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节选自《关于中国移动通信天线产业由中国制造到中国创造的探讨》 卜斌龙：现任京信通信系统（中国）有限公司高级副总裁兼天馈业务线首席科学家 刘培涛：现任京信通信系统（中国）有限公司天馈事业部副总经理兼天线研发中心主任 赖展军：现任京信通信系统（中国）有限公司天线研发中心资深电气专家 马泽峰，赵娜：京信通信系统（中国）有限公司 通过对全球移动通信网络市场的深入调研和分析得出：2015年是全球4G网络建设最高峰，2017年起全球移动通信天线市场将进入转折期，需求量开始下降，2019年将回落至2013年时的水平。但NB-IoT的规模建设会带来额外的需求，从而减缓全球移动通信天线市场的下降趋势。2013年--2019年全球基站天线市场规模统计及预测如图1所示。 图1 2013年--2019年全球基站天线市场规模统计及预测 为了遵循全球移动通信网络高速率、高容量、低成本、低时延、按需覆盖、节能减排的发展趋势，未来三到五年，移动通信天线的发展将呈现3个特点：小型化和宽带化，一体化和有源化，智能化和可感知。 1、小型化宽频带多系统共用电调天线成为4G网络建设的绝对主流 （1）技术背景——国际天线巨头联手专利封锁，市场拓展受阻 近年我国移动通信基站天线技术蓬勃发展，并逐步走向国际市场。比如2005年—2007年，京信天线国内市场占比超过40%，并先后通过了当时全球第一大电信运营商Vodafone和第三大电信运营商Telefonica的供应商资格认证，以及华为、中兴和爱立信三大主设备商的资格认证。行业两大巨头德国Kathrein和美国Andrew开始对以京信为代表的中国企业实施专利围堵。Kathrein称京信天线在辐射单元、移相器和传动机构方面侵权。Andrew称京信天线在控制系统和移相器方面侵权，分别在中国和巴西提起了专利诉讼。 中国天线只有通过持续技术创新来获得具有国际竞争力的自主知识产权，才能走出国门。 （2）社会背景——减少天线的体积和数量是电信基础设施共建共享国家战略的基础条件 2007年，拥有自主知识产权的TD-SCDMA网络建设遇到工程挑战，因为天线体积大，导致了基站安全等级下降、基站选址困难、2G和3G站址难以共享等问题。另一方面，美国与中国国土面积相当，但中国通信铁塔数量是美国的5倍，重复投资相当严重。由此，电信基础设施共建共享被列入了“十二五”和“十三五”国家发展战略。 只有发展小型化多系统共用天线，所需的天线数量才能大幅减少，铁塔共享率才能显著提升，共建共享国家战略才能够落地。 京信致力于“在天线性能指标不下降前提下的小型化技术”方面的研究，在小型化宽频带多系统共用电调天线领域获得了成功，先后有6个系列产品入选为国家重点新产品和战略性创新产品。不仅打破了国际巨头的专利封锁，还首次实现了中国天线产品性能超越国外先进厂家，成为新的行业标杆。并在中国、欧盟和巴西无效了美国Andrew的多项核心技术专利，扫清了中国天线企业进军国际市场的障碍，这个事件给中国本土天线产业带来了较大的国际影响力，由此，该事件还被评为了“2011年国家复审委十大案件”和“2014年广州市知识产权十大案件”。 2013年底，京信在行业内率先推出“同等性能指标下，尺寸最小、质量最小的新一代1710 MHz～2170 MHz小型化高品质4G基站天线”。经中国电子学会鉴定：“项目成果打破本行业国外的专利壁垒和技术垄断，填补了多项国内外技术空白，得到了广泛应用。总体达到国际先进水平，在基站天线的辐射单元、移相器和传动机构三方面达到国际领先水平”。2015年底，京信再次推出新一代1710 MHz～2690 MHz超宽带小型化高品质4G天线。以上两类小型化系列产品体积已降至常规设计的50%以下。 小型化宽频带多系统共用电调天线解决了多项工程难题，显著改善了通信网络质量和用户感知，减少了网络天线体积和数量，明显提升了电信基础设施共建共享水平，助力国家战略落地。中国铁塔公司的报告显示，近两年来，81%的通信基础设施新需求通过站址共享得到满足，累计站址共享率由13.1%提升到30.8%，少建铁塔45万座，节约土地超2万亩。预计至2020年新建站共享率将达87%。相对国际巨头垄断时期，天馈系统的建设和运营成本下降至原来的十分之一，社会和经济效益显著。 2、基站天线在小型化的基础上向人性化、智能化和可感知方向发展 基站天线电调系统历经多年发展，时至今日，嵌入式电调系统已成为主流趋势。