浅析移动通信发展与天线技术的创新

2017-07-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

1、移动通信系统的发展综述

1.1、全球移动通信行业发展情况及趋势洞察

随着移动互联网的持续发展以及物联网的高速增长,移动宽带技术不断向前演进。移动宽带技术的发展刺激了MBB流量的激增。2014年上半年,全球移动用户连接数将达到70亿,覆盖全球96%以上的人口,其中3G和4G移动用户连接数之和也将达到24亿,占据全球总量的三分之一以上。这些数据表明MBB业务正在快速增长。

MBB蓬勃发展,“连接无处不在”成为移动互联网发展的趋势。这一趋势表明,未来5年(到2018年)无线网络将发生深刻变化,MBB业务将转型为以服务和价值为中心,关注网络TVO(Total Value of Ownership总体拥有价值),构建面向用户体验、随时随地xMbps、协同高效的优质MBB网络。

• MBB业务正转型为以服务和价值为中心,以用户体验为目标

在移动互联网时代,移动服务正逐步从传统的语音和短信业务向数据管道和容量服务演进。语音、短信业务受到OTT业务(Over The Top运营在互联网“之上”的业务)的强烈冲击和侵蚀,导致运营商整体收入不断下降,运营商需要拓展新业务。而新领域如企业网的业务复杂性要求多方合作,从而催生出运营商网络能力开放的需求,即运营商将部分网络能力以服务的方式提供给第三方,由第三方调用这些服务生成新的应用,形成差异化优势,最终服务于企业、行业或终端用户等。

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图1 MBB业务演进过程

为了更快、更高效地支撑B2B(Business-to-business业务到业务)、B2B2C(business to business to consumer商家对商家对客户)业务上线,以及更加灵活、弹性地提供各种应用和开放的服务,构建以面向用户体验的MBB网络尤为重要。

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图2 调查表明用户体验有利于提升用户忠诚度

• 移动网络服务以“语音”为中心到“数据”为中心的转变

移动互联网的飞速发展,促使移动网络系统产业链从语音为中心面向数据为中心的转变,极大冲击传统的固有理念。正在推动整个产业链包括从运营商到设备商,从核心网络到天馈末端,从内容到终端等在内的各个环节的转变。新一代的移动网络将提供更加丰富,包括语音,数据,视频,各种多媒体,各种综合类型的服务。移动网络中数据流量已经远远超过语音流量,未来语音也会基于数据基础上提供服务。语音将只是数据业务中非常小的一种业务形态,整个移动网络将是一个真正的数据网络。

• 移动组网从围绕“覆盖”到“覆盖”+“容量”并重

在网络方面,运营商及其基础设施供应商已经开始意识到,在过去20年里用于提供语音通话服务的传统移动通讯网络虽然覆盖面广大,但无法满足以数据为中心的未来需求。移动网络的组网从当初重点关注覆盖,到同时重视网络数据业务容量转变。

• 容量提升,随时随地xMbps是MBB提供创新服务的基础

MBB业务以服务为中心的转型以及优质的用户体验,需要建立在MBB随时随地xMbps基础上,现阶段高端移动用户向LTE的快速迁移证明了这一点。预计未来5年将有25亿用户迁移到MBB网络(如下图所示),移动宽带容量提升将是运营商网络部署的重点。

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图3 预计未来5年将有25亿用户迁移到MBB网络,来源:Informa

• 协同高效是MBB网络发展的基本诉求

未来网络发展重点关注网络TVO、可扩展性以及开放性:一方面虚拟化网络设备,实现软硬件解耦以及资源灵活分配,从而快速应对市场变化、提升商业敏捷性;另一方面按需定义网络,实现虚拟化网络业务和功能,运营商与承载在移动网络上的业务创新者、最终消费者形成开放、多赢的移动网络生态环境。但移动通信经过数十年快速发展,很多运营商同时运营多个无线接入系统,且多系统并存将是一个长期的过程,要满足未来网络“TVO、可扩展性和开放性”应用要求,多网协同、高效部署成为构建MBB网络的基本诉求。

• 协同高效是MBB网络发展的基本诉求

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图4 未来MBB网络关注的焦点

1.2、中国移动通信行业发展情况及特点

中国移动通信行业在过去的十年中有着日新月异的发展,大规模的用户群增长奠定网络快速发展的基础,运营商资费的降价及刺激需求引起了各方最终用户的激增。2008年3G牌照发放,中国正式进入了移动互联网时代,传统互联网公司也瞄准了移动互联网市场,微信、微博等服务广泛应用,网络手游的用户不断增长,各种互联网应用也陆续提供了手机客户端版本,传统通信产业价值从管道向内容、从通信网向互联网、从话音服务向信息服务转移。

