杨 涛，谢伟良，朱雪田

(中国电信股份有限公司技术创新中心 北京 100031)

1 引言

移动通信系统中的有源天线是将基站的射频部分集成到天线内部，采用多通道的射频和天线阵子配合，实现空间波束赋形，完成射频信号的收发。每个有源单元除了作为辐射/接收单元，辐射/接收电磁信号之外，还作为电路的一部分，具有谐振、滤波、功率放大等作用[1]。

当前，3G/4G移动通信系统越来越多地引入了多天线技术，复杂的多天线系统将会给运营商的工程建设带来巨大挑战，有源天线技术顺应射频部件更贴近天线的发展趋势，使运营商有机会通过减少站点租赁、维护和能源成本来降低运营支出，同时进一步提高网络性能和部署灵活性，有望成为3G/4G网络建设的利器[2]，因此有必要对有源天线在移动通信系统中的应用进行研究。

2 有源天线的原理与组成结构

在有源天线结构中，每一个天线阵子的背后直接连接分布式的微型收发单元（micro-radio），包括数模/模数转换器、放大器（PA）、低噪放（LNA）和双工器（duplexer），所有的微型收发单元由数字信号处理模块 (digital signal processing，DSP)控制，实现同步功能和数字波束赋形功能，Optical(common public radio interface，CPRI)接口用于连接基带处理单元(base band unit，BBU)，实现I/Q数据的远程传送。图1是一个典型的支持2×2 MIMO（2收2发）的有源阵列天线结构图[2]。有源天线内部的射频部件与传统的射频拉远模块(remote radio unit，RRU)相比，主要的区别在于使用了大量的分布式、小型化、高集成度、低功耗的RoC（radio on chip）、双工器和小功放。这种结构的有源天线能够进一步减少馈线连接的功率损耗，可使系统具有更高的信噪比、更好的阻抗匹配以及更宽的频带。典型有源天线结构如图1所示。

3 有源天线的技术优势

通常有源阵列天线是由多个分布式收发单元和辐射模块组成，每个辐射模块的频率、幅度、相位可控，能形成单个或多个波束，并可控制波束指向及波束重构，以实现大角度范围内的灵活扫描[1]。与传统的无源天线系统相比，有源天线系统具有诸多技术优势。

图1 典型有源天线结构

3.1 集成度高，天面要求低，便于快速安装

图2是基站架构演进趋势图[3]，从中可以看出，与当前使用RRH(remote radio head)的分布式基站相比，有源天线基站将射频单元集成于天线内部，节省了RRH的安装空间，大大降低了对天面资源的要求，高度集成产品更容易安装和替换，节省工程时间和人力成本。同时，射频单元内置于天线内部，实现零馈线、零损耗，节省馈线的投资以及馈线损耗对性能的影响，提升机顶输出功率和接收机的灵敏度，对网络覆盖性能的改善大有益处。

图2 射频集成趋势

3.2 具有一定的自我修复（self-healing）能力

有源天线使用分布式多通路设计结构，具有冗余备份功能，某些阵子的失效不会导致整个扇区失去服务功能，当系统检测到某些阵子损坏后，会通过调整剩余阵子的幅度和相位来补偿增益损失，从而实现自动补偿功能，大大提高了系统的可靠性。自我修复能力如图3所示[3]，当某个阵子失效后，如果不作补偿，天线方向图与之前相比有一定的偏离和增益损失，经过补偿之后，天线方向图有明显改善，当然，系统的有效全向辐射功率 (effective isotropic radiated power，EIRP)和接收信号水平有一定的损失，是不能完全补偿的。

3.3 灵活多样的电子下倾技术使系统覆盖和容量有明显提升

由于有源天线每个阵子都有独立的收发单元，能够实现对信号幅度和相位的单独控制，具有灵活多样的电子下倾功能，如图4所示[3]，不同的载波采用不同的下倾角、上下行独立下倾角、垂直多扇区等，仿真结果表明，这些技术便于实现更加精细的网络优化，使系统覆盖和容量有明显提升。

图5是LTE上下行的下倾角与系统容量关系的仿真结果，从图5中可以看出，上行容量最优时的下倾角与下行容量最优时的下倾角是不相同的，例如站间距ISD=500 m时，下行容量最优时的下倾角为14°，上行容量最优时的下倾角为13°，如果考虑下倾角为14°的情况，与相同上下行倾角（DL Tilt=14°，UL Tilt=14°）相比，不同上下行倾角（DL Tilt=14°，UL Tilt=13°）的系统上行容量增益为 8.88%。站间距ISD=1732 m时，如果考虑系统下行容量最优时的下倾角 6°，与相同上下行倾角（DL Tilt=6°，UL Tilt=6°）相比，不同上下行倾角（DL Tilt=6°，UL Tilt=3°）的系统上行容量增益为22.09%。

图3 自我修复能力示意

图4 电子下倾角应用

图5 LTE上下行独立下倾角系统容量仿真

图6是站间距ISD=500 m时的LTE垂直多扇区系统容量仿真结果，从图6中可以看出，垂直多扇区化后，可用资源增倍，使得系统吞吐量有较大的提升，下行容量和上行容量增益分别为32.5%和64.2%。

3.4 节能环保

有源天线将射频紧密集成到天线中，没有了馈线的损耗，在保证相同输出功率的情况下，功耗更小，基站的射频部分置于塔上自然散热，可以大大减少机房内空调的使用，有效降低了移动网络的能耗，同时有源天线简洁好看，视觉效果佳，起到了节能环保的作用。

