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【摘要】3G时代，运营商普遍碰到的困难是：天面资源受限，从而影响网络质量，而在下一代LTE网络建设中，运营商天面资源更加受限，尤其是密集城区甚至会严重拖累网络建设进度和网络质量。2011年开始，天线设备厂家相继推出了有源天线产品，其支持多制式、各制式功率可调、垂直波束赋形、功率利用率高等特点能够帮助运营商解决天面问题，本文就有源天线的技术特点、应用及发展前景进行探讨。
【关键词】有源天线多制式融合式叠加式波束赋形MIMO
一、有源天线发展情况
近期国际上多家运营商和设备商提出了有源天线的概念，并针对自身的产品做了大量的宣传。
诺基亚西门子在2011年第1季度提出了AAS的概念，并于2012年第2季度推出成型产品。AAS将RRU基站设备进行模块化设计，同传统无源天线阵元连接为一体，实现单阵列双极化的有源天线系统。
阿尔卡特朗讯在2011年提出lightradio的概念，将单个宽频天线单元和多频段RRH集成在一起成为一个小型化的射频辐射单元，集成了双工器、射频、功放和天线，能够覆盖从700MHz到2.6GHz的所有频段。
在2012年的亚洲移动通信博览会，中兴通讯在业界首次推出LTE BeamHop整体解决方案。该解决方案产品包含无源和有源两个部分，无源部分可用于替换运营商原2G/3G站点天线，如网络需向LTE演进，则新增的LTE网络可以通过有源部分实现，并且LTE射频部分集成到天线内部，实现了在传统2G/3G网络上不用新增天面空间即可再叠加一张LTE网络，使得现有天线站址空间得到充分利用，减少了工程施工难度。该方案的高集成度提升了基站发射功率和接收机的灵敏度，可以较好的改善网络容量和覆盖。
二、有源天线的组成及特点
（1）有源天线组成
融合式有源天线将射频单元与天线单元融为一体，包括收发模块PA和天线阵元，其中，PA包含了A/D转换、射频、功放、带通滤波器等功能。每个融合单元可以独立控制功率、频率、相位，可以显著提高功率利用率和网络覆盖质量，具体组成如图1所示。
但融合式有源天线的设计复杂度非常高，技术实现非常困难，业界还没有研发出相应的产品，目前，成型的产品都是叠加式的有源天线，其组成如图2所示：
（2）有源天线基站与无源天线基站的功耗对比
采用有源天线可以大大节省设备功耗，提高系统的功率利用率，图3为某有源天线、RRU塔上拉远和室内机房RRU及宏站信源的功率对比：
在50%TX功率输出状态下，有源天线可以比宏站机房式节省近30%耗电。
（3）有源天线支持智能天线技术
有源天线可以支持TD系统的智能天线水平波束赋形技术，增加空分集增益。此外，更先进的有源天线除水平方向外，还能够支持智能天线垂直波束赋形技术，进一步增加了空间分集增益，加大了小区容量和覆盖范围。
（4）有源天线支持MIMO技术
有源天线可以利用同一阵列的不同极化方向或间距多个波长的不同阵列实现LTE的MIMO技术。
三、有源天线与无源天线的性能差异
（1）有源天线集成度高，损耗小
与BBU+RRU相比，有源天线将射频单元集成在天线中，节省了RRU的安装空间，大大降低了对天面资源的要求。而且高度集成的产品替换安装更容易，能够节省工时和人力成本。另外，有源天线射频单元与天线之间没有射频损耗，各系统间没有合路器损耗，大大提升了机顶输出功率的利用率和上行接收机灵敏度，对改善网络覆盖性能指标大有好处。
（2）具有一定的自我修复能力
有源天线一般采用分布式多通路设计结构，具有冗余备份功能，某些阵子失效不会导致整个扇区失去服务功能。当系统检测到某些阵子失效后，会通过调整剩余阵子的幅度和相位来补偿增益损失，从而实现自动补偿功能，大大提高了系统的可靠性。
