传统基站到有源天线基站的演进*

陈丽萍

(中兴通讯股份有限公司，西安 710114)

1 引言

随着移动网络的发展，基站架构不断演进，从传统基站到分布式基站，人们在不断探求更高性能、更小体积、更能灵活部署、更大覆盖范围的基站。从当前应用和未来发展来看，仍存在若干急需解决的问题:多天线技术的引入，多种制式的并存，造成电信运营商的天线资源日益紧缺，也加大了基站建设的成本和难度。此外，现有基站采用固定下倾角，无法满足日益复杂的应用场景需求，如小区分裂等。

相比传统基站，有源天线基站结构紧凑、易安装，可有效帮助电信运营商改善覆盖，降低成本，解决天线资源不足等问题。自2011 年有源天线(Active Antenna System，AAS)提出以来，其在移动通信系统中的应用［1－3］及其波束成形的控制方法［4－5］等一直是研究的热点。2011 年有源天线也在3GPP 标准组织内立项研究，至今有源天线基站的收发性能和测试方法还在标准会议中讨论［6－9］。

本文对比了不同基站的架构，在此基础上进一步给出了有源天线基站的设计思路和方案，可将远端射频单元(Remote Radio Unit，RRU)与天线结合，通过天线下倾角控制技术以及波束成形(Beam Forming，BF)方案，以达到实现用户信噪比容量最佳、提升系统容量的目的。

2 传统基站

传统基站架构如图1 所示，放置在机房里的射频单元(Radio Unit，RU)通过线缆与室外的天线相连。尽管在设计中使射频单元尽可能靠近天线，但实际布署中仍常会遇到过长馈线难以避免的情形，由此造成信号能量的严重衰减(3～10 dB)，射频放大后的功率50%～90%可能会在线缆传输中损耗。

图1 传统基站的架构Fig.1 Illustration of traditional BS structure

3 分布式基站

3.1 分布式基站的架构

分布式基站架构如图2 所示。

图2 分布式基站的架构Fig.2 Illustration of distributed BS structure

将原有传统基站的射频单元放在远端射频单元中，而基带处理单元(Base Band Unit，BBU)通过无损耗的光纤连接至RRU。这样使射频单元尽量靠近天线，减少了损耗。此外，通过多个RRU 与一个中心基站中的BBU 连接，实现了大范围覆盖和资源共享。

3.2 接口标准

通用公共无线电接口(Common Public Radio Interface，CPRI)联盟针对分布式基站制定了CPRI 标准，有效规范了中心基站BBU 和远端射频单元之间的数字传输接口，包括物理层和数据链路层的协议。在CPRI 标准中，将中心基站定义为无线设备控制器(Radio Equipment Controller，REC)，将远端射频单元定义为无线设备(Radio Equipment，RE)，两者之间的接口定义为CPRI 接口。REC 的功能如传统基站的BBU，RE 的功能如传统基站的RU。CPRI的标准主要在物理层增加了电缆传输标准、光传输标准、不同数据的分时复用，在链路层增加了数据流控制、内容保护机制、REC 和RE 同步信息。在CPRI 标准中，还规定了星型、链型、树型和环型4 种连接方式。

3.3 分布式基站的设计

图3 是分布式基站的设计示意图。在REC 端的BBU 中增加数据格式转换模块，利用接口芯片实现CPRI 协议处理，利用标准的SFP 光模块实现光纤收发器，最终实现将BBU 的I/Q 信号通过光口进行传输。同理，在RE 端也增加这三个部分(见黄色框内)，实现光口到I/Q 信号的转换，然后通过RRU进行处理，之后通过天线进行发射。

图3 分布式基站的设计示意图Fig.3 Design diagram of distributed BS

4 有源天线基站

4.1 有源天线基站的架构

图4 有源天线基站的架构Fig.4 Illustration of AAS structure

传统的天线都是无源天线，本质是一个金属体。有源天线的原意是在传统的天线中增加有源器件，最为普遍的做法是在天线上加放大器，可以有效增大输入阻抗、降低谐振频率从而达到展宽频带、增加接收灵敏度的目的。此外，还可有效改善系统的噪声特性，实现天线的小型化。有源天线基站将有源天线概念进行了扩展，在天线中增加了RRU 部分，如图4 所示。由图4 可知，有源天线基站是在分布式基站的基础上发展而来的，其将整个RRU 都集成到天线中，放置于塔架上，通过CPRI 与BBU 连接。有源天线基站不再采用传统基站的固定下倾角，而是利用灵活的波束成形方案，实现不同用户不同的下倾角，不同小区不同的下倾角，用这样更为精细的网络优化措施，使用户信号最佳，对周边的干扰最小，从而提高系统容量和增大覆盖。

