全球移動通信天線的需求規模與技術發展方向

節選自《關於中國移動通信天線產業由中國製造到中國創造的探討》

本文作者

卜斌龍：現任京信通信系統（中國）有限公司高級副總裁兼天饋業務線首席科學家

劉培濤：現任京信通信系統（中國）有限公司天饋事業部副總經理兼天線研發中心主任

賴展軍：現任京信通信系統（中國）有限公司天線研發中心資深電氣專家

馬澤峰，趙娜：京信通信系統（中國）有限公司

通過對全球移動通信網路市場的深入調研和分析得出：2015年是全球4G網路建設最高峰，2017年起全球移動通信天線市場將進入轉折期，需求量開始下降，2019年將回落至2013年時的水平。但NB-IoT的規模建設會帶來額外的需求，從而減緩全球移動通信天線市場的下降趨勢。2013年--2019年全球基站天線市場規模統計及預測如圖1所示。

圖1 2013年--2019年全球基站天線市場規模統計及預測

為了遵循全球移動通信網路高速率、高容量、低成本、低時延、按需覆蓋、節能減排的發展趨勢，未來三到五年，移動通信天線的發展將呈現3個特點：小型化和寬頻化，一體化和有源化，智能化和可感知。

1、小型化寬頻帶多系統共用電調天線成為4G網路建設的絕對主流

（1）技術背景——國際天線巨頭聯手專利封鎖，市場拓展受阻

近年我國移動通信基站天線技術蓬勃發展，並逐步走向國際市場。比如2005年—2007年，京信天線國內市場佔比超過40%，並先後通過了當時全球第一大電信運營商Vodafone和第三大電信運營商Telefonica的供應商資格認證，以及華為、中興和愛立信三大主設備商的資格認證。行業兩大巨頭德國Kathrein和美國Andrew開始對以京信為代表的中國企業實施專利圍堵。Kathrein稱京信天線在輻射單元、移相器和傳動機構方面侵權。Andrew稱京信天線在控制系統和移相器方面侵權，分別在中國和巴西提起了專利訴訟。

中國天線只有通過持續技術創新來獲得具有國際競爭力的自主知識產權，才能走出國門。

（2）社會背景——減少天線的體積和數量是電信基礎設施共建共享國家戰略的基礎條件

2007年，擁有自主知識產權的TD-SCDMA網路建設遇到工程挑戰，因為天線體積大，導致了基站安全等級下降、基站選址困難、2G和3G站址難以共享等問題。另一方面，美國與中國國土面積相當，但中國通信鐵塔數量是美國的5倍，重複投資相當嚴重。由此，電信基礎設施共建共享被列入了「十二五」和「十三五」國家發展戰略。

只有發展小型化多系統共用天線，所需的天線數量才能大幅減少，鐵塔共享率才能顯著提升，共建共享國家戰略才能夠落地。

京信致力於「在天線性能指標不下降前提下的小型化技術」方面的研究，在小型化寬頻帶多系統共用電調天線領域獲得了成功，先後有6個系列產品入選為國家重點新產品和戰略性創新產品。不僅打破了國際巨頭的專利封鎖，還首次實現了中國天線產品性能超越國外先進廠家，成為新的行業標杆。並在中國、歐盟和巴西無效了美國Andrew的多項核心技術專利，掃清了中國天線企業進軍國際市場的障礙，這個事件給中國本土天線產業帶來了較大的國際影響力，由此，該事件還被評為了「2011年國家複審委十大案件」和「2014年廣州市知識產權十大案件」。

2013年底，京信在行業內率先推出「同等性能指標下，尺寸最小、質量最小的新一代1710 MHz～2170 MHz小型化高品質4G基站天線」。經中國電子學會鑒定：「項目成果打破本行業國外的專利壁壘和技術壟斷，填補了多項國內外技術空白，得到了廣泛應用。總體達到國際先進水平，在基站天線的輻射單元、移相器和傳動機構三方面達到國際領先水平」。2015年底，京信再次推出新一代1710 MHz～2690 MHz超寬頻小型化高品質4G天線。以上兩類小型化系列產品體積已降至常規設計的50%以下。

小型化寬頻帶多系統共用電調天線解決了多項工程難題，顯著改善了通信網路質量和用戶感知，減少了網路天線體積和數量，明顯提升了電信基礎設施共建共享水平，助力國家戰略落地。中國鐵塔公司的報告顯示，近兩年來，81%的通信基礎設施新需求通過站址共享得到滿足，累計站址共享率由13.1%提升到30.8%，少建鐵塔45萬座，節約土地超2萬畝。預計至2020年新建站共享率將達87%。相對國際巨頭壟斷時期，天饋系統的建設和運營成本下降至原來的十分之一，社會和經濟效益顯著。