（3）灵活的电子下倾角及波束赋形技术使系统覆盖和容量明显提升
有源天线每个阵子/阵列有独立的收发单元，能够实现对信号幅度和相位的单独控制，具有灵活多样的电子下倾功能。不同的载波可以使用不同的下倾角，达到垂直多扇区，在网络优化中精细调整，可以使系统容量和覆盖有明显提升。此外，若采用智能天线波束赋形技术，系统容量和覆盖还能进一步提升。
（4）节能减排
有源天线减少了馈线和合路器损耗，提高了基站功率利用率，同时，射频器件自然散热，节省了空调消耗，若采用多模式基站，还能降低基站基带处理的功耗，这些都有效降低了移动网络的功耗，有助于帮助运营商完成节能减排的目标。
（5）多制式集成
有源天线可以集成2G/3G/LTE各种制式，方便维护，同时，各制式采用分布式结构，相对于无源天线，其中一个收发单元损坏不影响整体，提高了网络安全性。
四、有源天线在运营商中的引入策略
目前，有源天线的产品基本全为叠加式有源天线，技术实现简单，但成本高昂，运营商引入有源天线需要综合考虑技术发展、网络建设和优化。
1.中国移动运营商引入有源天线的策略及应用方式
（1）技术发展驱动
中国移动公司自2009年开始建设TD-SCDMA网络以来，由于技术、终端等产业链不成熟，导致其并没有发挥出既有2G用户的资源优势。目前形成了三分天下的局势，而TD-SCDMA的用户占比还有下降的趋势。2013年，中国移动开始大力建设TD-LTE网络，既为抢占移动互联网制高点，又为打造新形势下的竞争优势。
TD-LTE使用MIMO+OFDM技术，大大提高上下行数据传输速率。在TD-LTE网络中下行高速率业务覆盖范围将受限于下行功率，受设备输出功率限制，在组网时要实现下行高速率业务连续覆盖，必须减小站间距，加大了基站密度和投资。此时，使用有源天线，可以减少接头和电缆损耗，提高下行功率利用率。未来，基于8通道的有源天线产品成熟后，可以实现针对天线阵子更细颗粒度的波束信号处理，增强天线波瓣的灵活性，进一步提高容量，灵活配置站间距。 （2）网络建设驱动
网络建设时，常常会碰到业主强烈反对安装天线或者共建共享的站点天面资源以及无法新增天线的情况。目前的解决办法是使用多制式一体化天线替换现有天线。多制式一体化天线存在很多可提升的空间，首先是能效问题，多制式各自有RRU单元，但每个网络的负载情况是有差别的，若2G、3G负载差别很大时，会造成相对空载的系统能效低，不利于节能减排。其次是不同制式网络协同问题，2G、3G及LTE的使用频率差别很大，频率特性的巨大差别造成覆盖范围和质量的差别，此时，依据3G频率规划网络会造成2G投资浪费，依据2G频率规划会造成3G网络质量低下。若采用融合式的有源天线，可以配比2G、3G的功率资源，频带资源，使2G、3G覆盖范围和效果相当，达到既节省投资有提高网络质量，此外，还能减少2G、3G互操作的次数，节省了核心网的资源。
有源天线可以帮助中国移动完善无线网络，但目前支持TD-LTE的有源天线产品不成熟，还不具备可实施的条件。
2.中国联通运营商引入有源天线的策略及应用方式
中国联通的WCDMA制式不需要智能天线技术，因此，其有源天线的实现相对简单。从已经生产的产品可以看出来，几个厂家推出的产品全为支持WCDMA的有源天线。
中国联通引入有源天线的策略与中国移动类似，并且产品具备了实施条件，但考虑有源天线的价格高昂，须分析比较使用有源天线的效益和投入成本。
五、有源天线的发展趋势
根据目前有源天线的概念提出及产品来看，主要受限于目前的器件实现能力等各方面因素，真正意义上的有源天线还停留在概念阶段。结合目前的多制式应用并存情况和技术发展规律，立足于运营商的业务需求，有源天线未来技术还需按以下要求进行开发：
