天线阵列结构对MIMO 技术发展的影响 | 带你读《大规模天线波束赋形 技术原理与设计 》之八

第1章

多天线及波束赋形技术发展概述

1.4 多天线及波束赋形技术的应用与发展趋势

1.5 天线阵列结构对MIMO 技术发展的影响

天线子系统的设计方案对移动通信系统的构架、设备的尺寸以及网络部署都会带来影响。对于 MIMO 技术而言，更要依赖于天线阵列所带来的空间自由 度，才能展现其性能优势。受限于传统的基站天线构架，原有的 MIMO 传输方 案一般只能在水平面实现对信号空间分布特性的控制，还没有充分利用 3D 信 道中垂直维度的自由度，没有更深层地挖掘出 MIMO 技术对于改善移动通信系 统整体效率与性能及终用户体验的潜能。随着天线设计构架的演进，有源天 线系统（AAS，Active Antenna System）技术的实用化发展已经对移动通信系 统的底层设计及网络结构设计思路带来巨大影响，将推动 MIMO 技术由传统的 针对 2D 空间的优化设计向着更高维度的空间扩展。

基站对信号空间分布特性的调整是通过波束赋形或预编码的手段实现的， 其调整过程大致可分为两个层面：第一个层面是对公共信道与公共物理信号的 扇区级调整，即根据网络优化目标调整扇区的覆盖参数，如扇区宽度、指向、 下倾角等。此层面的操作又可称为扇区级赋形，其赋形方式并不针对某个 UE 的小尺度信道进行优化，而且扇区赋形的调整是一个相对静态的过程。第二个 层面的调整是针对每个 UE 所进行的 UE 级的动态赋形或预编码，其目的在于 使针对每个 UE 的传输与其信道特性相匹配。

对信号空间分布特性的调整能力与基站天线阵列结构密切相关。一般情况 下，LTE 物理层规范中定义的所谓天线端口（参考信号端口）的数量是小于等 于物理天线端口数的，因此实际上在虚拟天线端口和真实的物理天线端口之间 还存在着一个规范中没有定义的透明映射模块。尽管此模块的存在不需要协议 规范定义，但是在实现过程中，公共信道/信号的扇区赋形及基于专用导频的 UE 级赋型则与基站天线阵列结构有着密切关系。

在三维坐标系中，信号功率的空间分布可分解到水平面和垂直面两个二维 空间。在现有的基站天线结构中，由于物理天线端口对应于一个水平方向上排 列的线性阵列，调整各物理天线端口的幅度及物理天线端口间的相对相位等效 于控制信号在水平维度的分布。因此无论对扇区赋形还是 UE 级动态赋形而言， 都可以通过天线映射模块在基带实现相关操作。但是对于每个天线端口内部所 对应的一列阵子而言，由于没有相应的物理天线端口与之一一对应，因此无法 在基带直接调整每个阵子的加权系数。因而在一定程度上限制了信号功率在垂 直维度分布调整的灵活度。

对于扇区赋形而言，尚可以通过对每个阵子所连接的射频电缆的时延和衰 减的调节，在射频实现对下倾角的控制，或者，通过机械方式调整基站天线面 板的俯仰角。但是对于每个 UE 的业务传输而言，在垂直维度就无法实现针对 小尺度信道的动态优化了。按照目前的被动式基站天线结构，MIMO 传输方案 只能在水平维度实现对传输过程的优化，还不能完全匹配实际的三维信道，因此没有能够充分利用信号在垂直维度的自由度。此外，小区分裂或进一步的扇 区分裂也是扩展系统容量的重要手段，但是受限于传统的基站天线结构，在不 增加天线与射频设备的前提下无法实现垂直维度扇区化（通过下倾角划分扇 区）。对于具有不同垂直角度的区域，如高层建筑的不同高度范围，往往需要 多面天线来分别覆盖。

针对现有基站天线结构在垂直维度赋形能力的缺陷，一种自然的想法便是 增加垂直维度的物理天线端口，在基带实现对每个阵子的独立控制。然而，在 现有的被动天线结构基础之上，面临的难题不在于技术原理而在于工程实现。 按照被动天线结构，射频电路与物理天线端口之间通过射频电缆相连接，物理 天线端口的数量决定了射频电缆的数量。在只提供水平维度物理天线端口的情 况下，射频线缆的数量已经相当可观。为了减少射频线缆带来的损耗以及射频 电缆安装施工、维护的工作量，降低线缆自重与风阻对基站塔架的影响，基站 结构的发展趋势是将射频电路部分（RRH，Remote Radio Head）安装在尽可能 靠近天线的位置。但是，基于现有天线结构，在射频线缆已然盘根错节的塔架 上，即使采用 RRH 结构，大规模增加物理天线端口数也是不可行的。

