大唐移动孙华荣：大规模天线阵的实现和商用还将面临诸多挑战

2017-10-30 10:29

当前我国已建成全球最大的移动通信网络，而在4G向5G过渡以及5G时代中，天线的质量保障和技术提升显得越发重要，尤其是在频谱资源日益匮乏的情况下，天线的创新将开启无线频谱资源利用的新天地，为未来5G eMBB、mMTC、uRLLC等场景的实现提供基本前提。

大唐移动射频专家孙华荣认为，大规模天线阵（Massive MIMO）的运用是保障移动通信网络高速率的重要手段，其可实现3D多波束赋形，高达16-24流多流数据，能够大大提高频谱效率，提升用户传输速率。所以大规模天线阵是5G最大的一个研究方向。但孙华荣同时也指出，大规模天线阵的商用和实现技术还将面临大量的挑战。

首先在工程安装方面，大规模天线阵的体积、迎风面积、重量、对光模块的要求等问题都需要实现突破。

回想3G时代，智能天线由 “一个大门板（天线）、一个瘤子（射频功率放大器TPA）和一个辫子（两组射频线路）”组成，后来采用了双极化天线阵，降低了天线宽带，射频拉远（RRU）初步解决瘤子和辫子问题，智能天线才得到实际运用。

对于大规模天线阵，目前业内主流的观点为128个天线阵元、64个射频通道，每个射频通道驱动垂直两个阵元。天线阵为8*8双极化天线阵子排布，水平天线阵子间距为0.5λ，垂直间距0.5-0.75λ。由于有64个射频通道，加上一个校准通道共有65个射频连接接口。天线阵与有源射频拉远单元（RRU）如果相互独立，将会有一大把的射频连接线缆，商用工程安装将面临重大挑战。

现在RRU与天线的线缆增加到65根，工程施工将更为复杂，因此天线阵和射频拉远单元一体化形成有源天线单元（AAU）将是必然选择。但由于AAU包含一个128阵元的天线阵和64通道的射频单元，体积将会较大，AAU设备的迎风面积也会变大，这些因素都会影响到实际的商用部署。

其次，降低AAU的重量是其商用必须要解决的问题，因为这将直接影响到安装支架的能力和安装的方便性。

另外，大规模天线阵（AAU）需要多达64个的射频通道，每个通道需要支持的带宽达到100MHz。这样AAU与BBU之间的基带IQ数据将是海量的，是4G时代的好几倍。按照100MHz带宽数据采样率为122.88MSPS，数据位宽为16bit计算，64通道的基带IQ数据率将为：122.88M*2*16*64=251658.24M，超过250Gbps的数据速率；再加上传输信道编码将接近300Gbps。如果用10G的光纤传输，需要20多根。这对于光模块和光纤数量都是不可接受的，这也将是大规模天线阵面临的第三个挑战。

而解决这一问题可以多措并举：一方面压缩IQ数据，降低传输带宽的要求；同时还可将部分基带处理上移到AAU，降低传输带宽的要求；另一方面则可提高光纤传输速率，如提高到25G或100G，但这样无论是在成本还是技术方面都将会对光模块带来巨大的压力。

除了上述所提到的工程安装问题，大规模天线在实现技术方面也存在诸多挑战。

首先是散热问题，这是AAU能否实现商用化的最大挑战。由于AAU是室外设备，需要全天候工作，需要满足室外环境工作的要求。室外设备要求的工作温度为-40度到55度。由于AAU的通道数很多，高达64个射频通道，这是以往设备的8倍以上。在设备中除了功放和模拟收发信机外，还需要大量进行数字中频处理的FPGA，通道基础功耗将会随之大量增加，整机效率比传统的RRU效率低很多，整机功耗也会大很多。但是前面讲到AAU的重量和体积又必须尽量小，才能满足实际商业工程安装的条件。这样就造成整机热流密度大幅提升，提高单位体积的散热能力是关键。同时FPGA单片功耗大，耐高温能力差，是散热的最大瓶颈。解决单点高热耗散热问题就成为重中之重。解决AAU的散热问题除了在结构设计提高散热效率外，提高整机效率是另一个重要方向。

同时，为了解决整机小型化，器件的高集成度和器件的小型化是重点。只有提高集成度，才能在一个芯片内完成多个器件的功能，从而降低体积。器件的小型化可以使单个器件的体积降低。在AAU中输出滤波器小型化是一个重点。在RRU中为了滤除带外杂散，满足基站共存共址杂散要求和阻塞要求，在RRU输出端必须有一个模拟滤波器，该模拟滤波器的要求很高。传统基站输出滤波都是采用腔体滤波器，腔体滤波器的体积很大。在大规模天线阵中射频通道很多，增加到了64个，天线滤波器也就增加到64个，如果还采用腔体滤波器，则会使体积变得很庞大。因此，天线滤波器的小型化会是AAU重点攻克的方向。当然，除了天线滤波器的小型化，其它器件的小型化也是很重要的。

除了上面分析的两个重要的技术挑战外，AAU的架构设计、模块间连接、高速互连、高速走线、大带宽处理，功耗、效率，生产安装，生产工艺也都需要不断创新调整。只有把这些挑战一一解决，才能真正实现大规模天线阵的商用化。

天线是支撑移动通信系统的关键要素，推动大规模天线阵技术的革新、加速商用将会直接影响到5G的系统能力，相信大唐移动会凭借在天线领域的领先技术实力，不断攻克难关，助力5G加速商用。