让网络为类5G服务和早期5G部署做好准备，已出现了一种通过天线系统和基础设施升级来支持更高级别MIMO和CA的方式，这在很大程度上已在4G-LTE Advanced Pro（3GPP第14版）中概述。
图3. 2x2 MIMO示意图
当前，4G MIMO天线是2x2 MIMO交叉极化天线，通过前传光纤电缆连接到远程无线电头端/无线电单元（RRU），再连接到数字单元/基带（BBU或者DU）。这是对先前蜂窝塔天线系统的改进——此前的系统使用基站收发信机（BTS），通过同轴组件将射频信号传输到单个天线单元。对于4x4和8x8 MIMO，通常需要将多个RRU连接到多个交叉极化MIMO天线，形成一个随着MIMO复杂度增加而线性扩展的天线系统。但由于蜂窝塔设备繁杂，且从成本和复杂性角度来看缺乏吸引力，OEM厂商已开发并持续开发基于有源技术的更紧凑天线系统。其成果是64x64 MIMO天线，在与天线同一组件中集成了收发器、MIMO和波束成形硬件。
图4. 基带+RRU+天线连接示意图
为避免小区边缘干扰，运营商主要采用双扇区小区策略，但这可能不足以满足最终4G部署或早期5G部署的预期。目前正朝着每个小区使用6扇区的先进矢量扇区化方向发展，结合主动小区成形等技术来帮助缓解小区边缘干扰。当前，天线采购正转向多频段和MIMO天线，即64x64 MIMO天线，也称为大规模MIMO（mMIMO）天线。
三、5G波束成形与MIMO
2019年发布的3GPP第15版引入了非独立（NSA）5G选项，支持LTE和5G新空口（NR）通信链路的双连接。这涉及使用LTE服务作为控制平面和冗余路径，以及使用毫米波5G链路进行高速数据通信。因此，现在存在多种网络选项，每种选项都有其独特的天线要求和技术。鉴于毫米波5G服务面临更高的大气衰减和相应较窄的天线方向图，波束成形和MIMO被视为其正常运行的关键。大规模MIMO在支持小区内大量并发用户和机器类通信方面获得了更多支持，这对天线系统和基站基础设施提出了不同的要求。
图6. 波束调整支持方位角、仰角和天线方向图成形，这些是有源天线阵列的优势。
四、网络部署场景
由于4G技术的持续部署和5G NR技术的初步部署（其中许多仍处于试验阶段），可能会出现多种网络部署配置和策略。在众多策略中，5G Americas确定了三种主要策略：N+1、1+1和一体化（All-in-One），这些策略涵盖了增强型4G站点和新型5G站点。
1、 N+1
这种部署策略包括在现有4G站点上使用独立的有源或无源天线部署5G NR高频段。现有天线无需更改，也不会向现有服务添加额外频段。该方法使用4G LTE作为控制平面来管理5G NR通信，可能提供固定无线互联网（FWI）服务。
2、1+1
通过更换现有天线并添加5G NR天线，1+1策略可支持传统频段/技术。此外，该策略还支持部署5G NR低频段和中频段，但需在独立的有源或无源天线系统上实现。此配置可能支持高低频段的4T4R和新LTE频段，其中5G NR低频段位于LTE低频段天线罩内。
3、一体化（All-in-One）
一体化方法需要将传统频段/技术完全整合，并在同一天线罩内纳入新的5GNR频段。这可能导致在同一天线罩内放置两种不同的天线系统：一种是支持4T4R和8T8R的全无源天线（4T4R 700/850/1900/AWS/1800/2100/2600 + 8T8R 3500），另一种是用于中期的无源或有源天线，支持更高级别的MIMO（4T4R 700/850/1900/AWS/1800/2100/2600+16T16R/32T32R/64T64R 3500）。
五、有源与无源天线
有源天线与无源天线的区别在于，通过对天线单元或子阵列的相位和幅度进行主动控制，有源天线可实现波束成形。波束成形是对射频能量的控制，驱动天线阵列使其方向图能够按预期进行控制和成形。相较于电子下倾技术，波束成形提供了更大的自由度和精细控制能力，先进的波束成形技术可生成多个指向目标通信设备的天线波瓣（波束）。
图7. 有源天线通过控制线性阵列中每个贴片天线所接收信号的相位，就能控制波束指向的方向。
波束成形的进一步发展可包括仰角（垂直波束成形）和方位角（水平波束成形）控制。将波束的方位角和仰角控制与MIMO能力相结合，即称为全维度MIMO（3D-MIMO），这使得作为用户 premises 设备（CPE）的用户设备和固定无线设备能够通过限制干扰和更高效地引导信号能量，接收最佳信号强度和质量。
图8. 3D-MIMO端示意图
