傳統(tǒng)基站到有源天線基站的演進*

陳麗萍

(中興通訊股份有限公司，西安 710114)

1 引言

隨著移動網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，基站架構(gòu)不斷演進，從傳統(tǒng)基站到分布式基站，人們在不斷探求更高性能、更小體積、更能靈活部署、更大覆蓋范圍的基站。從當前應(yīng)用和未來發(fā)展來看，仍存在若干急需解決的問題:多天線技術(shù)的引入，多種制式的并存，造成電信運營商的天線資源日益緊缺，也加大了基站建設(shè)的成本和難度。此外，現(xiàn)有基站采用固定下傾角，無法滿足日益復雜的應(yīng)用場景需求，如小區(qū)分裂等。

相比傳統(tǒng)基站，有源天線基站結(jié)構(gòu)緊湊、易安裝，可有效幫助電信運營商改善覆蓋，降低成本，解決天線資源不足等問題。自2011 年有源天線(Active Antenna System，AAS)提出以來，其在移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用［1－3］及其波束成形的控制方法［4－5］等一直是研究的熱點。2011 年有源天線也在3GPP 標準組織內(nèi)立項研究，至今有源天線基站的收發(fā)性能和測試方法還在標準會議中討論［6－9］。

本文對比了不同基站的架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進一步給出了有源天線基站的設(shè)計思路和方案，可將遠端射頻單元(Remote Radio Unit，RRU)與天線結(jié)合，通過天線下傾角控制技術(shù)以及波束成形(Beam Forming，BF)方案，以達到實現(xiàn)用戶信噪比容量最佳、提升系統(tǒng)容量的目的。

2 傳統(tǒng)基站

傳統(tǒng)基站架構(gòu)如圖1 所示，放置在機房里的射頻單元(Radio Unit，RU)通過線纜與室外的天線相連。盡管在設(shè)計中使射頻單元盡可能靠近天線，但實際布署中仍常會遇到過長饋線難以避免的情形，由此造成信號能量的嚴重衰減(3～10 dB)，射頻放大后的功率50%～90%可能會在線纜傳輸中損耗。

圖1 傳統(tǒng)基站的架構(gòu)Fig.1 Illustration of traditional BS structure

3 分布式基站

3.1 分布式基站的架構(gòu)

分布式基站架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 分布式基站的架構(gòu)Fig.2 Illustration of distributed BS structure

將原有傳統(tǒng)基站的射頻單元放在遠端射頻單元中，而基帶處理單元(Base Band Unit，BBU)通過無損耗的光纖連接至RRU。這樣使射頻單元盡量靠近天線，減少了損耗。此外，通過多個RRU 與一個中心基站中的BBU 連接，實現(xiàn)了大范圍覆蓋和資源共享。

3.2 接口標準

通用公共無線電接口(Common Public Radio Interface，CPRI)聯(lián)盟針對分布式基站制定了CPRI 標準，有效規(guī)范了中心基站BBU 和遠端射頻單元之間的數(shù)字傳輸接口，包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。在CPRI 標準中，將中心基站定義為無線設(shè)備控制器(Radio Equipment Controller，REC)，將遠端射頻單元定義為無線設(shè)備(Radio Equipment，RE)，兩者之間的接口定義為CPRI 接口。REC 的功能如傳統(tǒng)基站的BBU，RE 的功能如傳統(tǒng)基站的RU。CPRI的標準主要在物理層增加了電纜傳輸標準、光傳輸標準、不同數(shù)據(jù)的分時復用，在鏈路層增加了數(shù)據(jù)流控制、內(nèi)容保護機制、REC 和RE 同步信息。在CPRI 標準中，還規(guī)定了星型、鏈型、樹型和環(huán)型4 種連接方式。

3.3 分布式基站的設(shè)計

圖3 是分布式基站的設(shè)計示意圖。在REC 端的BBU 中增加數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊，利用接口芯片實現(xiàn)CPRI 協(xié)議處理，利用標準的SFP 光模塊實現(xiàn)光纖收發(fā)器，最終實現(xiàn)將BBU 的I/Q 信號通過光口進行傳輸。同理，在RE 端也增加這三個部分(見黃色框內(nèi))，實現(xiàn)光口到I/Q 信號的轉(zhuǎn)換，然后通過RRU進行處理，之后通過天線進行發(fā)射。

圖3 分布式基站的設(shè)計示意圖Fig.3 Design diagram of distributed BS

4 有源天線基站

4.1 有源天線基站的架構(gòu)