4.2 有源天线基站的设计

由图5(a)可知，塔架上的有源天线由CPRI 接口模块、射频单元、天线单元三部分组成，其中射频单元和天线构成了有源天线的主体，对应的设计可分为两种。

(1)物理叠加式的有源天线

如图5(b)所示，基站架构扁平化，将RRU 模块化直接放置在天线罩内。2011 年，诺基亚西门子提出有源天线，就是将RRU 做成模块同传统的无源天线单元连接为一体［3］。随着近年来微波集成电路的发展，已可将RRU 中的有源电路、有源器件直接集成在天线单元中。

图5 有源天线基站的设计示意图一Fig.5 The design diagram 1 of AAS

(2)真正意义上的有源天线

如图6 所示，RRU 中含有多个RU 和多个天线阵元，每个RU 和天线阵元构成一路有源天线的阵元，实现一个信道的收发。通过灵活配置多个信道，可实现多种需求:一是实现波束成形，每个信道通过不同的加权，控制波束指向特定区域或特定用户;二是实现不同的MIMO 配置，如2 ×2、2 ×4、4 ×4 等;三是实现载波聚合(Carrier Aggregation，CA)，每个信道进行不同载波的收发，在BBU 中实现不同的载波聚合——同带连续载波聚合、同带不连续载波聚合和异带载波聚合。

图6 真正意义上的有源天线的设计示意图二Fig.6 The design diagram 2 of real AAS

图6 所示为真正意义上的有源天线，其功能主要由三部分配合完成。

(1)宽带化的天线阵元

可用一个天线阵元实现多频段、多模式的覆盖。也就是说，有源天线首先是天线阵元宽带化和小型化的设计，其设计原则是所有制式共用一副天线，所有频段共用一个天线单元。对于MIMO 和CA 等复杂应用场景，宽带化和小型化的设计可以有效避免天线单元的成倍增加。此外，设计时还要尽可能多地运用新材料技术，以便进一步降低天线的整体体积和重量。

(2)小型化、多制式的RU 单元

有源天线的射频部分虽然也是由多路RU 组成，但并不是一路RU 实现一个通信制式，而是采用一路RU 实现对所有制式多个频段的支持，采用多路RU 配合天线实现下倾角控制和调节。同时设计中不再采用传统的射频器件，如BF 所需的移相网络和功控网络，这些都很难集成到天线中去，而是大量采用集成化的无线芯片实现RU 收发，直接和天线合为一体。

(3)REC 中的控制单元

可集中管理位于塔架上的有源天线，无需上塔就可进行远端调控。REC 根据一定的下倾角控制方法，形成各个天线阵元的加权系数，通过CPRI 接口传递给RRU，控制各个RU 进行幅度和相位加权，实现有源天线下倾角和波束的调整，从而达到提高系统容量的目的。

有源天线下倾角的控制方法，是利用三维天线方向图设计波束成形，在垂直面上实现不同下倾角的波束覆盖，从而达到不同的小区覆盖。而传统基站的天线在垂直面对所有用户所有小区都采用固定的下倾角，因此更多是利用二维天线方向图在水平面考虑波束成形。由于没有考虑垂直面内的调整，因此不能使用户信噪比和系统的吞吐量达到最佳。

如图7 所示，有源天线的三维天线方向图相比原有的二维天线方向图，其主瓣方向在垂直面上扩展出了“不同下倾角θ 的波束”，θ 可在［5°，20°］范围内选择。各阵元的加权系数 珚W=［w1，w2，w3，…，wn］目前还没有一个比较成熟的工程计算方法，可采用传统基站智能天线BF 中加权系数的生成方法，通过公式(1)和公式(2)进行计算。其中最佳下倾角θ 的获取是关键，借鉴传统基站BF 中预多波束的算法在工程实现中比较可行。

式中，N 表示有N个阵元，wn是第n个天线的加权系数，θ 是下倾角，d 是阵元之间的间距，λ 是波长。

图7 有源天线下倾角控制的示意图Fig.7 Illustration of controlling the down tilt of AAS

4.3 有源天线基站的优势

图8 是基站架构的演进趋势图。从传统基站到分布式基站，再到有源天线基站，有源天线基站顺应了RU 靠近天线的趋势，相比传统无源天线基站具有很多应用优势:

(1)有源天线基站采用宽带收发天线，可实现多制式、多频段的兼容，降低了对天线资源的要求，可帮助运营商减少站点租赁，降低运营成本;

(2)有源天线基站将射频单元集成于天线内部，集成度高，更容易安装和维护，可减少站点维护成本;

(3)有源天线可实现零馈线零损耗，节省了馈线投资成本，减少了馈线损耗对性能的影响，提升了发射功率和灵敏度等指标，在同样的性能下设备可做得更小;

(4)有源天线能够通过调幅调相控制波束形状，实现灵活多样的下倾功能——不同载波采用不同下倾角、上下行独立下倾角、不同小区不同下倾角;

(5)有源天线基站存在多路天线单元，如果某路单元损坏，可调整剩余天线单元进行补偿，提高设备的可靠性;

(6)有源天线基站利用多路信道，可灵活兼容MIMO、CA 和BF 多种需求;

(7)大量集成化芯片的使用避免收发单元和天线单元的成倍增加，使天线做得更小更轻成为可能。

图8 基站架构的演进趋势图Fig.8 Illustration of BS evolution

5 结束语

本文详细介绍了传统基站、分布式基站、有源天线基站的不同架构，针对各种不同架构进行了优缺点对比，阐明了演进到有源天线基站的必然性，并在此基础上进一步给出了其设计思路和技术特点。通过分析，得出有源天线的应用意义在于:可减少站点租赁，降低维护成本，达到高集成度、低损耗、灵活配置、更大覆盖等目的，可满足未来低能耗的绿色移动通信系统的发展要求。

有源天线基站相对传统天线基站有着不可比拟的优势，是未来发展的方向。但由于其采用了有别于传统基站的新技术，不能直接借鉴传统基站的收发信机指标。目前，有源天线的性能指标和测试方法都还在3GPP 框架内讨论，已有一些技术报告(Technology Report，TR)输出。相信随着技术标准的完善以及电信设备厂商积极地研发投入，有源天线基站会越来越成熟，不久的将来有望广泛在工程中应用。

［1］郑晓斌.有源天线在无线通信领域的应用［J］.信息通信，2013(6):224－225.ZHENG Xiaobin.The Application of Active Antenna Array in Wireless Communication Systems［J］.Information＆Communication，2013(6):224－225.(in Chinese)

［2］杨涛，谢伟良，朱雪田.有源天线在移动通信系统中的应用研究［J］.电信科学，2011(10A):320－323.YANG Tao，XIE Weiliang，ZHU Xuetian.Study on Application of Active Antenna Array in Mobile Communication Systems［J］.Telecommunications Science，2011(10A):320－323 .(in Chinese)

［3］李新中，杨军，陈新明.有源天线系统及未来发展应用研究［C］//2011 全国无线及移动通信学术大会论文集.北京:中国通信学会，2011:272－276.LI Xinzhong，YANG Jun，CHEN Xinming.Research of Active Antenna System and Its Future Development and Use［C］//Proceedings of 2011 Academy Conference on Wireless and Mobile Communications.Beijing:China Institute of Communications，2011:272－276.(in Chinese)

［4］王凯，张亮，谭国平.一种新颖的3D 有源天线基站组网波束下倾角选择方法［J］.电信科学，2015(1):90－94.WANG Kai，ZHANG Liang，TAN Guoping.A Novel Beam Downtilt Selection Method for 3D Active Antenna System Based Cellular Network［J］.Telecommunications Science，2015(1):90－94.(in Chinese)

［5］唐志凯，刘隆和，陶永刚.有源天线波束电扫描新技术［J］.微波学报，2015(8):43－46.TANG Zhikai，LIU Longhe，TAO Yonggang.New Beam Scanning Technology for Active Antenna Array［J］.Journal of Microwaves，2005(8):43－46.(in Chinese)

［6］3GPP TR37.840，Study of Radio Frequency(RF)and Electromagnetic Compatibility(EMC)requirements for Active Antenna Array System(AAS)base station［S］.

［7］3GPP TSG－ RAN WG4 Meeting #66bis，AAS way forward［S］.

［8］3GPP TSG－RAN WG4 Meeting #61，Terminology and definitions for AAS［S］.

［9］3GPP TSG－RAN WG4 Meeting #59，A proposal was proposed to elaborate the difference between AAS BS and traditional BS［S］.