（1）开发多制式天线
目前2G和3G制式天线会长期并存，同时要兼顾未来LTE的发展，需发展多制式天线。首先实现天线单元的小型化和宽带化，同一副天线实现多种制式覆盖，达到节约天面资源的目的，为后续有源天线的发展奠定好基础。
多制式天线可通过天线的宽带化来实现，即天线的工作频率可覆盖多种制式，此时不同制式可共用一副宽带天线实现辐射覆盖功能。多制式天线的另外一种实现方法是多阵列布局，即采用独立的高、低频阵列，通过合理的布放设计、合路和隔离处理，实现不同制式的覆盖。无论哪一种实现方式，都要考虑未来独立调节下倾角和独立网优的需求和趋势。
（2）开发宽带射频天线
设计实现基站主设备器件的宽带化和小型化，将功率放大器和低噪声放大器小型化后，与宽频天线单元连接为新的单元，实现多通道小功率辐射，为MIMO应用奠定基础。
目前来看，最佳的解决方式是采用芯片级多频带的放大器，目前这种放大器在国际上已开始应用，需要推动产品在有源天线中的成熟应用。
（3）开发真正意义上的有源天线
在宽带、多制式天线单元和宽带、小型射频器件的基础上，开发基于芯片级的软件无线电设计和数字信号处理技术、全兼容融合RAN、端到端的IP网络设计和管理等先进技术，实现数字化MIMO、数字波束赋型、光纤回传、SON自适应规划等真正意义上的有源天线。
有源天线是未来网络发展的必然趋势。目前业内推出了一些产品，但都是通过模块叠加实现有源化，其工作频段有限，无法实现有源天线的优越功能。在有源天线技术的发展过程中，运营商应根据网络发展和应用要求，推动天线辐射单元与射频模块的一体化融合，实现真正意义上的有源天线；推动天线及射频器件的宽带化，实现有源天线的多制式灵活应用；更重要的一点是，推动基带信号传输接口的标准化，保证有源天线与上端设备的兼容性应用。
参考文献
[1]李新中，杨军，陈新明.有源天线系统及未来发展应用研究[A]，2011全国无线及移动通信学术大会论文集[C]，2011年
[2]杨涛，谢伟良，朱雪田.有源天线在移动通信系统中的应用研究[A]，2011全国无线及移动通信学术大会论文集[C]，2011年
【关键词】有源天线多制式融合式叠加式波束赋形MIMO
一、有源天线发展情况
近期国际上多家运营商和设备商提出了有源天线的概念，并针对自身的产品做了大量的宣传。
诺基亚西门子在2011年第1季度提出了AAS的概念，并于2012年第2季度推出成型产品。AAS将RRU基站设备进行模块化设计，同传统无源天线阵元连接为一体，实现单阵列双极化的有源天线系统。
阿尔卡特朗讯在2011年提出lightradio的概念，将单个宽频天线单元和多频段RRH集成在一起成为一个小型化的射频辐射单元，集成了双工器、射频、功放和天线，能够覆盖从700MHz到2.6GHz的所有频段。
在2012年的亚洲移动通信博览会，中兴通讯在业界首次推出LTE BeamHop整体解决方案。该解决方案产品包含无源和有源两个部分，无源部分可用于替换运营商原2G/3G站点天线，如网络需向LTE演进，则新增的LTE网络可以通过有源部分实现，并且LTE射频部分集成到天线内部，实现了在传统2G/3G网络上不用新增天面空间即可再叠加一张LTE网络，使得现有天线站址空间得到充分利用，减少了工程施工难度。该方案的高集成度提升了基站发射功率和接收机的灵敏度，可以较好的改善网络容量和覆盖。
二、有源天线的组成及特点
（1）有源天线组成
融合式有源天线将射频单元与天线单元融为一体，包括收发模块PA和天线阵元，其中，PA包含了A/D转换、射频、功放、带通滤波器等功能。每个融合单元可以独立控制功率、频率、相位，可以显著提高功率利用率和网络覆盖质量，具体组成如图1所示。