圖4 有源天線基站的架構(gòu)Fig.4 Illustration of AAS structure

傳統(tǒng)的天線都是無源天線，本質(zhì)是一個金屬體。有源天線的原意是在傳統(tǒng)的天線中增加有源器件，最為普遍的做法是在天線上加放大器，可以有效增大輸入阻抗、降低諧振頻率從而達到展寬頻帶、增加接收靈敏度的目的。此外，還可有效改善系統(tǒng)的噪聲特性，實現(xiàn)天線的小型化。有源天線基站將有源天線概念進行了擴展，在天線中增加了RRU 部分，如圖4 所示。由圖4 可知，有源天線基站是在分布式基站的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其將整個RRU 都集成到天線中，放置于塔架上，通過CPRI 與BBU 連接。有源天線基站不再采用傳統(tǒng)基站的固定下傾角，而是利用靈活的波束成形方案，實現(xiàn)不同用戶不同的下傾角，不同小區(qū)不同的下傾角，用這樣更為精細的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化措施，使用戶信號最佳，對周邊的干擾最小，從而提高系統(tǒng)容量和增大覆蓋。

4.2 有源天線基站的設(shè)計

由圖5(a)可知，塔架上的有源天線由CPRI 接口模塊、射頻單元、天線單元三部分組成，其中射頻單元和天線構(gòu)成了有源天線的主體，對應(yīng)的設(shè)計可分為兩種。

(1)物理疊加式的有源天線

如圖5(b)所示，基站架構(gòu)扁平化，將RRU 模塊化直接放置在天線罩內(nèi)。2011 年，諾基亞西門子提出有源天線，就是將RRU 做成模塊同傳統(tǒng)的無源天線單元連接為一體［3］。隨著近年來微波集成電路的發(fā)展，已可將RRU 中的有源電路、有源器件直接集成在天線單元中。

圖5 有源天線基站的設(shè)計示意圖一Fig.5 The design diagram 1 of AAS

(2)真正意義上的有源天線

如圖6 所示，RRU 中含有多個RU 和多個天線陣元，每個RU 和天線陣元構(gòu)成一路有源天線的陣元，實現(xiàn)一個信道的收發(fā)。通過靈活配置多個信道，可實現(xiàn)多種需求:一是實現(xiàn)波束成形，每個信道通過不同的加權(quán)，控制波束指向特定區(qū)域或特定用戶;二是實現(xiàn)不同的MIMO 配置，如2 ×2、2 ×4、4 ×4 等;三是實現(xiàn)載波聚合(Carrier Aggregation，CA)，每個信道進行不同載波的收發(fā)，在BBU 中實現(xiàn)不同的載波聚合——同帶連續(xù)載波聚合、同帶不連續(xù)載波聚合和異帶載波聚合。

圖6 真正意義上的有源天線的設(shè)計示意圖二Fig.6 The design diagram 2 of real AAS

圖6 所示為真正意義上的有源天線，其功能主要由三部分配合完成。

(1)寬帶化的天線陣元

可用一個天線陣元實現(xiàn)多頻段、多模式的覆蓋。也就是說，有源天線首先是天線陣元寬帶化和小型化的設(shè)計，其設(shè)計原則是所有制式共用一副天線，所有頻段共用一個天線單元。對于MIMO 和CA 等復雜應(yīng)用場景，寬帶化和小型化的設(shè)計可以有效避免天線單元的成倍增加。此外，設(shè)計時還要盡可能多地運用新材料技術(shù)，以便進一步降低天線的整體體積和重量。

(2)小型化、多制式的RU 單元

有源天線的射頻部分雖然也是由多路RU 組成，但并不是一路RU 實現(xiàn)一個通信制式，而是采用一路RU 實現(xiàn)對所有制式多個頻段的支持，采用多路RU 配合天線實現(xiàn)下傾角控制和調(diào)節(jié)。同時設(shè)計中不再采用傳統(tǒng)的射頻器件，如BF 所需的移相網(wǎng)絡(luò)和功控網(wǎng)絡(luò)，這些都很難集成到天線中去，而是大量采用集成化的無線芯片實現(xiàn)RU 收發(fā)，直接和天線合為一體。

(3)REC 中的控制單元

可集中管理位于塔架上的有源天線，無需上塔就可進行遠端調(diào)控。REC 根據(jù)一定的下傾角控制方法，形成各個天線陣元的加權(quán)系數(shù)，通過CPRI 接口傳遞給RRU，控制各個RU 進行幅度和相位加權(quán)，實現(xiàn)有源天線下傾角和波束的調(diào)整，從而達到提高系統(tǒng)容量的目的。

