基于移动互联网环境的通信基站天线发展影响研究

朱雨薇，张 敏，于鉴桐

（湖南邮电职业技术学院，湖南长沙 410015）

基于移动互联网环境的通信基站天线发展影响研究

朱雨薇，张 敏，于鉴桐

（湖南邮电职业技术学院，湖南长沙 410015）

移动互联网影响移动网络以“语音”为中心到“数据”为中心的转变，使通信产业结构发生较大变化。文章从移动互联网环境对通信技术及网络的影响入手，结合目前研究现状，深入分析未来移动网络的天线发展方向及趋势。

移动互联网；OTT业务；数据流量；智能化；大规模化

近几年，移动互联网蓬勃发展，导致通信产业结构持续发生变化，传统语音和短信业务收入也随之下降。其主要原因是业务市场饱和以及来自新的市场进入者的竞争，尤其是OTT业务（Over The Top，基于开放互联网的各种视频及数据服务业务）对语音、短信业务的冲击。此外，随着更多智能终端的使用，可供用户选择的新业务、应用数目增长，催生了数据流量消耗的增加。这要求未来的天线具有更高的频带利用率和频谱效率。

1 移动互联网环境对通信技术及网络的影响

移动互联网是互联网与移动通信网络的有机结合。在移动通信网络发展的基础上，用户对业务的需求已从传统业务逐步转向移动互联网业务。这也从侧面反映出未来通信技术与网络将面临着较大变革。

技术和应用的不断更新带来了新的业务发展格局，使业务融合成为主流。运营商在保证用户传统业务的前提下，使新兴业务朝着信息化、商务化、行业化迈进。首先，多媒体技术的发展使得用户对服务质量有着新的要求。高清视频、远程会议等业务要求带宽增加，这就使得传统的网络必须加强对移动性资源的调配及管理，并需要增加更多的基站设备。更重要的是，给运营商带来较大冲击的OTT业务正逐步向大众展示它的优势。其中，冲击最大的要数OTT语音业务。以微信为例：其支持发送文字、语音、图片、视频等功能，给了基础运营商以较大的威胁。虽说微信的语音业务给运营商带来了用户数和数据流量，但其压制了运营商对用户的影响。某运营商现已全面开启“全流量计费”，将语音、短消息折算成流量来计费（1M=1分钟），因此数据流量消耗将大幅提升。当终端在无数据传输时运营商为腾出更多无线资源给空闲用户，会在一定的周期内释放空闲终端的链接，使终端进入休眠状态，而OTT业务本身需要不间断的与网络进行数据传送以确保其永久在线，这是心跳机制[1]。基于此，终端会为了检测当前状态不断地尝试网络重建，占用无线与核心网资源。这就好比为了把每一个目的地不同的顾客送回家需要给每个人配一辆车，当用户数量超出网络的调度承受能力就会产生拥塞，从而使服务质量下降。所以，找到终端对网络不间断占用的影响与用户的使用感受之间的平衡点尤为重要。最后，新业务的发展也不容忽视。物联网、可穿戴设备等技术要求网络更加多元化，对网络的传输速率、带宽、移动网络和互联网的对接等也都有着较高的要求。

2 未来移动网络的天线发展方向及趋势

根据以上分析可知，未来移动网络对能效、传输速率、频谱及无线资源利用率等方面的要求将会呈现出数量级增长。为此，设备必须秉承系统发展的原则：小型化、集成化、灵活性[2]。而作为基站的一部分，天线也将随之发生变化，天线的性能好坏直接影响着基站的性能。基于此的天线技术，随之朝着大规模化、有源化、智能化、小型化的方向发展。

2.1 大规模多天线技术

大规模多天线技术（Massive MIMO）是5G关键技术之一，它可以提升频谱效率。在基站侧增加大规模天线阵列，而用户侧依然使用较少的天线数（比如双天线），利用空分多址技术，使得不同用户的数据在同一时频进行传输，如图1所示。

