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信息通信

多种技术推动天线向小型化、集成化发展

可以预计,天线的小型化、美观化和集成化将在未来的网络建设中起到越来越重要的作用。
基站天线是移动通信系统的重要组成部分,其特性直接影响整个无线网络的性能。由于基站数量巨大,基站天线的使用量就更大,目前我国移动通信基站数已经超过60万个。以每个基站3面天线计算,我国基站天线数量已超过180万套,使得很多地方基站天线林立,基站天线带来的视觉污染也越来越严重。另外,大量天线的室外应用使得基站天线的维护工作也日趋繁重。

趋向小型化和美观化

在天线的应用方面,站址资源的稀缺使得基站天线要适用于各种环境场所。人们对视觉和电磁污染程度越来越重视,使得目前基站天线的伪装和美化必不可少。人们对高质量、精细化的网络优化要求,也促生了多种基站天线新的应用方案。由于站址资源稀缺,多系统共站和多系统共天线的问题也急需解决。
在产业方面,随着移动通信产业的发展,基站天线也由网络建设初期的国外垄断发展到基本国产。伴随着竞争的不断激烈和技术的不断发展,目前基站天线的价格较网络建设初期下降了很多,基站天线产业形成了过度竞争的局面。
在技术方面,移动通信技术的迅猛发展给天线提出了越来越高的要求,基站天线的小型化、宽带、多频段、高效率已经成为当前国内外天线领域的重要研究课题。同时,天线设计及应用还要综合考虑传播、系统、工程和环境条件等方面的因素。
在系统的演进方面,随着系统的演进,作为系统的一部分,基站天线也随系统而演进。由于不同系统的差异,新的移动通信系统对天线性能提出了新的要求,这也带动了基站天线技术的发展。
TD-SCDMA(以下简称TD)系统作为由我国提出的第三代国际移动通信标准已经在我国得到大范围的应用。智能天线作为TD系统的一大特点,不但保证了系统的正常工作,也提升了整个系统的性能。智能天线的波束形成技术不是最新的技术,波束形成技术在雷达和声呐系统中已经有很多年的应用。TD的特性使得TD基站的辐射要低于普通移动通信系统,其辐射的电磁辐射流通密度更远低于国家电磁辐射限制值,完全符合环保标准,“绿色环保”也成为TD的一个亮点。
目前,TD室外基站普遍采用了智能天线技术,其天线尺寸要比之前普通的2G天线大两倍左右。根据调查,智能天线尺寸的增大加大了公众对辐射的担忧,TD基站天线也成为困扰基站建设的问题之一。当然,问题的出现必然带来新的解决方案,相关基站天线厂家在基站天线的小型化和美化方面做了大量工作,并且取得了一系列进展。可以预计,TD小型化基站天线和美观化天线将在未来的网络建设中起到越来越重要的作用。

多种技术确保小型化和集成化

就目前的天线技术发展状况来讲,天线的小型化、集成化可以由多种技术来实现,如双极化天线技术、介质天线技术、多天线技术、有源天线技术、新型的电磁材料天线技术以及等离子天线技术。

双极化天线技术

双极化天线技术是一种组合的天线技术,它利用电磁波垂直极化的非相干性和移动通信系统电波传输的多经特点,组合了+45°和-45°两副极化方向相互正交的天线,同时工作在收发双工模式下,其最突出的优点是节省单个定向基站的天线数量。
TD系统的双极化智能天线借鉴了2G双极化天线的经验,在结构上采用±45°正交极化单元代替普通智能天线的垂直极化单元。双极化智能天线解决了普通智能天线的横截面积大、天线体积大、优化难度大、影响城市景观等问题。目前TD双极化天线已经成为一些设备厂家在进行网络覆盖时的理想选择,并且已在实际工程中大规模应用。

一体化基站天线技术

移动网络的不断扩容,基站数量的不断增加使得运营商租用机房的面积也相应加大,加上近来房屋租赁价格的上涨,带来了运营商运维成本的增加。同时,为了更好地服务用户,运营商还在不断上马新系统,如GSM900增加GSM1800系统,上马3G系统,这些都会带来新增机房的问题。一体化基站系统将室内基站设备转移到室外,节省了室内部分空间,降低了成本,提高了网络建设速度。目前分布式基站(基带光纤)和数字光纤直放站都可成为一体化基站天线的使用设备供基站拉远系统使用,数字光纤直放站用作载波池拉远,RRU可用作基带池拉远。
新一代分布式基站由RRU和BBU组成。RRU完成对射频信号的滤波、信号放大和上下变频处理,采用数字中频技术实现了中频模拟信号到基带数字信号的转换处理。

介质天线技术

电磁波在不同的介质中传播特性不同,介质的存在也会影响电磁波的传播,介质天线就是利用了这些特性。介质天线采用低损耗高频介质作为填充材料,结合了适当的天线结构,其优点就是可以有效减小天线的几何尺寸,解决目前智能天线急需解决的问题。那么介质天线和智能天线结合是不是就可以产生几何尺寸较小的介质智能天线?答案是肯定的。
对于一般系统的基站天线,小尺寸的天线不仅可以降低机械承载,方便安装,还可以节省宝贵的天面资源,为多系统的天线共站提供更加便利的条件。

多天线(MIMO)技术

多天线(MIMO)技术是未来系统发展的趋势。天线属于通信系统的一部分,天线技术必须顺应系统演进和发展的趋势。在B3G和4G研究中,MIMO技术就是一项关键技术。MIMO技术可以提升无线通信系统的容量,有效改善无线通信系统的性能,能够很好地满足未来移动通信系统对高速率业务的要求。
MIMO技术在通信链路两端均可使用多天线,发送端将信源输出的串行码流转换成多路并行子码流,通过不同的发射天线元发送。接收方利用多径引起的多个接收天线上信号的不相关性,从混合信号中分离出各路子码流,提高频谱利用率和链路可靠性,带来分集增益和复用增益。
应该指出,使用多天线技术系统,已经不能简单地用传统的移动通信链路模型来模拟计算,有待于相关人员进行更深入的研究和探索,这将对系统的无线网络建设产生一定的影响。如果能将多天线技术应用于现有移动通信的无线系统,这将是一种突破,并对今后无线网络的布局产生一定的影响。
移动通信技术的进步推动了基站天线在网络中的应用,通过新技术、新方案的应用,移动通信系统将趋于完善,基站天线的发展也使整个系统更趋于完善。
(作者周双阳为中国联通陕西省分公司高级工程师,姜宁远为无线装备高级工程师,喻健勇为陕西天基通信科技有限责任公司高级工程师。)


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