基站天线电调系统配套天线可感知系统的使用，更符合客户的主张和需求，贴近技术发展趋势。观其技术演变轨迹，基站天线将向人性化、智能化、小型化和可感知方向发展，如图2所示。 图2 基站天线电调系统发展图示 （1）多系统嵌入式电调天线以不可逆转的方式成为行业发展的趋势 基站天线发展历经了非电调天线、非标准电调天线、AISG（Antenna Interface Standards Group，天线接口标准组织）标准电调天线几个阶段。非电调天线的机械下倾角调整方式效率低，方向图会由鸭梨形变为纺锤形，导致网络覆盖效果差、系统内干扰增大；非标准式电调天线通过电子下倾角提高了调整的便捷性，方向图形变小，但没有实现统一网管，效率较低；AISG标准的制定使天线电调系统主从设备的接口趋于统一，推动了电调天线统一网管的进程，提高了系统效率。 AISG标准电调天线的电调单元历经了外置式、内置式、多系统嵌入式3个阶段。RCU（Remote Control Unit，外置式电调单元）与天线相对独立，便于装卸和维护，但需安装、配置、校准等，工序繁琐，容易出错；ICU（Internal Control Unit，内置式电调单元）与天线是一体化设计，无需安装、配置、校准等，工序简单，但ICU不能拆卸，难于维护；多系统IRCU（Internal Remote Control Unit，嵌入式电调单元）与天线也是一体化设计，使用工序简单且可拆卸，同时具有便捷性和可维护性。 嵌入式电调天线系统面向客户需求，解决了维护难、操作繁琐两大难题，成为行业的发展趋势，多系统嵌入式电调天线系统的优势有以下几点： ①工程安装便捷，施工人员只需要使用一条AISG电缆将多系统嵌入式电调天线与基站连接； ②工程记录简洁，施工人员只需要记录多系统嵌入式电调天线所在的扇区； ③网管操作简单，后台网管只需将扇区信息匹配到基站，无需配置，无需校准； ④维护更换方便； ⑤系统体积小，响应多系统天线小型化的需要； ⑥系统效率高、成本低，物美价廉。 然而目前仍有许多技术方面的问题需要完善：发展小型化和一个电机驱动多个系统的嵌入式电调单元，有效节约日益紧缺的天线端盖资源和内部空间资源，从而响应多系统共用电调天线小型化发展的需求；降低嵌入式电调单元对系统交调的干扰，适应由于嵌入式电调单元与天线辐射单元、移相器、馈电网络之间衔接紧密而导致相互间干扰变大的情况；提升嵌入式电调单元动能利用率，有效节约成本、空间、能源，顺应节能环保的社会主流。 （2）可感知天线系统很可能是4G时代移动通信天线最后一个技术热点 一直以来，对在网天线的实时监控和有效管理都是全球运营商所面临的难题，特别是在站址分散、天线数量庞大、多个运营商多个系统共用杆塔或天线资源的今天，完全依赖人工不但会耗费大量资源，而且网优响应速度慢、效率低，直接影响了运营商网络的品牌形象。为此，京信通信通过技术创新率先在2014年推出可感知天线解决方案，多次得到中央电视台等媒体的关注和报道。 可感知天线系统的客户需求有以下几点： ①自带完整的身份信息，无需后期输入，可直接通过统一网管进行查阅； ②自动感知天线的工程参数，包含天线方位角、机械下倾角、海拔高度和经纬度等，通过统一网管可进行实时监控和告警； ③存储网优的历史调整记录，方便后续网络优化时参考； ④与天线一同进行一体化、小型化设计，成本低，安装和校准简单便捷，能为客户带来高性价比和便捷性的双重价值； ⑤经过进一步技术研发后具备水平及垂直倾角二维远程调节功能，方便运营商快速进行远程网优调整和后台数据智能管理，实现天线智能运维。 按照上述要求，天线可感知系统需要实现对天线方位角、机械下倾角、海拔高度、经纬度等参数的实时测量和记录。其中海拔高度、经纬度可采用北斗卫星或GPS进行测量，海拔高度的测量精度一般是5 m～10 m，经纬度的测量精度一般是5 m。机械下倾角可采用重力加速度计进行测量，测量精度约0.5度，可用于监测天线姿态。天线方位角的测量比较复杂，几种可能的实现方式分述如下： ①双GPS方案：可进行绝对方位角的高精度测量，测量时间约2 min，实时性尚可。但当两个GPS接收机之间的距离缩小时，测量误差快速增大，比如当双GPS设备长度小于200 mm时，测量误差大于5o，虽然可通过多次测量来提高精度，但实时性明显变差。如果在射线方向存在遮挡，其测量精度会大大降低。此外，该方案的设备成本较高。 ②和差波束方案：可进行绝对方位角的较高精度测量，设备成本比双GPS低。