關(guān)于中國(guó)移動(dòng)通信天線產(chǎn)業(yè)由中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造的探討

卜斌龍+劉培濤+賴展軍+馬澤峰+趙娜

【摘 要】首先回顧了中國(guó)移動(dòng)通信天線產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程，闡明了其成長(zhǎng)壯大的來(lái)由。接著通過(guò)對(duì)全球移動(dòng)通信天線需求的調(diào)研和分析，研究和預(yù)測(cè)了天線技術(shù)的發(fā)展方向，探討出小型化和寬帶化、一體化和有源化、智能化和可感知是技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的重點(diǎn)，以及大規(guī)模陣列有源天線和毫米波天線將成為5G關(guān)鍵技術(shù)等結(jié)論。最后指出了中國(guó)天線在全球化戰(zhàn)略進(jìn)程中所面臨的諸多挑戰(zhàn)，并為中國(guó)天線產(chǎn)業(yè)的升級(jí)提出了相關(guān)建議。

【關(guān)鍵詞】天線 中國(guó)創(chuàng)造 小型化天線 AISG標(biāo)準(zhǔn)電調(diào)天線 Massive MIMO

1 引言

2016年9月份，美國(guó)EJL Wireless Research LLC的“8th Edition： Global BTS Antenna Market Analysis and Forecast， 2016-2020”報(bào)告[1]顯示：2015年全球移動(dòng)通信基站天線采購(gòu)總量486萬(wàn)副，其中中國(guó)廠商發(fā)貨量309萬(wàn)副，超過(guò)了總量的60%。5個(gè)中國(guó)廠家躋身排名TOP10，標(biāo)志著中國(guó)成為移動(dòng)通信天線產(chǎn)出大國(guó)。其中，京信和華為可謂是全球移動(dòng)通信天線技術(shù)發(fā)展的雙引擎，京信天線2006年全球排名第六，2009年—2012年排名前三，2013年—2015年排名前二。華為天線2012年全球排名第六，2013年排名第四，2014年—2015年排名前二。

4G建設(shè)的高潮剛剛回落，5G發(fā)展的鐘聲已經(jīng)敲響。ITU-R 2015年WG會(huì)議確定了IMT-2020（5G）工作計(jì)劃，即2020年完成全球統(tǒng)一的5G標(biāo)準(zhǔn)制定。在萬(wàn)物互聯(lián)的5G時(shí)代，智慧城市、無(wú)人駕駛、無(wú)人工廠、遠(yuǎn)程手術(shù)等5G應(yīng)用的發(fā)展藍(lán)圖越發(fā)清晰。5G網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是速率100倍于4G達(dá)到10 Gbps、小于1 ms的低時(shí)延、支持1000億+的高密度連接和1000倍于4G的高容量。這一方面要求大規(guī)模陣列有源天線（簡(jiǎn)稱Massive MIMO天線）和一體化有源天線等天線系統(tǒng)服務(wù)于宏基站，另一方面無(wú)處不在的微站和皮站要求天線和基站設(shè)備高度融合。形形色色的有源天線在5G時(shí)代的應(yīng)用前景十分廣闊。

本文將從中國(guó)移動(dòng)通信天線產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程出發(fā)，結(jié)合近三年到五年的需求情況及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，探討中國(guó)移動(dòng)通信天線產(chǎn)業(yè)由中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)型所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2 中國(guó)移動(dòng)通信天線產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧

（1）2001年以前，國(guó)外廠家壟斷中國(guó)市場(chǎng)

2001年以前，我國(guó)移動(dòng)通信市場(chǎng)上的基站天線幾乎100%被跨國(guó)天線公司所壟斷，跨國(guó)公司因此賺取了高額的利潤(rùn)，國(guó)內(nèi)沒(méi)有機(jī)會(huì)形成自己的基站天線產(chǎn)業(yè)。截至2001年底，我國(guó)建設(shè)有20萬(wàn)個(gè)基站，按照早期基站天線采購(gòu)單價(jià)約2萬(wàn)～3萬(wàn)元估算，1995年—2001年間，我國(guó)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商僅在天線一項(xiàng)就花去了約150億元。

（2）2002年—2008年，天線開(kāi)始拆包到全國(guó)集中采購(gòu)，中國(guó)天線產(chǎn)業(yè)迅速成長(zhǎng)

