天線陣列結構對MIMO 技術發展的影響 | 帶你讀《大規模天線波束賦形 技術原理與設計 》之八

第1章

多天線及波束賦形技術發展概述

1.4 多天線及波束賦形技術的應用與發展趨勢

1.5 天線陣列結構對MIMO 技術發展的影響

天線子系統的設計方案對移動通信系統的構架、裝置的尺寸以及網絡部署都會帶來影響。對于 MIMO 技術而言，更要依賴于天線陣列所帶來的空間自由 度，才能展現其性能優勢。受限于傳統的基站天線構架，原有的 MIMO 傳輸方 案一般隻能在水準面實作對信号空間分布特性的控制，還沒有充分利用 3D 信 道中垂直次元的自由度，沒有更深層地挖掘出 MIMO 技術對于改善移動通信系 統整體效率與性能及終使用者體驗的潛能。随着天線設計構架的演進，有源天 線系統（AAS，Active Antenna System）技術的實用化發展已經對移動通信系 統的底層設計及網絡結構設計思路帶來巨大影響，将推動 MIMO 技術由傳統的 針對 2D 空間的優化設計向着更高次元的空間擴充。

基站對信号空間分布特性的調整是通過波束賦形或預編碼的手段實作的， 其調整過程大緻可分為兩個層面：第一個層面是對公共信道與公共實體信号的 扇區級調整，即根據網絡優化目标調整扇區的覆寫參數，如扇區寬度、指向、 下傾角等。此層面的操作又可稱為扇區級賦形，其賦形方式并不針對某個 UE 的小尺度信道進行優化，而且扇區賦形的調整是一個相對靜态的過程。第二個 層面的調整是針對每個 UE 所進行的 UE 級的動态賦形或預編碼，其目的在于 使針對每個 UE 的傳輸與其信道特性相比對。

對信号空間分布特性的調整能力與基站天線陣列結構密切相關。一般情況 下，LTE 實體層規範中定義的所謂天線端口（參考信号端口）的數量是小于等 于實體天線端口數的，是以實際上在虛拟天線端口和真實的實體天線端口之間 還存在着一個規範中沒有定義的透明映射子產品。盡管此子產品的存在不需要協定 規範定義，但是在實作過程中，公共信道/信号的扇區賦形及基于專用導頻的 UE 級賦型則與基站天線陣列結構有着密切關系。

在三維坐标系中，信号功率的空間分布可分解到水準面和垂直面兩個二維 空間。在現有的基站天線結構中，由于實體天線端口對應于一個水準方向上排 列的線性陣列，調整各實體天線端口的幅度及實體天線端口間的相對相位等效 于控制信号在水準次元的分布。是以無論對扇區賦形還是 UE 級動态賦形而言， 都可以通過天線映射子產品在基帶實作相關操作。但是對于每個天線端口内部所 對應的一列陣子而言，由于沒有相應的實體天線端口與之一一對應，是以無法 在基帶直接調整每個陣子的權重系數。因而在一定程度上限制了信号功率在垂 直次元分布調整的靈活度。

對于扇區賦形而言，尚可以通過對每個陣子所連接配接的射頻電纜的時延和衰 減的調節，在射頻實作對下傾角的控制，或者，通過機械方式調整基站天線面 闆的俯仰角。但是對于每個 UE 的業務傳輸而言，在垂直次元就無法實作針對 小尺度信道的動态優化了。按照目前的被動式基站天線結構，MIMO 傳輸方案 隻能在水準次元實作對傳輸過程的優化，還不能完全比對實際的三維信道，是以沒有能夠充分利用信号在垂直次元的自由度。此外，小區分裂或進一步的扇 區分裂也是擴充系統容量的重要手段，但是受限于傳統的基站天線結構，在不 增加天線與射頻裝置的前提下無法實作垂直次元扇區化（通過下傾角劃分扇 區）。對于具有不同垂直角度的區域，如高層建築的不同高度範圍，往往需要 多面天線來分别覆寫。

針對現有基站天線結構在垂直次元賦形能力的缺陷，一種自然的想法便是 增加垂直次元的實體天線端口，在基帶實作對每個陣子的獨立控制。然而，在 現有的被動天線結構基礎之上，面臨的難題不在于技術原理而在于工程實作。 按照被動天線結構，射頻電路與實體天線端口之間通過射頻電纜相連接配接，實體 天線端口的數量決定了射頻電纜的數量。在隻提供水準次元實體天線端口的情 況下，射頻線纜的數量已經相當可觀。為了減少射頻線纜帶來的損耗以及射頻 電纜安裝施工、維護的工作量，降低線纜自重與風阻對基站塔架的影響，基站 結構的發展趨勢是将射頻電路部分（RRH，Remote Radio Head）安裝在盡可能 靠近天線的位置。但是，基于現有天線結構，在射頻線纜已然盤根錯節的塔架 上，即使采用 RRH 結構，大規模增加實體天線端口數也是不可行的。