2、基站天線在小型化的基礎上向人性化、智能化和可感知方向發展

基站天線電調系統歷經多年發展，時至今日，嵌入式電調系統已成為主流趨勢。基站天線電調系統配套天線可感知系統的使用，更符合客戶的主張和需求，貼近技術發展趨勢。觀其技術演變軌跡，基站天線將向人性化、智能化、小型化和可感知方向發展，如圖2所示。

圖2 基站天線電調系統發展圖示

（1）多系統嵌入式電調天線以不可逆轉的方式成為行業發展的趨勢

基站天線發展歷經了非電調天線、非標準電調天線、AISG（Antenna Interface Standards Group，天線介面標準組織）標準電調天線幾個階段。非電調天線的機械下傾角調整方式效率低，方向圖會由鴨梨形變為紡錘形，導致網路覆蓋效果差、系統內干擾增大；非標準式電調天線通過電子下傾角提高了調整的便捷性，方向圖形變小，但沒有實現統一網管，效率較低；AISG標準的制定使天線電調系統主從設備的介面趨於統一，推動了電調天線統一網管的進程，提高了系統效率。

AISG標準電調天線的電調單元歷經了外置式、內置式、多系統嵌入式3個階段。RCU（Remote Control Unit，外置式電調單元）與天線相對獨立，便於裝卸和維護，但需安裝、配置、校準等，工序繁瑣，容易出錯；ICU（Internal Control Unit，內置式電調單元）與天線是一體化設計，無需安裝、配置、校準等，工序簡單，但ICU不能拆卸，難於維護；多系統IRCU（Internal Remote Control Unit，嵌入式電調單元）與天線也是一體化設計，使用工序簡單且可拆卸，同時具有便捷性和可維護性。

嵌入式電調天線系統面向客戶需求，解決了維護難、操作繁瑣兩大難題，成為行業的發展趨勢，多系統嵌入式電調天線系統的優勢有以下幾點：

工程安裝便捷，施工人員只需要使用一條AISG電纜將多系統嵌入式電調天線與基站連接；

工程記錄簡潔，施工人員只需要記錄多系統嵌入式電調天線所在的扇區；

網管操作簡單，後台網管只需將扇區信息匹配到基站，無需配置，無需校準；

維護更換方便；

系統體積小，響應多系統天線小型化的需要；

系統效率高、成本低，物美價廉。

然而目前仍有許多技術方面的問題需要完善：發展小型化和一個電機驅動多個系統的嵌入式電調單元，有效節約日益緊缺的天線端蓋資源和內部空間資源，從而響應多系統共用電調天線小型化發展的需求；降低嵌入式電調單元對系統交調的干擾，適應由於嵌入式電調單元與天線輻射單元、移相器、饋電網路之間銜接緊密而導致相互間干擾變大的情況；提升嵌入式電調單元動能利用率，有效節約成本、空間、能源，順應節能環保的社會主流。

（2）可感知天線系統很可能是4G時代移動通信天線最後一個技術熱點

一直以來，對在網天線的實時監控和有效管理都是全球運營商所面臨的難題，特別是在站址分散、天線數量龐大、多個運營商多個系統共用桿塔或天線資源的今天，完全依賴人工不但會耗費大量資源，而且網優響應速度慢、效率低，直接影響了運營商網路的品牌形象。為此，京信通信通過技術創新率先在2014年推出可感知天線解決方案，多次得到中央電視台等媒體的關注和報道。

可感知天線系統的客戶需求有以下幾點：

自帶完整的身份信息，無需後期輸入，可直接通過統一網管進行查閱；

自動感知天線的工程參數，包含天線方位角、機械下傾角、海拔高度和經緯度等，通過統一網管可進行實時監控和告警；

存儲網優的歷史調整記錄，方便後續網路優化時參考；

與天線一同進行一體化、小型化設計，成本低，安裝和校準簡單便捷，能為客戶帶來高性價比和便捷性的雙重價值；

經過進一步技術研發後具備水平及垂直傾角二維遠程調節功能，方便運營商快速進行遠程網優調整和後台數據智能管理，實現天線智能運維。

按照上述要求，天線可感知系統需要實現對天線方位角、機械下傾角、海拔高度、經緯度等參數的實時測量和記錄。其中海拔高度、經緯度可採用北斗衛星或GPS進行測量，海拔高度的測量精度一般是5 m～10 m，經緯度的測量精度一般是5 m。機械下傾角可採用重力加速度計進行測量，測量精度約0.5度，可用於監測天線姿態。天線方位角的測量比較複雜，幾種可能的實現方式分述如下：