图6 LTE垂直多扇区系统容量仿真

3.5 2G/3G/4G多制式集成

有源天线与传统的无源天线相比，频带更宽，能够支持更多的频段，为2G/3G/4G多制式无线网络的融合奠定了基础，与基于系统集成芯片（system on chip，SoC）的多制式BBU相连接，实现真正的多模基站。运营商通过使用基于有源天线的多模基站，将替代原有的大天线、多天线和大面积机房，从而使得基站楼房的租赁费用降低，而且能耗也会大幅降低，同时运维方面，由多个分布式收发单元组成的系统，其中一个损坏后，不影响整体运作，只是损失几分之一的功能或功率，其本身具有容灾的能力，从而大幅降低运营成本。

4 有源天线广泛应用所面临的挑战

有源阵列天线是集现代相控阵理论、超大规模集成电路、现代数字信号处理技术、先进固态器件及光电技术为一体的高新技术产物[1]，虽然具有诸多技术优势，有着广泛的应用空间，但是也应该看到有源天线大规模应用所面临的挑战。

4.1 体积和重量问题

有源天线阵列是由许多收发单元和天线阵子组成的，在收发单元的背后要附加多个散热片以达到良好的散热性能，这种结构使得整机体积和重量较大，特别是当天线阵列增加时，如四天线（四收四发）或八天线（八收八发），收发单元、天线阵子和散热片的数量将成倍增加，整机体积和重量将难以接受，大大限制了有源天线的应用场景。因此，采取有效措施降低体积和尺寸是规模推广有源天线应用需要重点解决的问题。可能的措施有：采用新材料如蜂窝夹层、碳纤维结构、带金属表层的塑料等[4]；良好的散热设计；采用新工艺技术；采用更加小型化的功放和双工器；提高集成度[1]。

4.2 成本问题

有源天线中多路收发单元大量使用的数字处理芯片、复杂的设计工艺都给研发费用和制造费用带来成倍的增长，与传统的无源天线基站相比，居高不下的成本是运营商大规模部署有源天线基站的最大障碍。如何能够大大降低有源天线的价格是设备厂商必须考虑的问题。随着设计制造工艺的持续改进，大规模集成芯片价格降低，小型化功放和双工器产业链的不断成熟，相信将来有源天线的价格能降低到运营商可接受的程度。降低收发组件的成本是推广使用有源阵列天线的关键,具体可采用如下措施：提高组件中芯片及功能电路的成品率；提高集成度；提高组装密度；降低组装过程中的人工成本与生产成本[1]。

4.3 系统稳定性问题

虽然有源天线阵列在军事雷达上已经应用了很多年，而且被证明在系统稳定性上没有问题，但是在移动通信系统中的应用尚处于试验阶段，系统稳定性和优越性还需要进一步的测试验证。有源阵列天线的核心是收发组件,工程上对其提出了高性能、高可靠性和低成本等要求[1]。在性能方面,各收发组件除了要满足各种电气、结构指标外,还应有较好的频带内幅度、相位的稳定性和一致性,并具备一定的可监视性和可调整性；在可靠性方面,虽然采用了自动补偿技术后,个别收发组件的损坏对系统整体性能影响不大,但有源阵列对收发组件的可靠性仍有很高的要求,特别是在有源天线阵面的散热设计方面[1,5]。散热设计的重要性在于它可以降低天线阵面环境温度,降低组件中各功能电路内半导体芯片的工作温度,确保收发组 件 高 的 可 靠 性[1，5]。

4.4 功放效率问题

目前，基站中最广泛使用的功率放大器一般采用数字预失真 (digital pre-distortion，DPD)和 doherty相结合的结构，最大功率可达100 W，功放效率可达到40%～50%，功放线性化程度也比较高，该结构被业界证明是现阶段性能较优的功率放大器解决方案。然而，有源天线中使用的是低功率（一般只有几瓦）小型化的分布式功放，无法采用已经成熟的大功率功放的高效率高线性化的技术，整机的功放效率是值得关注的问题。使用多个低功率功放的总能耗与使用一个高功率功放的能耗相比，孰优孰劣，有待进一步的验证。有源天线使功放的发展转向低功率、宽频、高效率小器件方向，向功放厂商提出了新的挑战。

5 结束语

随着高度集成的数字芯片技术、数字信号处理技术、天线阵列技术、分布式功放技术和小型化宽频化双工器技术的逐渐成熟，有源天线的发展也越来越快。近期，世界上著名的几家通信设备厂商相继宣布推出有源天线解决方案，如阿尔卡特朗讯的lightRadio[6]、诺基亚西门子的Liquid Radio[7]、爱立信的 AIR(antenna-integrated radio)等[5]。相信经过多家厂商的共同推动，有源天线产品会越来越成熟，必将在移动通信系统中有着广阔的应用前景。

1 乐铁军，朱海冰，袁飞.有源阵列天线的发展及应用.电子信息对抗技术，2007,22(4):22～27

2 李增辰，贾建蕊.有源阵列阵天线系统的热设计.电子科技,2009,22(8):80～82

3 MIMO and smart antennas for 3G and 4G wireless systemspractical aspects and deployment considerations.3G Americas Whitepaper,May 2010

4 Active antenna arrays,small-footprint,scalable RF solutions for base stations.BellLabs Research Project,Alcatel-Lucent Innovation Days,December 2008

5 有源天线主导3G/4G网络建设.http://www.ccidcom.com/html/chanpinjishu/wuxiantongxin/201103/06-138530.html

6 阿朗推出lightRadio引领基站建设走向“隐”时代.http://www.c114.net/news/133/a582206.html

7 诺基亚西门子推出动态无线电 （liquid radio）.http://www.donews.com/tele/201103/402291.shtm