有源天線下傾角的控制方法，是利用三維天線方向圖設(shè)計波束成形，在垂直面上實現(xiàn)不同下傾角的波束覆蓋，從而達到不同的小區(qū)覆蓋。而傳統(tǒng)基站的天線在垂直面對所有用戶所有小區(qū)都采用固定的下傾角，因此更多是利用二維天線方向圖在水平面考慮波束成形。由于沒有考慮垂直面內(nèi)的調(diào)整，因此不能使用戶信噪比和系統(tǒng)的吞吐量達到最佳。

如圖7 所示，有源天線的三維天線方向圖相比原有的二維天線方向圖，其主瓣方向在垂直面上擴展出了“不同下傾角θ 的波束”，θ 可在［5°，20°］范圍內(nèi)選擇。各陣元的加權(quán)系數(shù) 珚W=［w1，w2，w3，…，wn］目前還沒有一個比較成熟的工程計算方法，可采用傳統(tǒng)基站智能天線BF 中加權(quán)系數(shù)的生成方法，通過公式(1)和公式(2)進行計算。其中最佳下傾角θ 的獲取是關(guān)鍵，借鑒傳統(tǒng)基站BF 中預(yù)多波束的算法在工程實現(xiàn)中比較可行。

式中，N 表示有N個陣元，wn是第n個天線的加權(quán)系數(shù)，θ 是下傾角，d 是陣元之間的間距，λ 是波長。

圖7 有源天線下傾角控制的示意圖Fig.7 Illustration of controlling the down tilt of AAS

4.3 有源天線基站的優(yōu)勢

圖8 是基站架構(gòu)的演進趨勢圖。從傳統(tǒng)基站到分布式基站，再到有源天線基站，有源天線基站順應(yīng)了RU 靠近天線的趨勢，相比傳統(tǒng)無源天線基站具有很多應(yīng)用優(yōu)勢:

(1)有源天線基站采用寬帶收發(fā)天線，可實現(xiàn)多制式、多頻段的兼容，降低了對天線資源的要求，可幫助運營商減少站點租賃，降低運營成本;

(2)有源天線基站將射頻單元集成于天線內(nèi)部，集成度高，更容易安裝和維護，可減少站點維護成本;

(3)有源天線可實現(xiàn)零饋線零損耗，節(jié)省了饋線投資成本，減少了饋線損耗對性能的影響，提升了發(fā)射功率和靈敏度等指標，在同樣的性能下設(shè)備可做得更小;

(4)有源天線能夠通過調(diào)幅調(diào)相控制波束形狀，實現(xiàn)靈活多樣的下傾功能——不同載波采用不同下傾角、上下行獨立下傾角、不同小區(qū)不同下傾角;

(5)有源天線基站存在多路天線單元，如果某路單元損壞，可調(diào)整剩余天線單元進行補償，提高設(shè)備的可靠性;

(6)有源天線基站利用多路信道，可靈活兼容MIMO、CA 和BF 多種需求;

(7)大量集成化芯片的使用避免收發(fā)單元和天線單元的成倍增加，使天線做得更小更輕成為可能。

圖8 基站架構(gòu)的演進趨勢圖Fig.8 Illustration of BS evolution

5 結(jié)束語

本文詳細介紹了傳統(tǒng)基站、分布式基站、有源天線基站的不同架構(gòu)，針對各種不同架構(gòu)進行了優(yōu)缺點對比，闡明了演進到有源天線基站的必然性，并在此基礎(chǔ)上進一步給出了其設(shè)計思路和技術(shù)特點。通過分析，得出有源天線的應(yīng)用意義在于:可減少站點租賃，降低維護成本，達到高集成度、低損耗、靈活配置、更大覆蓋等目的，可滿足未來低能耗的綠色移動通信系統(tǒng)的發(fā)展要求。

有源天線基站相對傳統(tǒng)天線基站有著不可比擬的優(yōu)勢，是未來發(fā)展的方向。但由于其采用了有別于傳統(tǒng)基站的新技術(shù)，不能直接借鑒傳統(tǒng)基站的收發(fā)信機指標。目前，有源天線的性能指標和測試方法都還在3GPP 框架內(nèi)討論，已有一些技術(shù)報告(Technology Report，TR)輸出。相信隨著技術(shù)標準的完善以及電信設(shè)備廠商積極地研發(fā)投入，有源天線基站會越來越成熟，不久的將來有望廣泛在工程中應(yīng)用。

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