未来,移动大数据流量需求仍将不断增长,随时随地xMbps成为终端用户的普遍需求。2013年中国移动互联网流量达到129万TB,比2009年的11.5万TB增加了10倍,预计未来几年,国内移动数据流量仍将成倍增长。为满足日益增长的移动业务需求,国内运营商也加快了LTE建设步伐。TDD LTE牌照已于2013年底发放给三大运营商,所有主流厂商的产品都具备TDD LTE商用能力,世界上各大品牌手机厂商都积极推出支持TDD LTE的智能终端,整个TDD产业发展势头良好。当然,伴随着数据流量爆炸式的增长,如何做好流量经营,在满足用户需求与控制网络建设运营成本之间保持良好的平衡,是国内运营商需要直面的挑战。

在以数据业务为代表快速发展的移动互联网时代,能否以用户为中心提升客户体验成为运营商争夺与维系用户的竞争焦点,多网协同、提升用户体验更是运营商的核心竞争力。中国三大运商都有多个无线接入系统,中国移动包括GSM、TD-SCDMA和TDD LTE,中国联通包括GSM、UMTS、LTE TDD和LTE FDD,中国电信包括CDMA、LTE TDD和LTE FDD,多个无线接入系统之间网络协同的质量直接影响业务使用体验和用户满意度,因此建立面向用户体验的评价指标,发现更多潜在问题,从而不断提升用户使用体验,也是国内运营商网络建设的目标。

而随着无线频谱资源的日趋稀缺,最大化利用频谱资源成了MBB网络建设的关键要素。根据目前的频谱划分,中国移动主要采用TDD LTE建网,而联通和电信均将采用LTE TDD/FDD混合组网方式。通过FDD LTE与TDD LTE的融合发展,实现了频率等各种资源的高效利用。

针对不同的网络现状和未来目标网络,三大运营商的网络建设也各有特点:

• 中国移动:快速建网,兼顾容量提升

中国移动网络的数据业务流量已经快速超越语音业务,保持着近150%的年度复合增长率。预计未来几年内,随着智能手机、平板电脑等智能终端的快速普及,以及移动互联网业务应用的急速发展,数据业务将继续呈现指数级增长态势,数据业务流量消耗的网络资源将会是语音业务的几十倍甚至上百倍。面对这一数字洪流给无线网络带来的巨大冲击,扭转3G劣势,快速建设高带宽、高效率、低成本的无线网络成为中国移动的迫切诉求。

2013年,中国移动在100个以上城市启动了TD-LTE网络建设,北京、杭州、广州和深圳等城市已经开始试商用,预计2014年底将完成50万个基站的部署,并在全国344个城市实现商用,届时该TDD LTE网络将是全球最大的TDD LTE网络。

为实现短期快速建网的目标,现阶段中国移动主要采用了F频段升级至TDD LTE的方式部署LTE网络。TD-SCDMA网络性能以及覆盖水平已日臻成熟,且站址资源丰富,在此基础上,中国移动以F频段为主部署TDD LTE,省去了站址资源获取等一系列初期网络建设难题。然而,从长远来看,D频段频谱资源丰富,TDD LTE产业链更为成熟,而且TDD LTE想成为国际主流LTE制式,需要中国这样的大国起到示范作用,所以中移动在D频段部署TDD LTE也是势在必行。

灵活地应用D频段和F频段进行网络部署,分阶段、按不同侧重点来进行网络规划,是中国移动部署优质LTE网络的关键策略。

• 中国联通:多网协同,面向用户体验

目前,中国联通的3G网络在国内占据着优势,其HSPA+网络的速率已经能达到42Mbps,能提供良好的用户体验。为实现长远的发展,中国联通在做大做厚3G网络的同时,也在追赶中国移动和电信LTE部署的步伐。目前,联通已在全国25个城市率先开展4G网络服务,预计年底开通4G服务的城市将达到300个。

中国联通目前有GSM900M(954M-960M)、GSM1800M(1840M-1850M)、WCDMA2100M(2130M-2145M),以及TDD LTE(2555M-2575M),未来还将部署FDD LTE,面临着多网协同运营、提升用户体验的挑战。可以预期的是,3G作为基础数据网络,覆盖的广度和容量的深度仍然是联通未来两年的竞争优势,4G定位为提供优质数据服务的网络,FDD LTE覆盖城市和密集城区,TDD LTE深度覆盖热点区域,满足高速业务数据需求,为用户提供更优质的体验。