2002年—2004年，部分運(yùn)營(yíng)商嘗試天線拆包采購(gòu)，國(guó)產(chǎn)天線因此開(kāi)始有了一點(diǎn)點(diǎn)市場(chǎng)，但采購(gòu)量不到10%。2005年，中國(guó)移動(dòng)率先拆包全國(guó)集中采購(gòu)，到2008年三大運(yùn)營(yíng)商均拆包集中采購(gòu)，國(guó)產(chǎn)天線占比此時(shí)達(dá)到了85%以上。但在此期間，國(guó)內(nèi)天線的低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)也愈演愈烈，多數(shù)情況下，價(jià)格成為競(jìng)爭(zhēng)的決定因素，國(guó)產(chǎn)天線質(zhì)量嚴(yán)重下降，只有少數(shù)廠家堅(jiān)持質(zhì)量底線，開(kāi)始邁入國(guó)際市場(chǎng)。

（3）2009年—2010年，中國(guó)天線質(zhì)量回歸，優(yōu)秀企業(yè)脫穎而出

2009年中國(guó)聯(lián)通的基站天線集采將可靠性和質(zhì)量性能作為一票否決項(xiàng)，按網(wǎng)絡(luò)KPI設(shè)置天線性能參數(shù)權(quán)重打分，并建立到貨抽檢制度。2010年中國(guó)移動(dòng)對(duì)在網(wǎng)天線展開(kāi)了“工兵行動(dòng)”（編者按：基于當(dāng)時(shí)“天饋系統(tǒng)問(wèn)題是影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶感知度的重要因素”的判斷，中國(guó)移動(dòng)于2011年在全國(guó)范圍內(nèi)啟動(dòng)天饋系統(tǒng)（天線）的專項(xiàng)排查和整治工作，內(nèi)部命名為“工兵行動(dòng)”），修訂了技術(shù)規(guī)范，制定了完備的到貨及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)規(guī)范，建立了質(zhì)量追責(zé)制度。隨著運(yùn)營(yíng)商對(duì)技術(shù)和質(zhì)量要求的提高，國(guó)產(chǎn)天線質(zhì)量迅速回歸。堅(jiān)持質(zhì)量底線的廠家擁有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力明顯增強(qiáng)，逐漸取得了同歐美廠家同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)。中國(guó)品牌天線的全球占有率不斷上升，優(yōu)秀的中國(guó)天線企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)脫穎而出。

（4）2011年—2015年，中國(guó)天線進(jìn)入高速發(fā)展期，成為全球移動(dòng)通信天線輸產(chǎn)出大國(guó)

2011年—2015年是中國(guó)天線技術(shù)和制造水平高速發(fā)展的階段。根據(jù)美國(guó)EJL移動(dòng)通信基站天線分析報(bào)告[1-5]顯示：2011年—2015年，中國(guó)有4～5家天線廠家進(jìn)入全球TOP10行業(yè)，短短5年時(shí)間，中國(guó)主流天線品牌全球發(fā)貨總量占比由23.4%增長(zhǎng)至63.7%，復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)22%。2011年—2015年基站天線全球發(fā)貨數(shù)量及占比如圖1所示。

總體來(lái)看，經(jīng)過(guò)十多年的努力，中國(guó)天線廠家由簡(jiǎn)單模仿到消化吸收再到自主創(chuàng)新，在全球移動(dòng)通信天線行業(yè)取得了喜人的成績(jī)。截至2016年底，中國(guó)在網(wǎng)基站天線超過(guò)1700萬(wàn)副，保守估計(jì)，10年來(lái)國(guó)產(chǎn)天線累積為我國(guó)運(yùn)營(yíng)商節(jié)省了超過(guò)1000億的采購(gòu)成本，同時(shí)也創(chuàng)造了幾百億的外匯收入。

3 近三五年全球移動(dòng)通信天線的需求規(guī)模及技術(shù)發(fā)展方向

通過(guò)對(duì)全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的深入調(diào)研和分析得出：2015年是全球4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)最高峰，2017年起全球移動(dòng)通信天線市場(chǎng)將進(jìn)入轉(zhuǎn)折期，需求量開(kāi)始下降，2019年將回落至2013年時(shí)的水平。但NB-IoT的規(guī)模建設(shè)會(huì)帶來(lái)額外的需求，從而減緩全球移動(dòng)通信天線市場(chǎng)的下降趨勢(shì)。2013年—2019年全球基站天線市場(chǎng)規(guī)模統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)如圖2所示。

