AAU設(shè)備的優(yōu)勢與應(yīng)用

賴杲銳

?

AAU設(shè)備的優(yōu)勢與應(yīng)用

賴杲銳

廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510000

隨著移動網(wǎng)絡(luò)的不斷升級演進，AAU設(shè)備（即一體化有源天線）得到廣泛應(yīng)用和推廣。介紹了AAU的結(jié)構(gòu)，總結(jié)了AAU的優(yōu)勢，介紹了相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用案例，并探討了AAU未來的發(fā)展。

AAU；一體化有源天線；射頻單元；天線單元

隨著移動網(wǎng)絡(luò)的不斷升級演進，基站主設(shè)備與天線的結(jié)構(gòu)也不斷演變。

2G時代以宏基站為主，基站主設(shè)備布置于機房，通過饋線與天面或桿塔的天線相連，即BTS加天線的形式。3G時代開始，由于系統(tǒng)頻段較高，以及機房選址越來越困難，分布式基站逐漸占據(jù)主流，即BBU加RRU加天線的形式，RRU布置于天線附近。4G時代到來，天面系統(tǒng)越來越多，天面或桿塔空間資源有限，同時伴隨著多頻段以及MIMO的要求，射頻單元和天線單元集成的一體化有源天線即AAU設(shè)備，開始得到廣泛應(yīng)用和推廣。

1 AAU設(shè)備的結(jié)構(gòu)

射頻單元和天線單元集成的一體化有源天線，即Active Antenna Unit，簡稱AAU。AAU采用多通道的射頻和天線陣子配合，每個有源單元除了作為輻射及接收單元，實現(xiàn)輻射及接收電磁信號之外，還作為電路的一部分，具有諧振、濾波、功率放大等作用。AAU主要包括天線單元AU、射頻單元RU以及電源模塊。AU主要提供天線功能及內(nèi)置RCU實現(xiàn)電調(diào)功能。RU負責(zé)實現(xiàn)與BBU的通信，以及射頻信號的轉(zhuǎn)換、放大、濾波，并通過天饋單元AU實現(xiàn)射頻信號的接收與發(fā)射。電源模塊的作用則是向AU和RU供電。

2 AAU設(shè)備的優(yōu)勢

（1）減少饋損，提升射頻系統(tǒng)性能。射頻單元與天線單元的一體化集成，最直接的好處便是減少了饋線損耗。以2?GHz附近頻段為例，每百米饋線損耗約10?dB，普通RRU到天線的跳線長度為3～5?m，射頻模塊與天線模塊集成安裝后，可以減少0.3?dB以上饋損。饋損的減少，提升了天線輸出功率和接收能力，對網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的改善大有益處。

（2）有利于新技術(shù)的應(yīng)用。大規(guī)模多入多出（Massive MIMO）、三維波束賦形（3D Beamforming）、軟件定義頻譜（SDB）等技術(shù)可顯著提升網(wǎng)絡(luò)性能，但這些技術(shù)在傳統(tǒng)的基站與天線的結(jié)構(gòu)方案下實現(xiàn)復(fù)雜，而射頻單元和天線單元集成的AAU設(shè)備則具備實現(xiàn)的優(yōu)勢。

（2）節(jié)能減排，節(jié)約投資。在保證相同輸出功率的情況下，AAU設(shè)備可以使系統(tǒng)功耗更小，有效降低了移動網(wǎng)絡(luò)的能耗，達到節(jié)能減排的目的。同時節(jié)省了運營商饋線的投資，以3小區(qū)TD-LTE 8T8R為例，每站點就減少了24條跳線的投資以及相應(yīng)的施工工日。

