基于移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的通信基站天線發(fā)展影響研究

朱雨薇，張 敏，于鑒桐

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學院，湖南長沙 410015）

基于移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的通信基站天線發(fā)展影響研究

朱雨薇，張 敏，于鑒桐

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學院，湖南長沙 410015）

移動互聯(lián)網(wǎng)影響移動網(wǎng)絡(luò)以“語音”為中心到“數(shù)據(jù)”為中心的轉(zhuǎn)變，使通信產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化。文章從移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境對通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)的影響入手，結(jié)合目前研究現(xiàn)狀，深入分析未來移動網(wǎng)絡(luò)的天線發(fā)展方向及趨勢。

移動互聯(lián)網(wǎng)；OTT業(yè)務(wù)；數(shù)據(jù)流量；智能化；大規(guī)模化

近幾年，移動互聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展，導(dǎo)致通信產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)持續(xù)發(fā)生變化，傳統(tǒng)語音和短信業(yè)務(wù)收入也隨之下降。其主要原因是業(yè)務(wù)市場飽和以及來自新的市場進入者的競爭，尤其是OTT業(yè)務(wù)（Over The Top，基于開放互聯(lián)網(wǎng)的各種視頻及數(shù)據(jù)服務(wù)業(yè)務(wù)）對語音、短信業(yè)務(wù)的沖擊。此外，隨著更多智能終端的使用，可供用戶選擇的新業(yè)務(wù)、應(yīng)用數(shù)目增長，催生了數(shù)據(jù)流量消耗的增加。這要求未來的天線具有更高的頻帶利用率和頻譜效率。

1 移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境對通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)的影響

移動互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)絡(luò)的有機結(jié)合。在移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)上，用戶對業(yè)務(wù)的需求已從傳統(tǒng)業(yè)務(wù)逐步轉(zhuǎn)向移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。這也從側(cè)面反映出未來通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)將面臨著較大變革。

技術(shù)和應(yīng)用的不斷更新帶來了新的業(yè)務(wù)發(fā)展格局，使業(yè)務(wù)融合成為主流。運營商在保證用戶傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的前提下，使新興業(yè)務(wù)朝著信息化、商務(wù)化、行業(yè)化邁進。首先，多媒體技術(shù)的發(fā)展使得用戶對服務(wù)質(zhì)量有著新的要求。高清視頻、遠程會議等業(yè)務(wù)要求帶寬增加，這就使得傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)必須加強對移動性資源的調(diào)配及管理，并需要增加更多的基站設(shè)備。更重要的是，給運營商帶來較大沖擊的OTT業(yè)務(wù)正逐步向大眾展示它的優(yōu)勢。其中，沖擊最大的要數(shù)OTT語音業(yè)務(wù)。以微信為例：其支持發(fā)送文字、語音、圖片、視頻等功能，給了基礎(chǔ)運營商以較大的威脅。雖說微信的語音業(yè)務(wù)給運營商帶來了用戶數(shù)和數(shù)據(jù)流量，但其壓制了運營商對用戶的影響。某運營商現(xiàn)已全面開啟“全流量計費”，將語音、短消息折算成流量來計費（1M=1分鐘），因此數(shù)據(jù)流量消耗將大幅提升。當終端在無數(shù)據(jù)傳輸時運營商為騰出更多無線資源給空閑用戶，會在一定的周期內(nèi)釋放空閑終端的鏈接，使終端進入休眠狀態(tài)，而OTT業(yè)務(wù)本身需要不間斷的與網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳送以確保其永久在線，這是心跳機制[1]?；诖?，終端會為了檢測當前狀態(tài)不斷地嘗試網(wǎng)絡(luò)重建，占用無線與核心網(wǎng)資源。這就好比為了把每一個目的地不同的顧客送回家需要給每個人配一輛車，當用戶數(shù)量超出網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度承受能力就會產(chǎn)生擁塞，從而使服務(wù)質(zhì)量下降。所以，找到終端對網(wǎng)絡(luò)不間斷占用的影響與用戶的使用感受之間的平衡點尤為重要。最后，新業(yè)務(wù)的發(fā)展也不容忽視。物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等技術(shù)要求網(wǎng)絡(luò)更加多元化，對網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、帶寬、移動網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的對接等也都有著較高的要求。