為了遵循全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)高速率、高容量、低成本、低時(shí)延、按需覆蓋、節(jié)能減排的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)三到五年，移動(dòng)通信天線的發(fā)展將呈現(xiàn)3個(gè)特點(diǎn)：小型化和寬帶化，一體化和有源化，智能化和可感知。

（1）小型化寬頻帶多系統(tǒng)共用電調(diào)天線成為4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的絕對(duì)主流

◆技術(shù)背景——國(guó)際天線巨頭聯(lián)手專利封鎖，市場(chǎng)拓展受阻

近年我國(guó)移動(dòng)通信基站天線技術(shù)蓬勃發(fā)展，并逐步走向國(guó)際市場(chǎng)。比如2005年—2007年，京信天線國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占比超過(guò)40%，并先后通過(guò)了當(dāng)時(shí)全球第一大電信運(yùn)營(yíng)商Vodafone和第三大電信運(yùn)營(yíng)商Telefonica的供應(yīng)商資格認(rèn)證，以及華為、中興和愛(ài)立信三大主設(shè)備商的資格認(rèn)證。行業(yè)兩大巨頭德國(guó)Kathrein和美國(guó)Andrew開(kāi)始對(duì)以京信為代表的中國(guó)企業(yè)實(shí)施專利圍堵。Kathrein稱京信天線在輻射單元、移相器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方面侵權(quán)。Andrew稱京信天線在控制系統(tǒng)和移相器方面侵權(quán)，分別在中國(guó)和巴西提起了專利訴訟。

中國(guó)天線只有通過(guò)持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)獲得具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，才能走出國(guó)門。

◆社會(huì)背景——減少天線的體積和數(shù)量是電信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享國(guó)家戰(zhàn)略的基礎(chǔ)條件

2007年，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)遇到工程挑戰(zhàn)，因?yàn)樘炀€體積大，導(dǎo)致了基站安全等級(jí)下降、基站選址困難、2G和3G站址難以共享等問(wèn)題。另一方面，美國(guó)與中國(guó)國(guó)土面積相當(dāng)，但中國(guó)通信鐵塔數(shù)量是美國(guó)的5倍，重復(fù)投資相當(dāng)嚴(yán)重。由此，電信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享被列入了“十二五”和“十三五”國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。

只有發(fā)展小型化多系統(tǒng)共用天線，所需的天線數(shù)量才能大幅減少，鐵塔共享率才能顯著提升，共建共享國(guó)家戰(zhàn)略才能夠落地。

京信致力于“在天線性能指標(biāo)不下降前提下的小型化技術(shù)”方面的研究，在小型化寬頻帶多系統(tǒng)共用電調(diào)天線領(lǐng)域獲得了成功，先后有6個(gè)系列產(chǎn)品入選為國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品和戰(zhàn)略性創(chuàng)新產(chǎn)品。不僅打破了國(guó)際巨頭的專利封鎖，還首次實(shí)現(xiàn)了中國(guó)天線產(chǎn)品性能超越國(guó)外先進(jìn)廠家，成為新的行業(yè)標(biāo)桿。并在中國(guó)、歐盟和巴西無(wú)效了美國(guó)Andrew的多項(xiàng)核心技術(shù)專利，掃清了中國(guó)天線企業(yè)進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)的障礙，這個(gè)事件給中國(guó)本土天線產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了較大的國(guó)際影響力，由此，該事件還被評(píng)為了“2011年國(guó)家復(fù)審委十大案件”和“2014年廣州市知識(shí)產(chǎn)權(quán)十大案件”。

2013年底，京信在行業(yè)內(nèi)率先推出“同等性能指標(biāo)下，尺寸最小、質(zhì)量最小的新一代1710 MHz～2170 MHz小型化高品質(zhì)4G基站天線”。經(jīng)中國(guó)電子學(xué)會(huì)鑒定：“項(xiàng)目成果打破本行業(yè)國(guó)外的專利壁壘和技術(shù)壟斷，填補(bǔ)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外技術(shù)空白，得到了廣泛應(yīng)用?？傮w達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在基站天線的輻射單元、移相器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”。2015年底，京信再次推出新一代1710 MHz～2690 MHz超寬帶小型化高品質(zhì)4G天線。以上兩類小型化系列產(chǎn)品體積已降至常規(guī)設(shè)計(jì)的50%以下。