图1 大规模多天线技术示意图

大规模天线阵列可利用波束成型技术，基站自行调节各个天线发射信号的相位，使其在移动台侧形成电磁波的叠加。目的是将波束聚集在很窄的范围内并根据用户移动做相应的调整，达到干扰抑制效果。当天线数量足够大时，可满足阵列增益并抑制噪声干扰，从而提升小区总频谱效率及边缘用户频谱效率[3][4]。

而随着移动互联网业务的发展，对大规模多天线技术提出新的挑战。例如大规模多天线技术要求将RRU甚至BBU集成到天线中，这就不仅只是单纯的天线问题而是涉及到基带和射频的基站模块体积的改变，加大了部署难度。并且大的天线数量形成的多通道使故障排除的难度也较大增加。

目前对大规模天线阵列的研究主要集中在信道建模、信道估计和传输技术方面。而运营商则更加关注高效率、实用性、灵活性、可扩展等方面。下图2是某运营商提出的模块化大规模天线思路。通过实验表明，模块化天线与传统大规模阵列天线具有相同的峰值速率。它既减小了部署难度又减低了天线质量，使检测变得更加简单。

图2 某运营商提出的模块化大规模天线示意图

2.2 超宽带（UWB）天线技术

由于通信网络的发展，频段、制式的多样化让站点资源、频带资源愈发稀缺，超宽带天线具有结构紧凑且能够覆盖大段频带的优点，有效解决了这一问题。

在移动通信天线领域，对宽带技术的研究主要集中在用对称阵子组合成辐射单元。有两种形式：一种是用4个半波对称阵子背对组成“田”字形结构，如图3，这种形式主要应用于低于1GHz的低频段。另一种使用2个半波对称阵子重叠，辐射臂可不变也可弯曲，如图4，这种形式主要应用于高于1GHz的高频段。

图3 低频段辐射单元图

图4 高频段辐射单元图

高频段辐射单元目前被应用得比较广泛，它的雏形是被Lodge提出并被后人逐渐完善。后续的研究主要通过修改辐射臂的形状来改善性能。

利用辐射单元实现宽带化的原理是使电压驻波比达到一定要求。主要方法有2种：第一种是增加反射板，通过改变介质类型、基板厚度和改善基板介电常数实现宽带；第二种是延长电流回路，通过开槽、弯折、渐变等技术实现。

2.3 多频天线技术

而多制式、多频天线较超宽带天线来说不仅可以解决频谱资源多样化、站点资源浪费的问题，还可以完成不同制式的独立调节，降低系统间干扰。它是在超宽带天线的基础上增加合路分路技术以实现不同频段信号的控制，保证不同制式小区的天线下倾角不一样，使得调节更加独立。

2.4 小型化天线

随着站点资源、天面资源越来越紧张，从未来天线部署的角度出发，运营商希望天线朝着小型、集成、轻薄的方向发展。而用户对天线美化、隐形、电磁辐射的要求也使得天线趋于小型化。研究表明，天线的小型化特别是HF、VHF和UHF天线的小型化已经成为制约现代无线通信发展的颈瓶。虽然研究取得了很大的进展，但在这个领域还存在许多亟待解决的难题。图5展示了J公司在2009至2016年间天线小型化的研究进展。显然，天线截面尺寸随着时间推移逐渐减小[5]。

图5 J公司在2009至2016年间天线小型化的研究进展

因为天线的大小主要受制于其与波长的关系，所以要实现天线的小型化理论上很难实现。但是在实际应用中经过不断尝试，发现采用某种技术或材料可以对天线的小型化有所改善。例如：上文中介绍过的辐射单元通过开槽、弯折等延长电流回路；增加反射板；利用功分器、移相器等器件使馈电网络面积缩小；利用新材料特性对波束赋形和增益的影响减小天线体积等。

其中，新材料人工磁导体（AMCArtificial Magnetic Conductor）已经成为天线小型化方向的热点之一。这种材料并不存在于自然界，它能够在特定频率实现零相位反射。人工磁导体（AMC）由金属贴片周期性地排布在介质板上构成，如图6所示。