2 未來移動網(wǎng)絡(luò)的天線發(fā)展方向及趨勢

根據(jù)以上分析可知，未來移動網(wǎng)絡(luò)對能效、傳輸速率、頻譜及無線資源利用率等方面的要求將會呈現(xiàn)出數(shù)量級增長。為此，設(shè)備必須秉承系統(tǒng)發(fā)展的原則：小型化、集成化、靈活性[2]。而作為基站的一部分，天線也將隨之發(fā)生變化，天線的性能好壞直接影響著基站的性能?；诖说奶炀€技術(shù)，隨之朝著大規(guī)?；?、有源化、智能化、小型化的方向發(fā)展。

2.1 大規(guī)模多天線技術(shù)

大規(guī)模多天線技術(shù)（Massive MIMO）是5G關(guān)鍵技術(shù)之一，它可以提升頻譜效率。在基站側(cè)增加大規(guī)模天線陣列，而用戶側(cè)依然使用較少的天線數(shù)（比如雙天線），利用空分多址技術(shù)，使得不同用戶的數(shù)據(jù)在同一時頻進行傳輸，如圖1所示。

圖1 大規(guī)模多天線技術(shù)示意圖

大規(guī)模天線陣列可利用波束成型技術(shù)，基站自行調(diào)節(jié)各個天線發(fā)射信號的相位，使其在移動臺側(cè)形成電磁波的疊加。目的是將波束聚集在很窄的范圍內(nèi)并根據(jù)用戶移動做相應(yīng)的調(diào)整，達到干擾抑制效果。當天線數(shù)量足夠大時，可滿足陣列增益并抑制噪聲干擾，從而提升小區(qū)總頻譜效率及邊緣用戶頻譜效率[3][4]。

而隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，對大規(guī)模多天線技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。例如大規(guī)模多天線技術(shù)要求將RRU甚至BBU集成到天線中，這就不僅只是單純的天線問題而是涉及到基帶和射頻的基站模塊體積的改變，加大了部署難度。并且大的天線數(shù)量形成的多通道使故障排除的難度也較大增加。

目前對大規(guī)模天線陣列的研究主要集中在信道建模、信道估計和傳輸技術(shù)方面。而運營商則更加關(guān)注高效率、實用性、靈活性、可擴展等方面。下圖2是某運營商提出的模塊化大規(guī)模天線思路。通過實驗表明，模塊化天線與傳統(tǒng)大規(guī)模陣列天線具有相同的峰值速率。它既減小了部署難度又減低了天線質(zhì)量，使檢測變得更加簡單。

圖2 某運營商提出的模塊化大規(guī)模天線示意圖

2.2 超寬帶（UWB）天線技術(shù)

由于通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，頻段、制式的多樣化讓站點資源、頻帶資源愈發(fā)稀缺，超寬帶天線具有結(jié)構(gòu)緊湊且能夠覆蓋大段頻帶的優(yōu)點，有效解決了這一問題。

在移動通信天線領(lǐng)域，對寬帶技術(shù)的研究主要集中在用對稱陣子組合成輻射單元。有兩種形式：一種是用4個半波對稱陣子背對組成“田”字形結(jié)構(gòu)，如圖3，這種形式主要應(yīng)用于低于1GHz的低頻段。另一種使用2個半波對稱陣子重疊，輻射臂可不變也可彎曲，如圖4，這種形式主要應(yīng)用于高于1GHz的高頻段。