小型化寬頻帶多系統(tǒng)共用電調(diào)天線解決了多項(xiàng)工程難題，顯著改善了通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶感知，減少了網(wǎng)絡(luò)天線體積和數(shù)量，明顯提升了電信基礎(chǔ)設(shè)施共建共享水平，助力國(guó)家戰(zhàn)略落地。中國(guó)鐵塔公司的報(bào)告[6]顯示，近兩年來(lái)，81%的通信基礎(chǔ)設(shè)施新需求通過(guò)站址共享得到滿足，累計(jì)站址共享率由13.1%提升到30.8%，少建鐵塔45萬(wàn)座，節(jié)約土地超2萬(wàn)畝。預(yù)計(jì)至2020年新建站共享率將達(dá)87%。相對(duì)國(guó)際巨頭壟斷時(shí)期，天饋系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本下降至原來(lái)的十分之一，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（2）基站天線在小型化的基礎(chǔ)上向人性化、智能化和可感知方向發(fā)展

基站天線電調(diào)系統(tǒng)歷經(jīng)多年發(fā)展，時(shí)至今日，嵌入式電調(diào)系統(tǒng)已成為主流趨勢(shì)。基站天線電調(diào)系統(tǒng)配套天線可感知系統(tǒng)的使用，更符合客戶的主張和需求，貼近技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。觀其技術(shù)演變軌跡，基站天線將向人性化、智能化、小型化和可感知方向發(fā)展，如圖3所示。

1）多系統(tǒng)嵌入式電調(diào)天線以不可逆轉(zhuǎn)的方式成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)

基站天線發(fā)展歷經(jīng)了非電調(diào)天線、非標(biāo)準(zhǔn)電調(diào)天線、AISG（Antenna Interface Standards Group，天線接口標(biāo)準(zhǔn)組織）標(biāo)準(zhǔn)電調(diào)天線幾個(gè)階段。非電調(diào)天線的機(jī)械下傾角調(diào)整方式效率低，方向圖會(huì)由鴨梨形變?yōu)榧忓N形，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果差、系統(tǒng)內(nèi)干擾增大；非標(biāo)準(zhǔn)式電調(diào)天線通過(guò)電子下傾角提高了調(diào)整的便捷性，方向圖形變小，但沒(méi)有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一網(wǎng)管，效率較低；AISG標(biāo)準(zhǔn)的制定使天線電調(diào)系統(tǒng)主從設(shè)備的接口趨于統(tǒng)一，推動(dòng)了電調(diào)天線統(tǒng)一網(wǎng)管的進(jìn)程，提高了系統(tǒng)效率。

AISG標(biāo)準(zhǔn)電調(diào)天線的電調(diào)單元?dú)v經(jīng)了外置式、內(nèi)置式、多系統(tǒng)嵌入式3個(gè)階段。RCU（Remote Control Unit，外置式電調(diào)單元）與天線相對(duì)獨(dú)立，便于裝卸和維護(hù)，但需安裝、配置、校準(zhǔn)等，工序繁瑣，容易出錯(cuò)；ICU（Internal Control Unit，內(nèi)置式電調(diào)單元）與天線是一體化設(shè)計(jì)，無(wú)需安裝、配置、校準(zhǔn)等，工序簡(jiǎn)單，但I(xiàn)CU不能拆卸，難于維護(hù)；多系統(tǒng)IRCU（Internal Remote Control Unit，嵌入式電調(diào)單元）與天線也是一體化設(shè)計(jì)，使用工序簡(jiǎn)單且可拆卸，同時(shí)具有便捷性和可維護(hù)性。

嵌入式電調(diào)天線系統(tǒng)面向客戶需求，解決了維護(hù)難、操作繁瑣兩大難題，成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，多系統(tǒng)嵌入式電調(diào)天線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