在现有的系统中，天线只是一个被动的能量馈送部件，即无源天线。而有 源天线系统是将天线阵列中的每个辐射单元与相应的射频/数字电路模块集成 在一起所构成的，是能够通过数字接口独立控制每个阵子的主动式天线阵列。 在有源天线系统中，基站至天线系统之间不再需要射频电缆、塔放或 RRH 这 样的中间环节，基站设备与天线系统之间可以直接通过光纤连接。通过有源天 线架构，在垂直维度开放物理天线端口的障碍随之迎刃而解。

AAS 技术在移动通信系统中的应用将会对基站及天线结构、频谱利用效 率、网络构架以及运维成本等多方面带来影响。

就基站与天线结构而言，由于原先 RRH 或塔放中的少量高功率放大设备 被 AAS 阵列中大量与阵子集成在一起的发射功率相对较低的功率放大器所取 代，功放的热量在AAS天线面板上有较大的发散空间，而不是聚集在狭小的RRH 或塔放设备中，因此即使不使用风扇或其他主动式散热设备，也能更加稳定地支 持更高的总发射功率。射频模块与天线系统的结合进一步减少了塔上设备的数 量，更加有利于塔上设备的美化。同时，这样可能也会降低相应的租赁费用。

使用垂直维度端口对增强扇区级赋形及 UE 级赋形能力都具有重大意义。 其中扇区级赋形更多偏重于实现方式，而 UE 级赋形的改进则涉及相应的标准 化工作。在传统的蜂窝网络中，当一个扇区的业务量超过其承载能力时，只有 通过扇区分裂或是架设新的小区的方式来实现扩容。上述方式不但费用高昂， 而且在选址等问题上存在诸多障碍。基于 AAS 阵列，则可以充分利用原有站址与设备，将原扇区在垂直维度重新划分为具有不同下倾角的内环和外环子扇区， 实现垂直扇区化，进一步提高频谱利用效率。对于高层建筑，可以通过垂直扇 区化对多个不同高度的区域都实现较好的覆盖。利用 AAS 阵列在垂直维度调整 的灵活度，还可以实现对同频带内占据不同载频的多个空口模式的扇区覆盖的 独立优化。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）需要满足大范围覆盖，但是 LTE/LTE-A（LTE-Advanced）系统可能更多地用于热点覆盖，因此 LTE/LTE-A 载波可以通过电调下倾角的方式独立地优化其扇区模式。通过 AAS 阵列还可以 实现对上行和下行链路的独立优化，可使上行链路更好地覆盖小区边缘用户， 而下行链路则可以避免对邻区造成不必要的干扰。

RRH 结构出现之后，基站的基带处理和射频处理功能可以分离。AAS 技 术则延续了此思路，一方面为扩展垂直维度赋形能力创造了条件，另一方面也 便于将基带处理单元放入数据处理中心，形成云计算移动网络，从而顺应了类 似 C-RAN（Centralized/Cooperative/Cloud/Clean-Radio Access Network）等概念 中提出的集中化处理、协作式无线电与实时云计算相结合的网络构架演进趋势。

除此之外，AAS 带来的模块化与自愈能力可以有效地降低运营维护成本。由 于 AAS 阵列由多个功率相对较低且相对独立的阵子与射频集成模块构成，与传统 的天线结构不同，个别端口的故障不至于导致整个扇区的瘫痪。而且 AAS 阵列还 可以通过自检发现故障，并进一步通过赋形方式的调整，利用其余正常模块弥补 故障对扇区赋形带来的损失，直至下次例行维护再进行处理，而不必实时维修。

大规模天线波束赋形技术理论的出现为 MIMO 维度的进一步扩展奠定了 理论基础。而 AAS 在商用移动通信系统中应用条件的日益成熟则为 MIMO 技 术进一步向着大规模化和 3D 化方向的发展创造了有利的实现条件。在实际应 用中，通过大规模天线阵列，基站可以在三维空间形成具有高空间分辨能力的 高增益窄细波束，能够提供更灵活的空间复用能力，改善接收端接收信号并更 好地抑制用户间的干扰，从而实现更高的系统容量和频谱利用效率。

1.6 大规模天线技术的研究方向