但融合式有源天线的设计复杂度非常高，技术实现非常困难，业界还没有研发出相应的产品，目前，成型的产品都是叠加式的有源天线，其组成如图2所示：
（2）有源天线基站与无源天线基站的功耗对比
采用有源天线可以大大节省设备功耗，提高系统的功率利用率，图3为某有源天线、RRU塔上拉远和室内机房RRU及宏站信源的功率对比：
在50%TX功率输出状态下，有源天线可以比宏站机房式节省近30%耗电。
（3）有源天线支持智能天线技术
有源天线可以支持TD系统的智能天线水平波束赋形技术，增加空分集增益。此外，更先进的有源天线除水平方向外，还能够支持智能天线垂直波束赋形技术，进一步增加了空间分集增益，加大了小区容量和覆盖范围。
（4）有源天线支持MIMO技术
有源天线可以利用同一阵列的不同极化方向或间距多个波长的不同阵列实现LTE的MIMO技术。
三、有源天线与无源天线的性能差异
（1）有源天线集成度高，损耗小
与BBU+RRU相比，有源天线将射频单元集成在天线中，节省了RRU的安装空间，大大降低了对天面资源的要求。而且高度集成的产品替换安装更容易，能够节省工时和人力成本。另外，有源天线射频单元与天线之间没有射频损耗，各系统间没有合路器损耗，大大提升了机顶输出功率的利用率和上行接收机灵敏度，对改善网络覆盖性能指标大有好处。
（2）具有一定的自我修复能力
有源天线一般采用分布式多通路设计结构，具有冗余备份功能，某些阵子失效不会导致整个扇区失去服务功能。当系统检测到某些阵子失效后，会通过调整剩余阵子的幅度和相位来补偿增益损失，从而实现自动补偿功能，大大提高了系统的可靠性。
（3）灵活的电子下倾角及波束赋形技术使系统覆盖和容量明显提升
有源天线每个阵子/阵列有独立的收发单元，能够实现对信号幅度和相位的单独控制，具有灵活多样的电子下倾功能。不同的载波可以使用不同的下倾角，达到垂直多扇区，在网络优化中精细调整，可以使系统容量和覆盖有明显提升。此外，若采用智能天线波束赋形技术，系统容量和覆盖还能进一步提升。
（4）节能减排
有源天线减少了馈线和合路器损耗，提高了基站功率利用率，同时，射频器件自然散热，节省了空调消耗，若采用多模式基站，还能降低基站基带处理的功耗，这些都有效降低了移动网络的功耗，有助于帮助运营商完成节能减排的目标。
（5）多制式集成
有源天线可以集成2G/3G/LTE各种制式，方便维护，同时，各制式采用分布式结构，相对于无源天线，其中一个收发单元损坏不影响整体，提高了网络安全性。
四、有源天线在运营商中的引入策略
目前，有源天线的产品基本全为叠加式有源天线，技术实现简单，但成本高昂，运营商引入有源天线需要综合考虑技术发展、网络建设和优化。
1.中国移动运营商引入有源天线的策略及应用方式
（1）技术发展驱动
中国移动公司自2009年开始建设TD-SCDMA网络以来，由于技术、终端等产业链不成熟，导致其并没有发挥出既有2G用户的资源优势。目前形成了三分天下的局势，而TD-SCDMA的用户占比还有下降的趋势。2013年，中国移动开始大力建设TD-LTE网络，既为抢占移动互联网制高点，又为打造新形势下的竞争优势。
TD-LTE使用MIMO+OFDM技术，大大提高上下行数据传输速率。在TD-LTE网络中下行高速率业务覆盖范围将受限于下行功率，受设备输出功率限制，在组网时要实现下行高速率业务连续覆盖，必须减小站间距，加大了基站密度和投资。此时，使用有源天线，可以减少接头和电缆损耗，提高下行功率利用率。未来，基于8通道的有源天线产品成熟后，可以实现针对天线阵子更细颗粒度的波束信号处理，增强天线波瓣的灵活性，进一步提高容量，灵活配置站间距。 （2）网络建设驱动