◆工程安裝便捷，施工人員只需要使用一條AISG電纜將多系統(tǒng)嵌入式電調(diào)天線與基站連接；

◆工程記錄簡(jiǎn)潔，施工人員只需要記錄多系統(tǒng)嵌入式電調(diào)天線所在的扇區(qū)；

◆網(wǎng)管操作簡(jiǎn)單，后臺(tái)網(wǎng)管只需將扇區(qū)信息匹配到基站，無(wú)需配置，無(wú)需校準(zhǔn)；

◆維護(hù)更換方便；

◆系統(tǒng)體積小，響應(yīng)多系統(tǒng)天線小型化的需要；

◆系統(tǒng)效率高、成本低，物美價(jià)廉。

然而目前仍有許多技術(shù)方面的問(wèn)題需要完善：發(fā)展小型化和一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)系統(tǒng)的嵌入式電調(diào)單元，有效節(jié)約日益緊缺的天線端蓋資源和內(nèi)部空間資源，從而響應(yīng)多系統(tǒng)共用電調(diào)天線小型化發(fā)展的需求；降低嵌入式電調(diào)單元對(duì)系統(tǒng)交調(diào)的干擾，適應(yīng)由于嵌入式電調(diào)單元與天線輻射單元、移相器、饋電網(wǎng)絡(luò)之間銜接緊密而導(dǎo)致相互間干擾變大的情況；提升嵌入式電調(diào)單元?jiǎng)幽芾寐?，有效?jié)約成本、空間、能源，順應(yīng)節(jié)能環(huán)保的社會(huì)主流。

2）可感知天線系統(tǒng)很可能是4G時(shí)代移動(dòng)通信天線最后一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)

一直以來(lái)，對(duì)在網(wǎng)天線的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理都是全球運(yùn)營(yíng)商所面臨的難題，特別是在站址分散、天線數(shù)量龐大、多個(gè)運(yùn)營(yíng)商多個(gè)系統(tǒng)共用桿塔或天線資源的今天，完全依賴人工不但會(huì)耗費(fèi)大量資源，而且網(wǎng)優(yōu)響應(yīng)速度慢、效率低，直接影響了運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的品牌形象。為此，京信通信通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新率先在2014年推出可感知天線解決方案，多次得到中央電視臺(tái)等媒體的關(guān)注和報(bào)道。

可感知天線系統(tǒng)的客戶需求有以下幾點(diǎn)：

◆自帶完整的身份信息，無(wú)需后期輸入，可直接通過(guò)統(tǒng)一網(wǎng)管進(jìn)行查閱；

◆自動(dòng)感知天線的工程參數(shù)，包含天線方位角、機(jī)械下傾角、海拔高度和經(jīng)緯度等，通過(guò)統(tǒng)一網(wǎng)管可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和告警；

◆存儲(chǔ)網(wǎng)優(yōu)的歷史調(diào)整記錄，方便后續(xù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)參考；

◆與天線一同進(jìn)行一體化、小型化設(shè)計(jì)，成本低，安裝和校準(zhǔn)簡(jiǎn)單便捷，能為客戶帶來(lái)高性價(jià)比和便捷性的雙重價(jià)值；

◆經(jīng)過(guò)進(jìn)一步技術(shù)研發(fā)后具備水平及垂直傾角二維遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)功能，方便運(yùn)營(yíng)商快速進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)優(yōu)調(diào)整和后臺(tái)數(shù)據(jù)智能管理，實(shí)現(xiàn)天線智能運(yùn)維。

按照上述要求，天線可感知系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)天線方位角、機(jī)械下傾角、海拔高度、經(jīng)緯度等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄。其中海拔高度、經(jīng)緯度可采用北斗衛(wèi)星或GPS進(jìn)行測(cè)量，海拔高度的測(cè)量精度一般是5 m～10 m，經(jīng)緯度的測(cè)量精度一般是5 m。機(jī)械下傾角可采用重力加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度約0.5?，可用于監(jiān)測(cè)天線姿態(tài)。天線方位角的測(cè)量比較復(fù)雜，幾種可能的實(shí)現(xiàn)方式分述如下：