无源天线仅需要定期（手动或电动）调整或仅在安装时调整的电子元件。相比之下，有源天线需要对发送至每个天线单元的信号的相位和幅度进行持续电子（有源）调整，这也是为何将射频与数字技术集成以实现更小尺寸和更低成本天线系统的趋势日益明显。
六、 射频与天线的集成（AAS）
先进天线系统（AAS）或有源天线系统被广泛视为优化基站效率、容量和覆盖范围，并满足用户对5G服务高期望的关键技术。然而，利用AAS也意味着需要改变蜂窝结构、基础设施以及天线/射频技术，以支持既能兼容传统服务又能承载新5G网络的需求。从本质上讲，AAS是将远程无线电头端（RRU）与天线阵列相结合，由数字单元（DU）/数字基带单元（BBU）替代基站收发信机来提供数据和控制信号。5G AAS基站的网络信息最可能通过光纤通信和微波/毫米波回程实现最后一公里连接。这一趋势在4G部署后期已显现，并普遍被提议用于5G部署。
图9. AAS及其射频前端示意图
七、波束成形/MIMO架构对天线系统的影响
为了使AAS在与现有无源天线大致相同的尺寸下满足设计要求，AAS原始设备制造商（OEM）必须应对若干设计挑战。将射频、数字和天线技术集成到单个封装中，同时具备足够的可配置性以避免过早淘汰，这带来了额外的设计考量：热管理、尺寸最小化、电源管理、互连布线以及减轻所有额外射频硬件的重量。因此，AAS有几种设计方法，可利用模拟/射频、数字或混合方法来实现天线的发射、接收、波束成形和MIMO功能。
1、 模拟波速成形
模拟波束成形涉及使用离散射频硬件，处理波束成形和通信所需的合成/拆分、幅度调整、相位调整、发射、接收和滤波。在模拟方法中，每个天线单元或子阵列需要独立的射频前端（RFFE）硬件，其中部分组件可集成到射频集成电路（RFIC）或微波单片集成电路（MMIC）中，以节省空间和功耗。此外，为限制模拟波束成形AAS的尺寸和重量，通常采用子阵列来减少单元素控制的灵活性。
图10. 模拟波束成形框图
然而，其他组件（如功率放大器（PA）、混频器、振荡器、调制器、功率合成器/分配器、滤波器等）的集成可能具有挑战性。由于技术可用性、灵活性和时序限制，模拟波束成形目前用于4G最终部署和5G早期部署。高频段5G（毫米波5G）可能会在更长时间内使用模拟RFFE硬件，因为在20、30和50GHz频段运行的数字技术较少。通常，对于毫米波应用，使用振荡器、混频器和频率合成器技术生成毫米波信号，但过去几年中已出现了较新的28GHz数字收发器原型作为例外。
2、数字波速成形
全数字波束成形技术仍在开发中，其设计目标是完全替代直至收发器的RFFE组件，这些组件可能随后集成或组装到紧凑的发射/接收模块（TRM）中。通过直接数字合成（DDS）和直接数字转换（DDC）/直接射频采样（DRF），基带单元与任何频率转换、波束成形配置、调制/解调及滤波（接收器和发射器滤波除外，以减轻干扰并确保合规性）完全数字化。
图11. 数字波束成形框图
此类单元（有时称为天线处理单元（AAU））能够向数字基带单元提供射频信号的数字化馈送，从而支持极宽带宽应用，只要AAU能够覆盖所需5G毫米波频段的最高频率，即可在单个AAS中处理低频段、中频段和高频段5G信号。目前，该技术极为新颖，可能尚未部署或正在进行现场试验。
具备完整功能的全数字AAS将支持单元素FD-MIMO，与为降低成本、复杂性、功耗、尺寸或重量而将单元划分为子阵列的MIMO系统相比，性能可能得到提升。
3、混合波速成形
混合波束成形结合了数字和模拟波束成形技术，通过数字合成和采样/转换技术帮助减少部分射频硬件。在这种情况下，高单元数MIMO和波束成形天线可能仍划分为子阵列，但较低复杂度的MIMO/波束成形AAS（4T4R、8T8R、16T16R）可通过单元素控制实现。混合AAS可能比同类数字AAS更重，但被视为在成本和复杂性之间的权衡，以提供后期4G技术和早期5G技术。在可行的全数字波束成形技术大规模生产之前，这可能是最常见的MIMO天线和大规模MIMO AAS形式。目前已有原型和产品正在准备于2020年推出。
图12. 混合波束成形框图
结论
自蜂窝服务诞生以来，蜂窝天线不断演进。最新3GPP版本为4G引入的MIMO、波束成形和CA技术已对蜂窝天线设计产生了重大影响。随着蜂窝服务新增低频段、中频段和高频段频率，以及大规模MIMO的引入，蜂窝天线正在再次变革。蜂窝天线功能的这些新特性和变化也极大地影响了蜂窝天线设计，以至于现代蜂窝天线现在必须包含集成的射频和数字硬件，以满足最新标准并保持竞争力。