网络建设时，常常会碰到业主强烈反对安装天线或者共建共享的站点天面资源以及无法新增天线的情况。目前的解决办法是使用多制式一体化天线替换现有天线。多制式一体化天线存在很多可提升的空间，首先是能效问题，多制式各自有RRU单元，但每个网络的负载情况是有差别的，若2G、3G负载差别很大时，会造成相对空载的系统能效低，不利于节能减排。其次是不同制式网络协同问题，2G、3G及LTE的使用频率差别很大，频率特性的巨大差别造成覆盖范围和质量的差别，此时，依据3G频率规划网络会造成2G投资浪费，依据2G频率规划会造成3G网络质量低下。若采用融合式的有源天线，可以配比2G、3G的功率资源，频带资源，使2G、3G覆盖范围和效果相当，达到既节省投资有提高网络质量，此外，还能减少2G、3G互操作的次数，节省了核心网的资源。
有源天线可以帮助中国移动完善无线网络，但目前支持TD-LTE的有源天线产品不成熟，还不具备可实施的条件。
2.中国联通运营商引入有源天线的策略及应用方式
中国联通的WCDMA制式不需要智能天线技术，因此，其有源天线的实现相对简单。从已经生产的产品可以看出来，几个厂家推出的产品全为支持WCDMA的有源天线。
中国联通引入有源天线的策略与中国移动类似，并且产品具备了实施条件，但考虑有源天线的价格高昂，须分析比较使用有源天线的效益和投入成本。
五、有源天线的发展趋势
根据目前有源天线的概念提出及产品来看，主要受限于目前的器件实现能力等各方面因素，真正意义上的有源天线还停留在概念阶段。结合目前的多制式应用并存情况和技术发展规律，立足于运营商的业务需求，有源天线未来技术还需按以下要求进行开发：
（1）开发多制式天线
目前2G和3G制式天线会长期并存，同时要兼顾未来LTE的发展，需发展多制式天线。首先实现天线单元的小型化和宽带化，同一副天线实现多种制式覆盖，达到节约天面资源的目的，为后续有源天线的发展奠定好基础。
多制式天线可通过天线的宽带化来实现，即天线的工作频率可覆盖多种制式，此时不同制式可共用一副宽带天线实现辐射覆盖功能。多制式天线的另外一种实现方法是多阵列布局，即采用独立的高、低频阵列，通过合理的布放设计、合路和隔离处理，实现不同制式的覆盖。无论哪一种实现方式，都要考虑未来独立调节下倾角和独立网优的需求和趋势。
（2）开发宽带射频天线
设计实现基站主设备器件的宽带化和小型化，将功率放大器和低噪声放大器小型化后，与宽频天线单元连接为新的单元，实现多通道小功率辐射，为MIMO应用奠定基础。
目前来看，最佳的解决方式是采用芯片级多频带的放大器，目前这种放大器在国际上已开始应用，需要推动产品在有源天线中的成熟应用。
（3）开发真正意义上的有源天线
在宽带、多制式天线单元和宽带、小型射频器件的基础上，开发基于芯片级的软件无线电设计和数字信号处理技术、全兼容融合RAN、端到端的IP网络设计和管理等先进技术，实现数字化MIMO、数字波束赋型、光纤回传、SON自适应规划等真正意义上的有源天线。
有源天线是未来网络发展的必然趋势。目前业内推出了一些产品，但都是通过模块叠加实现有源化，其工作频段有限，无法实现有源天线的优越功能。在有源天线技术的发展过程中，运营商应根据网络发展和应用要求，推动天线辐射单元与射频模块的一体化融合，实现真正意义上的有源天线；推动天线及射频器件的宽带化，实现有源天线的多制式灵活应用；更重要的一点是，推动基带信号传输接口的标准化，保证有源天线与上端设备的兼容性应用。
参考文献
[1]李新中，杨军，陈新明.有源天线系统及未来发展应用研究[A]，2011全国无线及移动通信学术大会论文集[C]，2011年
[2]杨涛，谢伟良，朱雪田.有源天线在移动通信系统中的应用研究[A]，2011全国无线及移动通信学术大会论文集[C]，2011年