缺点是测量时间过长，实时性不满足要求。如果要求设备小型化，差波束的斜率明显下降，射线方向存在遮挡时测量精度同样降低。 ③电子罗盘方案：因受工程现场复杂磁环境的影响，不能测量绝对方位角，但相对方位角的测量精度很高。大约需要10 s的测量时间，在3种方案中实时性最好；设备可以做到不超过双频天线的截面积，满足一体化设计的小型化要求；成本也比较低。但有两点缺点，其一是不能测量绝对方位角；其二，抗近距离磁环境的干扰能力差，在其设备100 mm范围内不能有磁性物质。为解决绝对方位角的测量问题，可以采用电子罗盘和重力加速度计作为可感知技术的基本方案与天线进行一体化设计，再配合双GPS工具做一次性校准，具体实现过程如图3所示。 图3 可感知天线技术方案实现示意图 因此，天线方位角测量的综合方案为：通过双GPS工具测量绝对方位角，对海拔高度、经纬度进行工程测量和记录。通过电子罗盘实时监测天线相对方位角，配合双GPS工具测量的方向角绝对值进行校准，即可得到实时的绝对方位角。通过重力加速度计实时监测天线的机械下倾角，从而完成天线工程参数的自感知任务。5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到，本文作者进一步指出，目前，该可感知天线技术方案已在国内12个省份完成试点，有效节省了网优人工成本，提升了优化效率，实现了天线信息的智能管理及维护。上述3种方案各有优缺点，均不能完全满足预设的客户需求，还需要天线厂家通过对可感知技术进行不断研究，从而找到性价比更高、更快捷的测量方案。目前，有关该可感知技术的提案已被国际AISG组织采纳，将成为AISG3.0标准的内容之一。可以预见，可感知天线系统将成为后4G时代移动通信天线的技术热点。 3、Massive MIMO天线是5G的关键技术之一 在介绍Massive MIMO天线之前，先分析一下5G网络主要应用场景及关键技术。5G网络的应用可归为连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠4个主要应用场景。 连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求，也是传统的4G主要应用场景。低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的应用场景，重点用于改善传统移动通信无法很好支持物联网及垂直行业应用的情况。5G主要场景与关键性能挑战如表1所示： 表1 5G主要场景与关键性能挑战 在连续广域覆盖场景，受限于站址和频谱资源，为了满足100 Mbps用户体验速率的需求，除了需要尽可能多的低频段资源外，还要大幅提升系统频谱效率。Massive MIMO天线是其中最主要的关键技术之一，新型多址技术可与Massive MIMO天线相结合，进一步提升系统频谱效率和多用户接入能力。在网络架构方面，综合多种无线接入能力以及集中的网络资源协同与QoS控制技术，可为用户提供稳定的体验速率。 在热点高容量场景，极高的用户体验速率和极高的流量密度是该场景面临的主要挑战。超密集组网能够更有效地复用频率资源，极大提升单位面积内的频率复用效率。全频谱接入能够充分利用低频和高频的频率资源，实现更高的传输速率。Massive MIMO天线、新型多址等技术与前两种技术相结合，可实现频谱效率的进一步提升。 低功耗大连接场景和低时延高可靠场景的关键技术与Massive MIMO天线关系不大，此处省略不提。 根据通信原理：“在频谱利用率不变的情况下，载波带宽翻倍则数据传输速率也翻倍”，“无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%”。因此载波频率越高，可实现的信号带宽也越大，数据传输速率就越高。比如毫米波28 GHz频段的可用频谱带宽可达1 GHz；而60 GHz频段每个信道的可用信号带宽可达2 GHz。然而，毫米波频段在空气中衰减较大，且绕射能力较弱，信号不能穿墙。在户外开阔地带仍需要使用较传统的6 GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则使用微基站加上毫米波技术，可实现超高速数据传输。事实上，毫米波在空气中传输衰减大这个特点也可以被利用，比如由于迅速衰减，毫米波信号对其他手机干扰比较小，所以毫米波系统的设计不用特别考虑如何处理干扰信号，只要终端之间不要靠得太近就可以了。