圖3 低頻段輻射單元圖

圖4 高頻段輻射單元圖

高頻段輻射單元目前被應(yīng)用得比較廣泛，它的雛形是被Lodge提出并被后人逐漸完善。后續(xù)的研究主要通過修改輻射臂的形狀來改善性能。

利用輻射單元實現(xiàn)寬帶化的原理是使電壓駐波比達到一定要求。主要方法有2種：第一種是增加反射板，通過改變介質(zhì)類型、基板厚度和改善基板介電常數(shù)實現(xiàn)寬帶；第二種是延長電流回路，通過開槽、彎折、漸變等技術(shù)實現(xiàn)。

2.3 多頻天線技術(shù)

而多制式、多頻天線較超寬帶天線來說不僅可以解決頻譜資源多樣化、站點資源浪費的問題，還可以完成不同制式的獨立調(diào)節(jié)，降低系統(tǒng)間干擾。它是在超寬帶天線的基礎(chǔ)上增加合路分路技術(shù)以實現(xiàn)不同頻段信號的控制，保證不同制式小區(qū)的天線下傾角不一樣，使得調(diào)節(jié)更加獨立。

2.4 小型化天線

隨著站點資源、天面資源越來越緊張，從未來天線部署的角度出發(fā)，運營商希望天線朝著小型、集成、輕薄的方向發(fā)展。而用戶對天線美化、隱形、電磁輻射的要求也使得天線趨于小型化。研究表明，天線的小型化特別是HF、VHF和UHF天線的小型化已經(jīng)成為制約現(xiàn)代無線通信發(fā)展的頸瓶。雖然研究取得了很大的進展，但在這個領(lǐng)域還存在許多亟待解決的難題。圖5展示了J公司在2009至2016年間天線小型化的研究進展。顯然，天線截面尺寸隨著時間推移逐漸減小[5]。

圖5 J公司在2009至2016年間天線小型化的研究進展

因為天線的大小主要受制于其與波長的關(guān)系，所以要實現(xiàn)天線的小型化理論上很難實現(xiàn)。但是在實際應(yīng)用中經(jīng)過不斷嘗試，發(fā)現(xiàn)采用某種技術(shù)或材料可以對天線的小型化有所改善。例如：上文中介紹過的輻射單元通過開槽、彎折等延長電流回路；增加反射板；利用功分器、移相器等器件使饋電網(wǎng)絡(luò)面積縮小；利用新材料特性對波束賦形和增益的影響減小天線體積等。

其中，新材料人工磁導(dǎo)體（AMCArtificial Magnetic Conductor）已經(jīng)成為天線小型化方向的熱點之一。這種材料并不存在于自然界，它能夠在特定頻率實現(xiàn)零相位反射。人工磁導(dǎo)體（AMC）由金屬貼片周期性地排布在介質(zhì)板上構(gòu)成，如圖6所示。

圖6 人工磁導(dǎo)體（AMC）結(jié)構(gòu)圖

如果傳統(tǒng)天線用理想電導(dǎo)體（PEC）做反射材料，根據(jù)鏡像原理，反射場會產(chǎn)生180°相位差。這要求天線與反射面距離大于1/4λ，以減小入射波與反射波之間的干擾。顯然，這使得天線剖面變得非常厚，無法滿足低剖面天線的要求。而AMC的零相位反射改善了這一方面的性能，并且由于反射場與入射場疊加使天線增益提高3dB[6]。其次，AMC的高阻抗表面特性還能降低天線背瓣輻射，提高前后比。

傳統(tǒng)的方法只能小幅改善天線的體積，因此應(yīng)該把研究重點放在新技術(shù)與新材料的研究上，這樣才能在真正意義上實現(xiàn)天線的小型化。

2.5 有源天線技術(shù)