中国联通利用3G和4G网络的融合竞争优势,为用户提供良好、无缝的业务体验。

• 中国电信:聚焦广覆盖和深度覆盖,提升用户体验

对中国电信来说,3G时代CDMA网覆盖优势比较明显,CDMA 800MHz链路损耗小,以更少的站址获得更好的用户体验,但4G时代LTE部署在1.8G/2.1G/2.6高频段,中国电信首先要解决的是网络广覆盖和深度覆盖问题。

基于可商用网络的目标,LTE覆盖率至少要达到98%,在与C网1:1建站后,由于站间距较大,覆盖存在大量空洞,站点补盲是LTE网络建设需要解决的问题。针对室外、室内和高铁等不同场景,中国电信引入多种宏站、小站建网形态,降低站址获取难度,解决广覆盖问题。而针对深度覆盖,电信则采用了TDD LTE/FDD LTE混合组网方式,FDD无缝覆盖消除盲区,TDD吸收热点区域多余的话务量,同时引入CloudBB云协同、eMBMS等解决方案,覆盖做深,容量做厚。

另外,中国电信包括CDMA 1X/EV-DO、TDD LTE和FDD LTE多个无线接入系统,做好多网协同,提升峰值速率和边缘速率,规模商用VoLTE,从而实现面向感知建网、用户体验提升也将是中国电信网络建设与发展的要求与目标。

1.3、移动通信行业发展总结

构建面向用户体验、随时随地xMbps、协同高效的优质MBB网络是国内外运营商共同的目标,“连接无处不在”的MBB网络发展趋势将引领移动网络发生深刻变化:

• 无线网络空口资源融合

无线网络空口资源融合,实现不同业务共享空口资源,提升整体空口效率。运营商一张网提供差异化服务满足各种不同业务需求,减少重复建网成本和新站点租赁,同时支持运营商拓展新的销售模式,向企业、行业业务渗透。

• 无线网络设备虚拟化和按需定义网络

采用通用硬件和虚拟机技术,提供高性能硬件处理能力和云管理技术,为运营商提供灵活、智能、可扩展的自动化无线网络。与此同时,虚拟化网络功能,支持运营商面向不同的OTT业务进行灵活部署,使网络发挥更大的价值。

• Licensed与Unlicensed频谱资源融合协同

Unlicensed频谱丰富,近1GHz频谱资源可获取, 其中5GHz频段在2017年有望超过500MHz频谱发放。通过零散频谱聚合、宽频以及网络协同技术,实现Licensed+Unlicensed频谱融合,提升运营商网络的客户体验。

• 空口控制、承载分离及协同技术支撑用户无边界体验

站点的增加是提升无线网络容量的重要手段,为了满足2018年20倍以上无线流量的增加,小站及AAU等射频拉远模块将密集部署在各个热点区域。站点密集部署,无线小区半径越来越小,将导致小区间干扰增加、小区边缘容量下降,同时还带来移动性指标恶化,降低用户感受。无边界用户体验目标将促进空口控制和承载分离、协同技术的快速发展。

• 网络运维自动化,应对海量小站和海量数据带来的运维复杂化

移动通信经过数十年快速发展,很多运营商同时运营GSM/CDMA/UMTS/LTE等多个无线网络,多频谱、多制式混合组网将是一个长期的过程;另一方面,空口数据量的不断增长和海量小站的应用,导致网络规模越来越来庞大、网络运维异常复杂。因此,网络运维自动化是未来MBB网络发展的要求之一。

• 能量精准投放构建绿色节能网络

当前的能量投放是粗放式的,基站用户信号从基站天线输出到终端天线接收,99.9%以上的能量在空间损耗了。为了降低无线信号在空间的传播损耗,未来的无线网络将是一个信号能量精准投放的绿色网络,波束成形、高阶MIMO等技术将得到广泛应用。

2、移动通信行业发展对基站天线产业的影响

2.1、移动通信技术发展对基站天线发展的影响

移动通信技术的飞速发展,MBB网络结构的变化,引领基站天线技术也不断革新,主要表现在以下几个方面:

• 频谱资源多样化,站点资源不足,多频超宽频应用势不可挡

MBB网络演进推动运营商部署多频段、多制式并存的无线接入网络,无线接入设备要求能够支持多频多制式应用以及演进,多频天线应用毋庸置疑。在天线建设中,天线本身成本仅占到1/3,更多成本在于安装、物业协调以及抱杆、土建、楼面租金,部署多频天线可以避免天线重复安装和铁塔改造,减少楼顶租金和天线后续维护费用。以中国移动为例,既有GSM的900MHz、1800MHz,也有TD-SCDMA的2010MHz~2025MHz 的A频段,还有TDD LTE中使用的1880MHz~1900MHz的F频段和2600MHz的D频段,如果采用单频天线,一个站点需要部署多面天线,增加建站成本的同时,也有可能因天面空间不足导致建站困难,而多频天线则能很好的解决这些问题。

同样,随着软件定义网络、超宽频射频模块、零散载波聚合等技术的发展,天线超宽频技术也不断向前发展。

选择多频超宽频天线,提前具备未来演进能力,对于运营商来说,可以提前进行站点资源的储备,节省二次部署的成本,避免新增网络的优化对已有网络产生影响,加快LTE商用部署。以可应用于中国电信的四频天线(790-960/1710-2690/1710-2170/2490-2690MHz)为例,支持CDMA800M/FDD LTE1.8G/TDD LTE2.6G同时部署,还具备未来支持FDD LTE2.1G的能力。

• 容量需求与日剧增,天线向MIMO化、有源化和智能化发展

随着MBB时代网络性能关键点由满足语音覆盖演变为满足高容量数据需求,天线关注点由覆盖向容量转移,聚焦整网性能,天线厂家需要围绕整网性能设计天线,提升整体信噪比(SINR)、降低小区间干扰。

MIMO (Multi-input Multi-output, 多入多出技术)是提升系统容量的重要方式,随着MIMO在MBB网络中被广泛采用,天线支持MIMO是网络发展的基本要求。

有源天线系统AAU(Active Antenna Unit)是继RFU、RRU之后衍生出的一种新的射频模块形态。RRU的功能上移,与天线的功能合并,最终通过射频多通道技术对天线垂直方向阵子阵列和水平方向阵子阵列进行控制,灵活的控制天线在垂直和水平方向的波束,通过不同波束赋形的方式可以达到改善无线信号的覆盖质量提升网络容量的目的。

如果天线更“智能”一点,当基站与某一用户通信时,天线就自动调节,把“能量束”直接瞄准该用户,一方面该用户获得的信号强度会比较高,另一方面不该被“打扰”的用户也不会被干扰,这样的结果显然是最为完美的,智能天线由此而产生。智能天线现在一般有两种技术方式:波束切换天线和自适应阵列天线。波束切换方式的天线,一般由多个窄波束天线够成,每个窄波束天线由于角度小,所以通常增益很大,覆盖距离较远,多在室外场景使用,比如TDD LTE系统的一些基站就部署了这种智能天线。自适应阵列天线由多个天线形成阵列,在工作时,通过不同天线的组合工作,形成不同的天线波瓣,实现多种方向、角度、增益都不相同的“虚拟天线”,以适应不同工作环境,不同用户的位置,以及避免不必要的干扰。

• 物业准入难,天线向不断降低部署难度方向发展

随着站点数大规模增加,站点资源越来越难获取,运营商对基站设备选址、简化施工安装提出了苛刻的要求。在满足网络性能、覆盖要求的情况下,天线的尺寸越小、重量越轻,则天线部署的难度越低,能有效避免视觉污染。

另外,普通市民对电磁辐射越来越敏感,在当前移动基站的建设过程中一个较为突出的问题在于站点或天线安装过程中受到业主的阻扰而导致站点无法实施,即便以前站点建设好了也容易被逼迁,但站点迁走后移动用户因为信号差又频频投诉,选址建站对运营商来说是一件很头疼的事情。在这种情况下,需要对基站天线进行必要的伪装,实现天馈系统和周围环境的协调统一,即采用美化天线。根据不同环境,天线可以做成美化树隐蔽在树丛中,也可将外罩表面处理成不同的颜色和纹理,比如仿瓷砖、广告、仿大理石纹理等等;对于有天线特殊要求的站点,还可以根据现场的实际情况,提供和现场融合度非常好的个性化解决方案。美化天线降低了市民对移动通信基站建设、天线安装的心理抵触情绪,从而降低天线部署的难度。

• 网络维护日益复杂,对天线的可维护性提出要求

网络规模越来越来庞大、网络运维异常复杂,SON(Self-organizing Network,自组织网络)解决方案的引入以及综合网络运维成本降低的要求,使得天线远程维护成为MBB网络的必然选择。天线远程维护包括远程电调、智能权值管理等特性。