图6 人工磁导体（AMC）结构图

如果传统天线用理想电导体（PEC）做反射材料，根据镜像原理，反射场会产生180°相位差。这要求天线与反射面距离大于1/4λ，以减小入射波与反射波之间的干扰。显然，这使得天线剖面变得非常厚，无法满足低剖面天线的要求。而AMC的零相位反射改善了这一方面的性能，并且由于反射场与入射场叠加使天线增益提高3dB[6]。其次，AMC的高阻抗表面特性还能降低天线背瓣辐射，提高前后比。

传统的方法只能小幅改善天线的体积，因此应该把研究重点放在新技术与新材料的研究上，这样才能在真正意义上实现天线的小型化。

2.5 有源天线技术

有源天线是基于分布式基站发展而来，它将射频模块与天线模块集成在一起，共同架置于塔架。这样做的优点有：有源基站天线结合超宽频技术，满足移动网络多频段、多制式的现状，节省站点租赁、运营成本；高度集成化便于安装维护，节省后期成本；进一步缩短馈线距离，真正实现“零损耗”。同时利用灵活的波束赋型技术，实现下倾角根据不同用户、不同小区而定[7]，从而提高系统吞吐量。

3 结束语

移动互联网带来的“数据风暴”，使得未来网络的传输速率、无线资源利用率等因素必须快速增长才能满足日益扩张的数据量。因此，大规模天线、多频多制式、超宽带、小型化、有源化等技术将成为未来天线发展的主要方向。大规模天线在增加系统容量，提高通信质量方面有突出的表现，并且顺应了射频部件更贴近天线的发展趋势，使安装与维护更加简便，所以受到运营商欢迎。但是辐射单元小型化一直是它的技术瓶颈。多频多制式天线不仅可以解决频谱资源多样化、站点资源浪费的问题，还可以完成不同制式的独立调节，降低系统间干扰，但多频天线组合的性能还需进一步优化。有源技术与宽频技术结合可满足多频多制式的要求。小型化是目前的研究热点和重点。在工程中已经有一些传统解决办法可以改善天线体积，但是想要大幅减小体积还需要借助新技术与新材料，例如人工磁导体。

综上所述，基于移动互联网的影响，未来天线的发展需要将多种技术结合起来，不能只关注某一种技术。而从目前组网需求来看，小型化与大规模阵列天线是研究的重点。

[1]叶阳.有关OTT业务的行为研究及测试[J].研究与开发,2013(4):33-37.

[2]刘宁,袁宏伟.5G大规模天线系统研究现状及发展趋势[J].专题综述,2015(4):182-185.

[3]Song L,Zhu H,Zhang Z.Non-Cooperative Feedback-Rate Control Game for Channel State Information in Wireless Networks[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2011(1):188-197.

[4]Ngo H Q,Larsson E G,Marzetta T L.Energy and Spectral EfficiencyofVeryLarge Multiuser MIMO Systems[J].IEEE Transactions on Communications,2013(4):1436-1449.

[5]姬五胜,张丰臣,刘培涛.移动通信基站天线的关键技术研究进展[J].电讯技术,2017(1):111-117.

[6]朱雨薇.一种基于人工磁导体的低剖面螺旋天线研究[J].中国新通信,2015(24):159-160.

[7]陈丽萍.传统基站到有源天线基站的演进[J].电讯技术,综述与评论,2015(8):942-946.

Research of mobile Internet impact on the development of base station antennas

ZHUYu-wei,ZHANGMin,YUJian-tong
（Hunan Post and Telecommunication College,Changsha,Hunan,China 410015）

The center of the mobile network which changes from"voice"to"data"is affected by the mobile Internet,resulting in a great change in the structure of communications industry.This paper analyzes the future development of antenna,beginning with the influence ofmobile Internet environment on communication technologyand network.

mobile Internet;OTT;data flow;intelligentialize;massive MIMO

10.3969/j.issn.2095-7661.2017.04.003】

TN929.5

A

2095-7661（2017）04-0007-03

2017-06-08

朱雨薇（1989-），女，山东德州人，湖南邮电职业技术学院讲师，硕士，研究方向：移动通信、网络规划与优化。