雙GPS方案：可進行絕對方位角的高精度測量，測量時間約2 min，實時性尚可。但當兩個GPS接收機之間的距離縮小時，測量誤差快速增大，比如當雙GPS設備長度小於200 mm時，測量誤差大於5o，雖然可通過多次測量來提高精度，但實時性明顯變差。如果在射線方向存在遮擋，其測量精度會大大降低。此外，該方案的設備成本較高。

和差波束方案：可進行絕對方位角的較高精度測量，設備成本比雙GPS低。缺點是測量時間過長，實時性不滿足要求。如果要求設備小型化，差波束的斜率明顯下降，射線方向存在遮擋時測量精度同樣降低。

電子羅盤方案：因受工程現場複雜磁環境的影響，不能測量絕對方位角，但相對方位角的測量精度很高。大約需要10 s的測量時間，在3種方案中實時性最好；設備可以做到不超過雙頻天線的截面積，滿足一體化設計的小型化要求；成本也比較低。但有兩點缺點，其一是不能測量絕對方位角；其二，抗近距離磁環境的干擾能力差，在其設備100 mm範圍內不能有磁性物質。為解決絕對方位角的測量問題，可以採用電子羅盤和重力加速度計作為可感知技術的基本方案與天線進行一體化設計，再配合雙GPS工具做一次性校準，具體實現過程如圖3所示。

圖3 可感知天線技術方案實現示意圖

因此，天線方位角測量的綜合方案為：通過雙GPS工具測量絕對方位角，對海拔高度、經緯度進行工程測量和記錄。通過電子羅盤實時監測天線相對方位角，配合雙GPS工具測量的方向角絕對值進行校準，即可得到實時的絕對方位角。通過重力加速度計實時監測天線的機械下傾角，從而完成天線工程參數的自感知任務。5G微信公眾平台（ID：angmobile）了解到，本文作者進一步指出，目前，該可感知天線技術方案已在國內12個省份完成試點，有效節省了網優人工成本，提升了優化效率，實現了天線信息的智能管理及維護。上述3種方案各有優缺點，均不能完全滿足預設的客戶需求，還需要天線廠家通過對可感知技術進行不斷研究，從而找到性價比更高、更快捷的測量方案。目前，有關該可感知技術的提案已被國際AISG組織採納，將成為AISG3.0標準的內容之一。可以預見，可感知天線系統將成為後4G時代移動通信天線的技術熱點。

3、Massive MIMO天線是5G的關鍵技術之一

在介紹Massive MIMO天線之前，先分析一下5G網路主要應用場景及關鍵技術。5G網路的應用可歸為連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠4個主要應用場景。

連續廣域覆蓋和熱點高容量場景主要滿足2020年及未來的移動互聯網業務需求，也是傳統的4G主要應用場景。低功耗大連接和低時延高可靠場景主要面向物聯網業務，是5G新拓展的應用場景，重點用於改善傳統移動通信無法很好支持物聯網及垂直行業應用的情況。5G主要場景與關鍵性能挑戰如表1所示：

表1 5G主要場景與關鍵性能挑戰

在連續廣域覆蓋場景，受限於站址和頻譜資源，為了滿足100 Mbps用戶體驗速率的需求，除了需要儘可能多的低頻段資源外，還要大幅提升系統頻譜效率。Massive MIMO天線是其中最主要的關鍵技術之一，新型多址技術可與Massive MIMO天線相結合，進一步提升系統頻譜效率和多用戶接入能力。在網路架構方面，綜合多種無線接入能力以及集中的網路資源協同與QoS控制技術，可為用戶提供穩定的體驗速率。

在熱點高容量場景，極高的用戶體驗速率和極高的流量密度是該場景面臨的主要挑戰。超密集組網能夠更有效地復用頻率資源，極大提升單位面積內的頻率復用效率。全頻譜接入能夠充分利用低頻和高頻的頻率資源，實現更高的傳輸速率。Massive MIMO天線、新型多址等技術與前兩種技術相結合，可實現頻譜效率的進一步提升。

低功耗大連接場景和低時延高可靠場景的關鍵技術與Massive MIMO天線關係不大，此處省略不提。

根據通信原理：「在頻譜利用率不變的情況下，載波帶寬翻倍則數據傳輸速率也翻倍」，「無線通信的最大信號帶寬大約是載波頻率的5%」。因此載波頻率越高，可實現的信號帶寬也越大，數據傳輸速率就越高。比如毫米波28 GHz頻段的可用頻譜帶寬可達1 GHz；而60 GHz頻段每個信道的可用信號帶寬可達2 GHz。然而，毫米波頻段在空氣中衰減較大，且繞射能力較弱，信號不能穿牆。在戶外開闊地帶仍需要使用較傳統的6 GHz以下頻段以保證信號覆蓋率，而在室內則使用微基站加上毫米波技術，可實現超高速數據傳輸。事實上，毫米波在空氣中傳輸衰減大這個特點也可以被利用，比如由於迅速衰減，毫米波信號對其他手機干擾比較小，所以毫米波系統的設計不用特別考慮如何處理干擾信號，只要終端之間不要靠得太近就可以了。毫米波的另一個特點就是天線的物理尺寸比較小，相對於6 GHz以下頻段，相同功能的天線面積能夠縮小至過去的幾十分之一乃至百分之一。因此可以方便地在室內基站側配備毫米波Massive MIMO天線，在移動設備上配備毫米波高階MIMO天線，從而進一步改善通信質量。