（3）節(jié)約桿塔資源。隨著各大運營商鋪開4G建設(shè)，3大運營商現(xiàn)網(wǎng)都存在2G/3G/4G多個系統(tǒng)，涉及900?M、1800?/1900?M、2.1?G、2.3?G、2.6?G等多個頻段。采用單頻獨立天線的話，一個典型的3小區(qū)站點一個運營商可能需要掛9副天線。為了減少桿塔重復(fù)建設(shè)，運營商一般采取多頻天線，但是多套系統(tǒng)的RRU上塔同樣需要占用桿塔資源，載波聚合則帶來更多RRU，例如電信1800?M和2.1?G的載波聚合，雖然使用同一頻段天線，卻需要翻倍的射頻單元。另外隨著各大運營商覆蓋深度的增加，以及4G高頻段系統(tǒng)對站間距的更高要求，我國在網(wǎng)基站數(shù)量已經(jīng)非常龐大。據(jù)工信部數(shù)顯示，截至2016年底，我國移動通信基站總數(shù)已達559萬。大中城市更加密集，如二線城市佛山，各大運營商現(xiàn)網(wǎng)基站超過8000個。城鄉(xiāng)站址資源以及桿塔資源的利用已經(jīng)趨于飽和，而居民普遍對于基站輻射缺乏科學(xué)認識，又增加了選址難度，桿塔資源非常寶貴。種種因素對于現(xiàn)有的RRU加天線的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了挑戰(zhàn)，而AAU設(shè)備則很好地適用了這種挑戰(zhàn)。目前，主流的AAU產(chǎn)品的迎風(fēng)面積與相應(yīng)的天線產(chǎn)品的迎風(fēng)面積相當(dāng)，而一般RRU（約400?mm高×120?mm寬）的迎風(fēng)面積約0.12?m2，集成雙頻射頻單元的AAU設(shè)備，可以減少約0.24?m2的迎風(fēng)面積，以一般雙頻天線（約1400?mm高×300?mm寬）約0.42 m2的迎風(fēng)面積計算，集成的雙頻AAU產(chǎn)品比雙頻天線加2個RRU的產(chǎn)品能減少迎風(fēng)面積約18.6%。AAU設(shè)備能顯著減少迎風(fēng)面積，節(jié)約桿塔資源，提高桿塔資源利用率。另根據(jù)鐵塔公司商務(wù)規(guī)定，基本產(chǎn)品單元原則上每幅天線及1個RRU的迎風(fēng)面積合計不超過0.8?m2，超過需另外定價。多頻天線與多RRU的組合很容易超過0.8?m2的標(biāo)準，使用AAU產(chǎn)品節(jié)約鐵塔公司桿塔資源的同時，也能有效減少運營商的鐵塔租賃成本。

（4）美觀。集成了射頻單元的AAU產(chǎn)品，去掉了饋線的布放，使桿塔或天面更加簡潔美觀。特別是一些美化效果的AAU產(chǎn)品，例如華為的Easy Macro，中興的iMacro等，與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)，在如今站址獲取日益困難的情況下，有利于站點的建設(shè)和保持，同時在城市基站日益增多的情況下，保持城市景觀的和諧。

（5）施工便捷，部署快速。相比傳統(tǒng)方案，AAU方案由安裝RRU、安裝天線、布放跳線，縮減為只需安裝AAU設(shè)備。以30?m普通地面塔安裝一個載波聚合的3扇區(qū)電信LTE系統(tǒng)為例，3副多頻天線、6個RRU和12條跳線，需要71.4個定額安裝工日，采取AAU設(shè)備的話，僅需要安裝3個AAU，合計為29個定額安裝工日，減少44.4個工日，縮減超過60%工程量，同時減少的還有倉儲和物流成本。便捷的施工可以使基站快速部署，滿足各種緊急覆蓋需求，同時避免施工緩慢帶來的各種阻工風(fēng)險。

3 AAU主流產(chǎn)品

如上所述，在LTE建設(shè)中，針對桿塔資源有限的站點、有美化要求的站點、有阻工風(fēng)險的站點、要求快速建設(shè)的站點，均可以考慮采用AAU設(shè)備?；贏AU在4G建設(shè)中的各種優(yōu)勢，各大設(shè)備廠商均推出了不少AAU產(chǎn)品。