在現有的系統中，天線隻是一個被動的能量饋送部件，即無源天線。而有 源天線系統是将天線陣列中的每個輻射單元與相應的射頻/數字電路子產品內建 在一起所構成的，是能夠通過數字接口獨立控制每個陣子的主動式天線陣列。 在有源天線系統中，基站至天線系統之間不再需要射頻電纜、塔放或 RRH 這 樣的中間環節，基站裝置與天線系統之間可以直接通過光纖連接配接。通過有源天 線架構，在垂直次元開放實體天線端口的障礙随之迎刃而解。

AAS 技術在移動通信系統中的應用将會對基站及天線結構、頻譜利用效 率、網絡構架以及運維成本等多方面帶來影響。

就基站與天線結構而言，由于原先 RRH 或塔放中的少量高功率放大裝置 被 AAS 陣列中大量與陣子內建在一起的發射功率相對較低的功率放大器所取 代，功放的熱量在AAS天線面闆上有較大的發散空間，而不是聚集在狹小的RRH 或塔放裝置中，是以即使不使用風扇或其他主動式散熱裝置，也能更加穩定地支 持更高的總發射功率。射頻子產品與天線系統的結合進一步減少了塔上裝置的數 量，更加有利于塔上裝置的美化。同時，這樣可能也會降低相應的租賃費用。

使用垂直次元端口對增強扇區級賦形及 UE 級賦形能力都具有重大意義。 其中扇區級賦形更多偏重于實作方式，而 UE 級賦形的改進則涉及相應的标準 化工作。在傳統的蜂窩網絡中，當一個扇區的業務量超過其承載能力時，隻有 通過扇區分裂或是架設新的小區的方式來實作擴容。上述方式不但費用高昂， 而且在選址等問題上存在諸多障礙。基于 AAS 陣列，則可以充分利用原有站址與裝置，将原扇區在垂直次元重新劃分為具有不同下傾角的内環和外環子扇區， 實作垂直扇區化，進一步提高頻譜利用效率。對于高層建築，可以通過垂直扇 區化對多個不同高度的區域都實作較好的覆寫。利用 AAS 陣列在垂直次元調整 的靈活度，還可以實作對同頻帶内占據不同載頻的多個空口模式的扇區覆寫的 獨立優化。如 GSM（Global System for Mobile Communications）/GPRS（General Packet Radio Service）/EDGE（Enhanced Data rates for GSM Evolution）或 UMTS （Universal Mobile Telecommunications System）需要滿足大範圍覆寫，但是 LTE/LTE-A（LTE-Advanced）系統可能更多地用于熱點覆寫，是以 LTE/LTE-A 載波可以通過電調下傾角的方式獨立地優化其扇區模式。通過 AAS 陣列還可以 實作對上行和下行鍊路的獨立優化，可使上行鍊路更好地覆寫小區邊緣使用者， 而下行鍊路則可以避免對鄰區造成不必要的幹擾。

RRH 結構出現之後，基站的基帶處理和射頻處理功能可以分離。AAS 技 術則延續了此思路，一方面為擴充垂直次元賦形能力創造了條件，另一方面也 便于将基帶處理單元放入資料進行中心，形成雲計算移動網絡，進而順應了類 似 C-RAN（Centralized/Cooperative/Cloud/Clean-Radio Access Network）等概念 中提出的集中化處理、協作式無線電與實時雲計算相結合的網絡構架演進趨勢。

除此之外，AAS 帶來的子產品化與自愈能力可以有效地降低營運維護成本。由 于 AAS 陣列由多個功率相對較低且相對獨立的陣子與射頻內建子產品構成，與傳統 的天線結構不同，個别端口的故障不至于導緻整個扇區的癱瘓。而且 AAS 陣列還 可以通過自檢發現故障，并進一步通過賦形方式的調整，利用其餘正常子產品彌補 故障對扇區賦形帶來的損失，直至下次例行維護再進行處理，而不必實時維修。

大規模天線波束賦形技術理論的出現為 MIMO 次元的進一步擴充奠定了 理論基礎。而 AAS 在商用移動通信系統中應用條件的日益成熟則為 MIMO 技 術進一步向着大規模化和 3D 化方向的發展創造了有利的實作條件。在實際應 用中，通過大規模天線陣列，基站可以在三維空間形成具有高空間分辨能力的 高增益窄細波束，能夠提供更靈活的空間複用能力，改善接收端接收信号并更 好地抑制使用者間的幹擾，進而實作更高的系統容量和頻譜利用效率。

1.6 大規模天線技術的研究方向