Massive MIMO天線可根據用戶的特點自適應切換其功能，當用戶需要高速率時，天線就切換復用功能；當用戶需要高容量或用戶與基站的距離遠時，天線切換波束成形（Beamforming）功能；當用戶對數傳質量要求高時，天線就切換分集功能等，這些功能也是可以組合的。總之，Massive MIMO天線可以在現有資源下，即不增加頻譜資源，也不增加發射天線功率，自適應地通過多發多收技術和波束成形技術，充分利用空間資源，成倍提高系統信道容量和改善通信質量。當然，毫米波在空氣中衰減非常大這一特點也註定了毫米波技術不太適合被使用在室外手機終端和基站距離很遠的場合。5G微信公眾平台（ID：angmobile）了解到，本文作者進一步指出，各大廠商對5G頻譜使用的規劃是在戶外開闊地帶使用較傳統的6 GHz以下頻段以保證信號覆蓋率，而在室內則使用微型基站加上毫米波技術實現超高速數據傳輸。因此，毫米波必配合微型基站（或接入點）的使用示意圖如圖4所示：

圖4 毫米波必配合微型基站（或接入點）使用示意圖

用於宏基站的Massive MIMO天線採用大規模組陣技術，通常使用超過64個埠的天線陣列，並與射頻收發模塊直接相連，在系統應用時，可以使用全陣單元或局部個別單元進行波束合成，實現高自由度的3D波束。使用局部陣列的Massive MIMO天線及其掃描波束如圖5所示：

圖5 使用局部陣列的Massive MIMO天線及其掃描波束

綜上所述，一方面6 GHz以下頻段的Massive MIMO天線服務於5G宏基站，用於連續廣覆蓋場景，以保證用戶的移動性和業務連續性為目標，為用戶提供無縫的高速業務體驗。另一方面毫米波頻段Massive MIMO天線服務於微基站，用於5G熱點高容量區域，為用戶提供極高的數據傳輸速率，滿足網路極高的流量密度需求。

4、中國移動通信天線產業全球化戰略的挑戰

要實現中國移動通信天線產業走出國門，走向國際市場的全球化戰略，中國天線廠家面臨很多挑戰，主要有以下幾個方面：

（1）缺乏布局全球化專利的策略

中國天線產業發展時間短，在自主知識產權積累方面遠落後於歐美，發明專利佔比小，國外專利數量更少，缺少全球範圍內的有效布局，已在不同程度影響到了中國天線全球化市場的擴張進程。

（2）產品質量形象仍需持續提升

中國部分天線廠家質量保障意識不足，仍寄希望於通過低價贏得市場。只有少數大廠家實現了較高水平的自動化生產，多數天線廠家採用勞動密集型生產方式，很難保證批量生產的產品質量的長期穩定性和可靠性，影響了中國天線廠家在全球市場的整體質量形象。

（3）技術創新度不夠，多數廠家仍是追隨者

中國多數天線廠家只著眼於當前的產品技術指標達成，對新技術新產品的布局和開發重視程度不夠，研發資源投入少，導致中國天線在新技術新產品方面落後於國外廠家，缺少技術話語權，制約了中國天線產業的可持續發展。

（4）品牌認同度不高

當前中國天線在全球市場雖獲得了較高的市場佔比，但在銷售收入和盈利能力方面與國外天線廠家仍有較大差距。

5、結束語

本文綜述了中國移動通信天線產業的歷史和現狀，通過對應用需求的深層剖析以及對技術發展的研究，探討並預測了天線技術的演進方向，指出小型化和寬頻化、一體化和有源化、智能化和可感知是技術發展和產業應用的重點，大規模陣列有源天線和毫米波天線技術將成為5G的關鍵技術。

我國已成為移動通信天線產出大國，未來，國內的天線廠家需要加大研發投入，在移動通信天線的相關技術發展方向持續創新，提升專利數量和質量，佔領技術高地，成為行業技術和國際標準的領導者。政府和產業需要對天線品牌和天線質量的各個關鍵環節予以合理引導，其中包括天線標準、天線測量、天線製造和天線招標的價值取向等。實現移動通信天線由中國製造到中國創造和中國品牌的飛躍，使中國早日成為移動通信天線強國。

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