有源天線是基于分布式基站發(fā)展而來，它將射頻模塊與天線模塊集成在一起，共同架置于塔架。這樣做的優(yōu)點有：有源基站天線結(jié)合超寬頻技術(shù)，滿足移動網(wǎng)絡(luò)多頻段、多制式的現(xiàn)狀，節(jié)省站點租賃、運營成本；高度集成化便于安裝維護，節(jié)省后期成本；進一步縮短饋線距離，真正實現(xiàn)“零損耗”。同時利用靈活的波束賦型技術(shù)，實現(xiàn)下傾角根據(jù)不同用戶、不同小區(qū)而定[7]，從而提高系統(tǒng)吞吐量。

3 結(jié)束語

移動互聯(lián)網(wǎng)帶來的“數(shù)據(jù)風暴”，使得未來網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、無線資源利用率等因素必須快速增長才能滿足日益擴張的數(shù)據(jù)量。因此，大規(guī)模天線、多頻多制式、超寬帶、小型化、有源化等技術(shù)將成為未來天線發(fā)展的主要方向。大規(guī)模天線在增加系統(tǒng)容量，提高通信質(zhì)量方面有突出的表現(xiàn)，并且順應(yīng)了射頻部件更貼近天線的發(fā)展趨勢，使安裝與維護更加簡便，所以受到運營商歡迎。但是輻射單元小型化一直是它的技術(shù)瓶頸。多頻多制式天線不僅可以解決頻譜資源多樣化、站點資源浪費的問題，還可以完成不同制式的獨立調(diào)節(jié)，降低系統(tǒng)間干擾，但多頻天線組合的性能還需進一步優(yōu)化。有源技術(shù)與寬頻技術(shù)結(jié)合可滿足多頻多制式的要求。小型化是目前的研究熱點和重點。在工程中已經(jīng)有一些傳統(tǒng)解決辦法可以改善天線體積，但是想要大幅減小體積還需要借助新技術(shù)與新材料，例如人工磁導(dǎo)體。

綜上所述，基于移動互聯(lián)網(wǎng)的影響，未來天線的發(fā)展需要將多種技術(shù)結(jié)合起來，不能只關(guān)注某一種技術(shù)。而從目前組網(wǎng)需求來看，小型化與大規(guī)模陣列天線是研究的重點。

[1]葉陽.有關(guān)OTT業(yè)務(wù)的行為研究及測試[J].研究與開發(fā),2013(4):33-37.

[2]劉寧,袁宏偉.5G大規(guī)模天線系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].專題綜述,2015(4):182-185.

[3]Song L,Zhu H,Zhang Z.Non-Cooperative Feedback-Rate Control Game for Channel State Information in Wireless Networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2011(1):188-197.

[4]Ngo H Q,Larsson E G,Marzetta T L.Energy and Spectral EfficiencyofVeryLarge Multiuser MIMO Systems[J].IEEE Transactions on Communications,2013(4):1436-1449.

[5]姬五勝,張豐臣,劉培濤.移動通信基站天線的關(guān)鍵技術(shù)研究進展[J].電訊技術(shù),2017(1):111-117.

[6]朱雨薇.一種基于人工磁導(dǎo)體的低剖面螺旋天線研究[J].中國新通信,2015(24):159-160.

[7]陳麗萍.傳統(tǒng)基站到有源天線基站的演進[J].電訊技術(shù),綜述與評論,2015(8):942-946.

Research of mobile Internet impact on the development of base station antennas

ZHUYu-wei,ZHANGMin,YUJian-tong
（Hunan Post and Telecommunication College,Changsha,Hunan,China 410015）

The center of the mobile network which changes from"voice"to"data"is affected by the mobile Internet,resulting in a great change in the structure of communications industry.This paper analyzes the future development of antenna,beginning with the influence ofmobile Internet environment on communication technologyand network.

mobile Internet;OTT;data flow;intelligentialize;massive MIMO

10.3969/j.issn.2095-7661.2017.04.003】

TN929.5

A

2095-7661（2017）04-0007-03

2017-06-08

朱雨薇（1989-），女，山東德州人，湖南郵電職業(yè)技術(shù)學院講師，碩士，研究方向：移動通信、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化。