远程电调天线可以通过在网管中心远程操作来控制远程电调单元(RCU)工作,从而调整天线的波束下倾角。传统远程电调天线由于安装困难、维护效率低、可靠性差等问题,逐渐向即插即用电调天线演进。即插即用电调,即通过将电调元件内置,尽可能减少远程电调所需的外置电调元件和线缆数量安装,同时免天线校准、免配置数据加载,从而提高天线安装和运维效率,提升可靠性,降低运营商运维成本。

TDD LTE天线权值设置需要人工现场配置,效率低,工作量大,且难以保证权值配置的准确性,实现权值智能管理成为运营商的诉求。权值智能管理是将天线的权值信息存储在天线内部,站点开通后基站设备自动从天线读取权值、配置权值,实现天线权值的自动管理。

天线水平方向角远程调整、与基站协同自动检测覆盖空洞上报预警等特性,也是天线可维护性提升的研究课题。

2.2、基站天线的发展方向总结

移动运营商建网选址困难、公众对视觉污染和电磁污染的重视、MBB飞速发展催生基站的数量和密度、5G技术的探索……基站天线随着移动通信技术的蓬勃发展也不断向前发展:

• 多频化和宽带化

基站天线向多频化、超宽频演进,充分利用站点资源,简化站点安装、减少物业协调难度,减少综合投资。

• 轻薄化

天线向轻薄化发展,保证天线性能的同时增加频段不增加尺寸,从而降低物业准入难度,避免因风阻变大导致铁塔抱杆改造带来的成本投入,加速LTE网络部署。

• 美化

针对不同场景,对移动天线做不同的伪装,力求实现天馈系统和周围环境的协调统一,同时考虑伪装材料对天线的覆盖性能不造成大的影响。这样既可以满足网络建设的要求,又能与周围环境协调,达到两全其美的目的。

• MIMO化

随着移动通信技术的发展,支持高阶MIMO和灵活配置MIMO将是天线的基本特性。4x4 MIMO天线已经广泛应用,高阶MIMO天线技术也将随着未来MBB业务的发展而应用。另外,在天线一次部署到位的诉求下,考虑到未来网络演进,天线也需要支持不同的天线端口间灵活的MIMO配置。

• 有源化

采用收发分离和数字化有源天线AAU,可对波束进行实时控制,并适应更加灵活的无线资源管理,提高通信基站的性能,更有效的利用频谱资源,实现了提高流量,降低成本,节能减排的要求。

• 智能化

智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异,通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰,使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和扩展网络容量的需要。

智能天线与系统算法结合得非常紧密,而对于系统及天线的算法在某种程度上超出了传统的天线设计的范畴,是硬件与软件的交叉研究领域,这对于天线厂家来说将是一个很大的挑战。

• 远程可维护

远程电调是天线可维护性提升的前奏,天线水平方位角远程控制、RAE技术、与基站协同覆盖空洞检测预警等等各种各样的可维护特性将被研究、发展及应用,最终提升站点运维效率,降低运营商运维成本。

• 高质量与长期可靠性

面向数据,容量的高质量天线是整个无线网络性能的重要保障之一。2G时代,语音业务为主,语音属于低速率业务特点。语音业务在无线网络空口的编码调制方式,主流是具备良好纠错能力的低速率编码调制方式,如QPSK/BPSK。此类低速率调制方式具备良好的无线空口抗扰能力,因此对无线空口信道质量要求低一些。在4G时代,数据业务为主,无线空口QAM调制等成为提供高速业务的主流调制方式。此类调制方式对无线空口的信道质量有更高的要求,无线空口的信道质量对数据业务流量有巨大的影响。好的无线空口信道质量,与存在严重干扰的无线空口,数据业务流量差异N倍。同时,长期可靠的无线空口质量成为必须品。由此,在4G时代,天线类对无线空口质量有严重影响的设备,其高质量以及长期可靠性,有更高的要求。此类设备在网络中的地位相比以前时代更加重要。

• 迎接5G:3D-MIMO、波束智能赋型

5G技术重要的研究方向之一,基站天线技术将经历从无源到有源、从二维(2D)到三维(3D)、从高阶MIMO到大规模阵列的发展,有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高。未来,有源天线阵列引入,基站侧可支持的协作天线数量将达到128根; 2D天线阵列拓展成为3D天线阵列,形成新颖的3D-MIMO技术,支持多用户波束智能赋型,减少用户间干扰,结合高频段毫米波技术,将进一步改善无线信号覆盖性能。

更高的频段、3D-MIMO、波束智能赋型等5G元素将推动基站天线技术进一步的发展。

来源:天线系统产业联盟

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