華為AAU3215支持頻段2.6?G/2.1?G/1.8?G，天線增益16?dBi，其中2.6?G是有源頻段，支持TDD 8T8R，射頻功率8×30?W，功耗560?W，F(xiàn)及A頻段是無源頻段，支持外接8T8R射頻單元。AAU3215尺寸為1400?mm×320?mm×230?mm，重量35?kg。AAU3215適用于FA或D頻段新建TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的同時預(yù)留了后續(xù)的頻段擴容能力，或在TD-SCDMA現(xiàn)網(wǎng)基礎(chǔ)上替換原天線新增D頻段的TD-LTE需求場景。

華為AAU3910支持頻段1.8?G/2.1?G/2.6?G 3個頻段，其中2.6?G和1.8?G是有源頻段，2.1?G是無源頻段，可以外接射頻單元。2.6?G為TDD有源模塊，4T4R收發(fā)模式，射頻輸出功率4×20?W，天線增益18?dBi。1.8?G為FDD有源模塊，2T4R收發(fā)模式，射頻輸出功率2×60?W，天線增益17.5?dBi。有源模塊合計最大功耗為760?W。2.1?G頻段支持2T4R外接射頻模塊，增益17.5?dBi。AAU3910尺寸為1450?mm×320?mm×230?mm，重量54.5?kg。AAU3910適用于TDD與FDD共存的需求場景。

華為AAU3940是圓筒狀的AAU產(chǎn)品，造型小巧，高750?mm，直徑150?mm，重15?kg，外形與環(huán)境比較協(xié)調(diào)，無需再額外美化。支持1.8?G/2.1?G頻段，射頻功率2×40?W，支持2T4R，天線增益14.5?dBi。AAU3940帶美化效果，可以快速部署，適用燈桿站、街道站，可對道路及附近樓房進行補盲覆蓋。

中興A8602是中興推出一體化集成天線，體積僅15?L，重量15?kg，射頻功率2×40?W，天線增益15?dBi，功耗490?W，分為S1800和M1821兩種型號，其中S1800支持1.8?G頻段， M1821支持1.8?G及2.1G。A8602適用于快速部署解決FDD覆蓋需求。

上述常用的各種AAU產(chǎn)品，其天線增益、迎風(fēng)面積、射頻功率、產(chǎn)品功耗等關(guān)鍵指標(biāo)，與主流的天線和RRU產(chǎn)品相比，性能相當(dāng)，個別產(chǎn)品在擁有接近的射頻指標(biāo)的情況下甚至比一些天線有更小的物理尺寸。

4 AAU應(yīng)用案例

基于AAU的各種優(yōu)勢，AAU產(chǎn)品受到運營商的歡迎和使用。

例如下述位于兩片丘陵之間的位置為弱覆蓋區(qū)域，周邊淺藍色圖釘為現(xiàn)有基站，由于山體和建筑的阻擋，現(xiàn)有基站未能對弱覆蓋區(qū)域進行有效覆蓋。

根據(jù)網(wǎng)優(yōu)需求，現(xiàn)場選址勘察，發(fā)現(xiàn)附近綠色圖釘位置有一視頻監(jiān)控桿，可以利用現(xiàn)有監(jiān)控桿桿體及配套資源建設(shè)路邊站進行補盲覆蓋。

考慮到選址位置正好位于寺廟門口，附近環(huán)境清幽，存在美化要求及基站逼遷風(fēng)險，決定采用華為AAU3940設(shè)備進行建設(shè)，新增2付AAU3940，以1.8G頻段2T4R進行覆蓋，方向角分別為90°和230°。該站點從進場施工到站點開通不到半日，快速部署解決了周報道路、寺廟景區(qū)的弱覆蓋問題，一體化天線與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)，截至目前沒有收到逼遷報告。站點建設(shè)效果如下：

5 AAU的發(fā)展展望

如前所述，隨著各運營商網(wǎng)絡(luò)的不斷升級演進，現(xiàn)在的基站基本都是多制式多頻段共存，例如電信的1.8?G?LTE、2.1?G?LTE與CDMA?800?M共存的基站已經(jīng)相當(dāng)普遍，同一運營商同一頻段也會有多個制式，例如電信的LTE?800?M和CDMA?800?M，聯(lián)通的DCS?1800?M和LTE?1800?M，而不同運營商的不同網(wǎng)絡(luò)合路共天饋的情況也不少見。主流AAU產(chǎn)品雖然不少，但是面對靈活多樣的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組合，產(chǎn)品類型還是顯得相對有限，AAU的應(yīng)用缺乏靈活性[1]。