◆雙GPS方案：可進(jìn)行絕對(duì)方位角的高精度測(cè)量，測(cè)量時(shí)間約2 min，實(shí)時(shí)性尚可。但當(dāng)兩個(gè)GPS接收機(jī)之間的距離縮小時(shí)，測(cè)量誤差快速增大，比如當(dāng)雙GPS設(shè)備長(zhǎng)度小于200 mm時(shí)，測(cè)量誤差大于5?，雖然可通過(guò)多次測(cè)量來(lái)提高精度，但實(shí)時(shí)性明顯變差。如果在射線方向存在遮擋，其測(cè)量精度會(huì)大大降低。此外，該方案的設(shè)備成本較高。

◆和差波束方案：可進(jìn)行絕對(duì)方位角的較高精度測(cè)量，設(shè)備成本比雙GPS低。缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性不滿足要求。如果要求設(shè)備小型化，差波束的斜率明顯下降，射線方向存在遮擋時(shí)測(cè)量精度同樣降低。

◆電子羅盤方案：因受工程現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜磁環(huán)境的影響，不能測(cè)量絕對(duì)方位角，但相對(duì)方位角的測(cè)量精度很高。大約需要10 s的測(cè)量時(shí)間，在3種方案中實(shí)時(shí)性最好；設(shè)備可以做到不超過(guò)雙頻天線的截面積，滿足一體化設(shè)計(jì)的小型化要求；成本也比較低。但有兩點(diǎn)缺點(diǎn)，其一是不能測(cè)量絕對(duì)方位角；其二，抗近距離磁環(huán)境的干擾能力差，在其設(shè)備100 mm范圍內(nèi)不能有磁性物質(zhì)。為解決絕對(duì)方位角的測(cè)量問(wèn)題，可以采用電子羅盤和重力加速度計(jì)作為可感知技術(shù)的基本方案與天線進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，再配合雙GPS工具做一次性校準(zhǔn)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

因此天線方位角測(cè)量的綜合方案為：通過(guò)雙GPS工具測(cè)量絕對(duì)方位角，對(duì)海拔高度、經(jīng)緯度進(jìn)行工程測(cè)量和記錄。通過(guò)電子羅盤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天線相對(duì)方位角，配合雙GPS工具測(cè)量的方向角絕對(duì)值進(jìn)行校準(zhǔn)，即可得到實(shí)時(shí)的絕對(duì)方位角。通過(guò)重力加速度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)天線的機(jī)械下傾角，從而完成天線工程參數(shù)的自感知任務(wù)。目前，該可感知天線技術(shù)方案已在國(guó)內(nèi)12個(gè)省份完成試點(diǎn)，有效節(jié)省了網(wǎng)優(yōu)人工成本，提升了優(yōu)化效率，實(shí)現(xiàn)了天線信息的智能管理及維護(hù)。上述3種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，均不能完全滿足預(yù)設(shè)的客戶需求，還需要天線廠家通過(guò)對(duì)可感知技術(shù)進(jìn)行不斷研究，從而找到性價(jià)比更高、更快捷的測(cè)量方案。目前，有關(guān)該可感知技術(shù)的提案已被國(guó)際AISG組織采納，將成為AISG3.0標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容之一?？梢灶A(yù)見(jiàn)，可感知天線系統(tǒng)將成為后4G時(shí)代移動(dòng)通信天線的技術(shù)熱點(diǎn)。

（3）Massive MIMO天線是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一

在介紹Massive MIMO天線之前，先分析一下5G網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用場(chǎng)景及關(guān)鍵技術(shù)[7-9]。5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可歸為連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠4個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)景。

連續(xù)廣域覆蓋和熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景主要滿足2020年及未來(lái)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，也是傳統(tǒng)的4G主要應(yīng)用場(chǎng)景。低功耗大連接和低時(shí)延高可靠場(chǎng)景主要面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，是5G新拓展的應(yīng)用場(chǎng)景，重點(diǎn)用于改善傳統(tǒng)移動(dòng)通信無(wú)法很好支持物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用的情況。5G主要場(chǎng)景與關(guān)鍵性能挑戰(zhàn)如表1所示：

在連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景，受限于站址和頻譜資源，為了滿足100 Mbps用戶體驗(yàn)速率的需求，除了需要盡可能多的低頻段資源外，還要大幅提升系統(tǒng)頻譜效率。Massive MIMO天線是其中最主要的關(guān)鍵技術(shù)之一，新型多址技術(shù)可與Massive MIMO天線相結(jié)合，進(jìn)一步提升系統(tǒng)頻譜效率和多用戶接入能力。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，綜合多種無(wú)線接入能力以及集中的網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同與QoS控制技術(shù)，可為用戶提供穩(wěn)定的體驗(yàn)速率。

在熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景，極高的用戶體驗(yàn)速率和極高的流量密度是該場(chǎng)景面臨的主要挑戰(zhàn)。超密集組網(wǎng)能夠更有效地復(fù)用頻率資源，極大提升單位面積內(nèi)的頻率復(fù)用效率。全頻譜接入能夠充分利用低頻和高頻的頻率資源，實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。Massive MIMO天線、新型多址等技術(shù)與前兩種技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)頻譜效率的進(jìn)一步提升。

低功耗大連接場(chǎng)景和低時(shí)延高可靠場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù)與Massive MIMO天線關(guān)系不大，此處省略不提。

根據(jù)通信原理：“在頻譜利用率不變的情況下，載波帶寬翻倍則數(shù)據(jù)傳輸速率也翻倍”，“無(wú)線通信的最大信號(hào)帶寬大約是載波頻率的5%”。因此載波頻率越高，可實(shí)現(xiàn)的信號(hào)帶寬也越大，數(shù)據(jù)傳輸速率就越高。比如毫米波28 GHz頻段的可用頻譜帶寬可達(dá)1 GHz；而60 GHz頻段每個(gè)信道的可用信號(hào)帶寬可達(dá)2 GHz。然而，毫米波頻段在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱，信號(hào)不能穿墻。在戶外開(kāi)闊地帶仍需要使用較傳統(tǒng)的6 GHz以下頻段以保證信號(hào)覆蓋率，而在室內(nèi)則使用微基站加上毫米波技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。事實(shí)上，毫米波在空氣中傳輸衰減大這個(gè)特點(diǎn)也可以被利用，比如由于迅速衰減，毫米波信號(hào)對(duì)其他手機(jī)干擾比較小，所以毫米波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不用特別考慮如何處理干擾信號(hào)，只要終端之間不要靠得太近就可以了。毫米波的另一個(gè)特點(diǎn)就是天線的物理尺寸比較小，相對(duì)于6 GHz以下頻段，相同功能的天線面積能夠縮小至過(guò)去的幾十分之一乃至百分之一。因此可以方便地在室內(nèi)基站側(cè)配備毫米波Massive MIMO天線，在移動(dòng)設(shè)備上配備毫米波高階MIMO天線，從而進(jìn)一步改善通信質(zhì)量[9]。

Massive MIMO天線可根據(jù)用戶的特點(diǎn)自適應(yīng)切換其功能，當(dāng)用戶需要高速率時(shí)，天線就切換復(fù)用功能；當(dāng)用戶需要高容量或用戶與基站的距離遠(yuǎn)時(shí)，天線切換波束成形（Beamforming）功能；當(dāng)用戶對(duì)數(shù)傳質(zhì)量要求高時(shí)，天線就切換分集功能等，這些功能也是可以組合的。總之，Massive MIMO天線可以在現(xiàn)有資源下，即不增加頻譜資源，也不增加發(fā)射天線功率，自適應(yīng)地通過(guò)多發(fā)多收技術(shù)和波束成形技術(shù)，充分利用空間資源，成倍提高系統(tǒng)信道容量和改善通信質(zhì)量。當(dāng)然，毫米波在空氣中衰減非常大這一特點(diǎn)也注定了毫米波技術(shù)不太適合被使用在室外手機(jī)終端和基站距離很遠(yuǎn)的場(chǎng)合。各大廠商對(duì)5G頻譜使用的規(guī)劃是在戶外開(kāi)闊地帶使用較傳統(tǒng)的6 GHz以下頻段以保證信號(hào)覆蓋率，而在室內(nèi)則使用微型基站加上毫米波技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸。因此，毫米波必配合微型基站（或接入點(diǎn)）的使用示意圖如圖5所示：

用于宏基站的Massive MIMO天線采用大規(guī)模組陣技術(shù)，通常使用超過(guò)64個(gè)端口的天線陣列，并與射頻收發(fā)模塊直接相連，在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，可以使用全陣單元或局部個(gè)別單元進(jìn)行波束合成，實(shí)現(xiàn)高自由度的3D波束[11]。使用局部陣列的Massive MIMO天線及其掃描波束如圖6所示：

