中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
當前我國已建成全球最大的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，而在4G向5G過(guò)渡以及5G時(shí)代中，天線(xiàn)的質(zhì)量保障和技術(shù)提升顯得越發(fā)重要，尤其是在頻譜資源日益匱乏的情況下，天線(xiàn)的創(chuàng )新將開(kāi)啟無(wú)線(xiàn)頻譜資源利用的新天地，為未來(lái)5G eMBB、mMTC、uRLLC等場(chǎng)景的實(shí)現提供基本前提。
大唐移動(dòng)射頻專(zhuān)家孫華榮認為，大規模天線(xiàn)陣（Massive MIMO）的運用是保障移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )高速率的重要手段，其可實(shí)現3D多波束賦形，高達16-24流多流數據，能夠大大提高頻譜效率，提升用戶(hù)傳輸速率。所以大規模天線(xiàn)陣是5G最大的一個(gè)研究方向。但孫華榮同時(shí)也指出，大規模天線(xiàn)陣的商用和實(shí)現技術(shù)還將面臨大量的挑戰。
首先在工程安裝方面，大規模天線(xiàn)陣的體積、迎風(fēng)面積、重量、對光模塊的要求等問(wèn)題都需要實(shí)現突破。
回想3G時(shí)代，智能天線(xiàn)由 “一個(gè)大門(mén)板（天線(xiàn)）、一個(gè)瘤子（射頻功率放大器TPA）和一個(gè)辮子（兩組射頻線(xiàn)路）”組成，后來(lái)采用了雙極化天線(xiàn)陣，降低了天線(xiàn)寬帶，射頻拉遠（RRU）初步解決瘤子和辮子問(wèn)題，智能天線(xiàn)才得到實(shí)際運用。
對于大規模天線(xiàn)陣，目前業(yè)內主流的觀(guān)點(diǎn)為128個(gè)天線(xiàn)陣元、64個(gè)射頻通道，每個(gè)射頻通道驅動(dòng)垂直兩個(gè)陣元。天線(xiàn)陣為8*8雙極化天線(xiàn)陣子排布，水平天線(xiàn)陣子間距為0.5λ，垂直間距0.5-0.75λ。由于有64個(gè)射頻通道，加上一個(gè)校準通道共有65個(gè)射頻連接接口。天線(xiàn)陣與有源射頻拉遠單元（RRU）如果相互獨立，將會(huì )有一大把的射頻連接線(xiàn)纜，商用工程安裝將面臨重大挑戰。
現在RRU與天線(xiàn)的線(xiàn)纜增加到65根，工程施工將更為復雜，因此天線(xiàn)陣和射頻拉遠單元一體化形成有源天線(xiàn)單元（AAU）將是必然選擇。但由于A(yíng)AU包含一個(gè)128陣元的天線(xiàn)陣和64通道的射頻單元，體積將會(huì )較大，AAU設備的迎風(fēng)面積也會(huì )變大，這些因素都會(huì )影響到實(shí)際的商用部署。
其次，降低AAU的重量是其商用必須要解決的問(wèn)題，因為這將直接影響到安裝支架的能力和安裝的方便性。
另外，大規模天線(xiàn)陣（AAU）需要多達64個(gè)的射頻通道，每個(gè)通道需要支持的帶寬達到100MHz。這樣AAU與BBU之間的基帶IQ數據將是海量的，是4G時(shí)代的好幾倍。按照100MHz帶寬數據采樣率為122.88MSPS，數據位寬為16bit計算，64通道的基帶IQ數據率將為：122.88M*2*16*64=251658.24M，超過(guò)250Gbps的數據速率；再加上傳輸信道編碼將接近300Gbps。如果用10G的光纖傳輸，需要20多根。這對于光模塊和光纖數量都是不可接受的， 這也將是大規模天線(xiàn)陣面臨的第三個(gè)挑戰。
而解決這一問(wèn)題可以多措并舉：一方面壓縮IQ數據，降低傳輸帶寬的要求；同時(shí)還可將部分基帶處理上移到AAU，降低傳輸帶寬的要求；另一方面則可提高光纖傳輸速率，如提高到25G或100G，但這樣無(wú)論是在成本還是技術(shù)方面都將會(huì )對光模塊帶來(lái)巨大的壓力。
除了上述所提到的工程安裝問(wèn)題，大規模天線(xiàn)在實(shí)現技術(shù)方面也存在諸多挑戰。
首先是散熱問(wèn)題，這是AAU能否實(shí)現商用化的最大挑戰。由于A(yíng)AU是室外設備，需要全天候工作，需要滿(mǎn)足室外環(huán)境工作的要求。室外設備要求的工作溫度為-40度到55度。由于A(yíng)AU的通道數很多，高達64個(gè)射頻通道，這是以往設備的8倍以上。在設備中除了功放和模擬收發(fā)信機外，還需要大量進(jìn)行數字中頻處理的FPGA，通道基礎功耗將會(huì )隨之大量增加，整機效率比傳統的RRU效率低很多，整機功耗也會(huì )大很多。但是前面講到AAU的重量和體積又必須盡量小，才能滿(mǎn)足實(shí)際商業(yè)工程安裝的條件。這樣就造成整機熱流密度大幅提升，提高單位體積的散熱能力是關(guān)鍵。同時(shí)FPGA單片功耗大，耐高溫能力差，是散熱的最大瓶頸。解決單點(diǎn)高熱耗散熱問(wèn)題就成為重中之重。解決AAU的散熱問(wèn)題除了在結構設計提高散熱效率外，提高整機效率是另一個(gè)重要方向。
同時(shí)，為了解決整機小型化，器件的高集成度和器件的小型化是重點(diǎn)。只有提高集成度，才能在一個(gè)芯片內完成多個(gè)器件的功能，從而降低體積。器件的小型化可以使單個(gè)器件的體積降低。在A(yíng)AU中輸出濾波器小型化是一個(gè)重點(diǎn)。在RRU中為了濾除帶外雜散，滿(mǎn)足基站共存共址雜散要求和阻塞要求，在RRU輸出端必須有一個(gè)模擬濾波器，該模擬濾波器的要求很高。傳統基站輸出濾波都是采用腔體濾波器，腔體濾波器的體積很大。在大規模天線(xiàn)陣中射頻通道很多，增加到了64個(gè)，天線(xiàn)濾波器也就增加到64個(gè)，如果還采用腔體濾波器，則會(huì )使體積變得很龐大。因此，天線(xiàn)濾波器的小型化會(huì )是AAU重點(diǎn)攻克的方向。當然，除了天線(xiàn)濾波器的小型化，其它器件的小型化也是很重要的。
除了上面分析的兩個(gè)重要的技術(shù)挑戰外，AAU的架構設計、模塊間連接、高速互連、高速走線(xiàn)、大帶寬處理，功耗、效率，生產(chǎn)安裝，生產(chǎn)工藝也都需要不斷創(chuàng )新調整。只有把這些挑戰一一解決，才能真正實(shí)現大規模天線(xiàn)陣的商用化。
天線(xiàn)是支撐移動(dòng)通信系統的關(guān)鍵要素，推動(dòng)大規模天線(xiàn)陣技術(shù)的革新、加速商用將會(huì )直接影響到5G的系統能力，相信大唐移動(dòng)會(huì )憑借在天線(xiàn)領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)實(shí)力，不斷攻克難關(guān)，助力5G加速商用。