毫米波的另一个特点就是天线的物理尺寸比较小，相对于6 GHz以下频段，相同功能的天线面积能够缩小至过去的几十分之一乃至百分之一。因此可以方便地在室内基站侧配备毫米波Massive MIMO天线，在移动设备上配备毫米波高阶MIMO天线，从而进一步改善通信质量。 Massive MIMO天线可根据用户的特点自适应切换其功能，当用户需要高速率时，天线就切换复用功能；当用户需要高容量或用户与基站的距离远时，天线切换波束成形（Beamforming）功能；当用户对数传质量要求高时，天线就切换分集功能等，这些功能也是可以组合的。总之，Massive MIMO天线可以在现有资源下，即不增加频谱资源，也不增加发射天线功率，自适应地通过多发多收技术和波束成形技术，充分利用空间资源，成倍提高系统信道容量和改善通信质量。当然，毫米波在空气中衰减非常大这一特点也注定了毫米波技术不太适合被使用在室外手机终端和基站距离很远的场合。5G微信公众平台（ID：angmobile）了解到，本文作者进一步指出，各大厂商对5G频谱使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的6 GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输。因此，毫米波必配合微型基站（或接入点）的使用示意图如图4所示： 图4 毫米波必配合微型基站（或接入点）使用示意图 用于宏基站的Massive MIMO天线采用大规模组阵技术，通常使用超过64个端口的天线阵列，并与射频收发模块直接相连，在系统应用时，可以使用全阵单元或局部个别单元进行波束合成，实现高自由度的3D波束。使用局部阵列的Massive MIMO天线及其扫描波束如图5所示： 图5 使用局部阵列的Massive MIMO天线及其扫描波束 综上所述，一方面6 GHz以下频段的Massive MIMO天线服务于5G宏基站，用于连续广覆盖场景，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。另一方面毫米波频段Massive MIMO天线服务于微基站，用于5G热点高容量区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。 4、中国移动通信天线产业全球化战略的挑战 要实现中国移动通信天线产业走出国门，走向国际市场的全球化战略，中国天线厂家面临很多挑战，主要有以下几个方面： （1）缺乏布局全球化专利的策略 中国天线产业发展时间短，在自主知识产权积累方面远落后于欧美，发明专利占比小，国外专利数量更少，缺少全球范围内的有效布局，已在不同程度影响到了中国天线全球化市场的扩张进程。 （2）产品质量形象仍需持续提升 中国部分天线厂家质量保障意识不足，仍寄希望于通过低价赢得市场。只有少数大厂家实现了较高水平的自动化生产，多数天线厂家采用劳动密集型生产方式，很难保证批量生产的产品质量的长期稳定性和可靠性，影响了中国天线厂家在全球市场的整体质量形象。 （3）技术创新度不够，多数厂家仍是追随者 中国多数天线厂家只着眼于当前的产品技术指标达成，对新技术新产品的布局和开发重视程度不够，研发资源投入少，导致中国天线在新技术新产品方面落后于国外厂家，缺少技术话语权，制约了中国天线产业的可持续发展。 （4）品牌认同度不高 当前中国天线在全球市场虽获得了较高的市场占比，但在销售收入和盈利能力方面与国外天线厂家仍有较大差距。 5、结束语 本文综述了中国移动通信天线产业的历史和现状，通过对应用需求的深层剖析以及对技术发展的研究，探讨并预测了天线技术的演进方向，指出小型化和宽带化、一体化和有源化、智能化和可感知是技术发展和产业应用的重点，大规模阵列有源天线和毫米波天线技术将成为5G的关键技术。 我国已成为移动通信天线产出大国，未来，国内的天线厂家需要加大研发投入，在移动通信天线的相关技术发展方向持续创新，提升专利数量和质量，占领技术高地，成为行业技术和国际标准的领导者。政府和产业需要对天线品牌和天线质量的各个关键环节予以合理引导，其中包括天线标准、天线测量、天线制造和天线招标的价值取向等。实现移动通信天线由中国制造到中国创造和中国品牌的飞跃，使中国早日成为移动通信天线强国。 |
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