綜上所述，一方面6 GHz以下頻段的Massive MIMO天線服務(wù)于5G宏基站，用于連續(xù)廣覆蓋場(chǎng)景，以保證用戶的移動(dòng)性和業(yè)務(wù)連續(xù)性為目標(biāo)，為用戶提供無(wú)縫的高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)。另一方面毫米波頻段Massive MIMO天線服務(wù)于微基站，用于5G熱點(diǎn)高容量區(qū)域，為用戶提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足網(wǎng)絡(luò)極高的流量密度需求。

4 中國(guó)移動(dòng)通信天線產(chǎn)業(yè)全球化戰(zhàn)略的

挑戰(zhàn)

要實(shí)現(xiàn)中國(guó)移動(dòng)通信天線產(chǎn)業(yè)走出國(guó)門，走向國(guó)際市場(chǎng)的全球化戰(zhàn)略，中國(guó)天線廠家面臨很多挑戰(zhàn)，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）缺乏布局全球化專利的策略

中國(guó)天線產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)間短，在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)積累方面遠(yuǎn)落后于歐美，發(fā)明專利占比小，國(guó)外專利數(shù)量更少，缺少全球范圍內(nèi)的有效布局，已在不同程度影響到了中國(guó)天線全球化市場(chǎng)的擴(kuò)張進(jìn)程。

（2）產(chǎn)品質(zhì)量形象仍需持續(xù)提升

中國(guó)部分天線廠家質(zhì)量保障意識(shí)不足，仍寄希望于通過(guò)低價(jià)贏得市場(chǎng)。只有少數(shù)大廠家實(shí)現(xiàn)了較高水平的自動(dòng)化生產(chǎn)，多數(shù)天線廠家采用勞動(dòng)密集型生產(chǎn)方式，很難保證批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性，影響了中國(guó)天線廠家在全球市場(chǎng)的整體質(zhì)量形象。

（3）技術(shù)創(chuàng)新度不夠，多數(shù)廠家仍是追隨者

中國(guó)多數(shù)天線廠家只著眼于當(dāng)前的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)達(dá)成，對(duì)新技術(shù)新產(chǎn)品的布局和開(kāi)發(fā)重視程度不夠，研發(fā)資源投入少，導(dǎo)致中國(guó)天線在新技術(shù)新產(chǎn)品方面落后于國(guó)外廠家，缺少技術(shù)話語(yǔ)權(quán)，制約了中國(guó)天線產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

（4）品牌認(rèn)同度不高

當(dāng)前中國(guó)天線在全球市場(chǎng)雖獲得了較高的市場(chǎng)占比，但在銷售收入和盈利能力方面與國(guó)外天線廠家仍有較大差距。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了中國(guó)移動(dòng)通信天線產(chǎn)業(yè)的歷史和現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)應(yīng)用需求的深層剖析以及對(duì)技術(shù)發(fā)展的研究，探討并預(yù)測(cè)了天線技術(shù)的演進(jìn)方向，指出小型化和寬帶化、一體化和有源化、智能化和可感知是技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的重點(diǎn)，大規(guī)模陣列有源天線和毫米波天線技術(shù)將成為5G的關(guān)鍵技術(shù)。

我國(guó)已成為移動(dòng)通信天線產(chǎn)出大國(guó)，未來(lái)，國(guó)內(nèi)的天線廠家需要加大研發(fā)投入，在移動(dòng)通信天線的相關(guān)技術(shù)發(fā)展方向持續(xù)創(chuàng)新，提升專利數(shù)量和質(zhì)量，占領(lǐng)技術(shù)高地，成為行業(yè)技術(shù)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的領(lǐng)導(dǎo)者。政府和產(chǎn)業(yè)需要對(duì)天線品牌和天線質(zhì)量的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)予以合理引導(dǎo)，其中包括天線標(biāo)準(zhǔn)、天線測(cè)量、天線制造和天線招標(biāo)的價(jià)值取向等。實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信天線由中國(guó)制造到中國(guó)創(chuàng)造和中國(guó)品牌的飛躍，使中國(guó)早日成為移動(dòng)通信天線強(qiáng)國(guó)。

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