展望AAU的發(fā)展，應(yīng)是保持AAU集成優(yōu)勢的同時，還能如普通多頻天線一樣靈活匹配多制式多頻段的網(wǎng)絡(luò)需求。這就要求射頻單元的硬件標(biāo)準化，并最好具備跨廠家的兼容性。目前各大設(shè)備廠商均推出了SDR基站，即軟件定義的基站設(shè)備，利用軟件實現(xiàn)使標(biāo)準化的基帶單元和射頻單元適合不同的網(wǎng)絡(luò)制式。設(shè)備廠商相應(yīng)也推出了SDR的AAU，例如華為的AAU3920，1.8?G和2.1?G的有源模塊，可以通過軟件定義支持GSM?1800?M、LTE?1800?M、LTE?2100?M、UMTS?2100?M等不同制式。SDR的RU與多頻AU的集成，使得同一廠家的AAU產(chǎn)品盡量做到了適用多樣的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組合要求，提高了AAU產(chǎn)品的靈活性。如果SDR的標(biāo)準化的射頻單元能同時做到兼容不同廠家的BBU，則相應(yīng)的AAU就完全成為獨立的天線端產(chǎn)品，進一步提高了AAU產(chǎn)品對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)組合的適應(yīng)能力。運營商無需受限于原主設(shè)備廠家，可以選用不同廠家的AAU，對于有實力的設(shè)備廠商更愿意規(guī)模量產(chǎn)相應(yīng)型號的AAU，天線廠家也能避免AAU產(chǎn)品流行之后的邊緣化。

此外，多頻段的組合，要求AAU集成多個頻段的RRU產(chǎn)品，這樣又造成AAU產(chǎn)品體積過大，限制了應(yīng)用優(yōu)勢。例如移動的LTE基站就會同時存在FED系統(tǒng)，目前主流的窄帶RRU產(chǎn)品一般只支持對應(yīng)的頻段，F(xiàn)ED基站需要集成3個頻段的RRU，對應(yīng)的AAU產(chǎn)品必然體積較大?？珙l段的寬帶RRU能節(jié)省RRU的配置數(shù)量，多頻AU與寬帶RU的集成，軟件定義頻段與軟件定義網(wǎng)絡(luò)制式的結(jié)合，可使AAU設(shè)備應(yīng)用的靈活性提高到一個新的高度。

AAU設(shè)備的應(yīng)用和發(fā)展，不僅是目前的部署要求，還承載著5G時代所需要的新技術(shù)和新特性。大規(guī)模天線陣列是5G的關(guān)鍵技術(shù)。通過大規(guī)模的多入多出，即Massive MIMO，支持更多獨立的空間數(shù)據(jù)流，數(shù)倍提升多用戶系統(tǒng)的頻譜效率，對滿足5G系統(tǒng)容量與速率需求起到重要的支撐作用。大規(guī)模天線陣列達到128T?128R、256T?256R甚至更大規(guī)模，必然是射頻單元跟天線單元一體化集成的設(shè)備。隨著移動網(wǎng)絡(luò)的演進發(fā)展，AAU設(shè)備將成為主流的射頻及天線設(shè)備。

[1]本刊訊.IMT-2020（5G）推進組發(fā)布5G技術(shù)白皮書[J].中國無線電，2015（5）：15.

Advantages and Applications of AAU Equipment

Lai Gaorui

Guangdong Telecom Planning and Design Institute Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510000

With the continuous evolution of mobile network, AAU equipment（ie, integrated active antenna）has been widely used and promoted.This paper introduces the structure of AAU, summarizes the advantages of AAU, introduces the related products and application cases, and discusses the future development of AAU.

AAU; integrated active antenna; radio frequency unit; antenna unit

X321；F752.0；F205

A

1009-6434（2017）02-0049-03

賴杲銳，工程師，通信項目經(jīng)理，任職于廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，從事通信規(guī)劃設(shè)計工作。