大唐移動射頻專家孫華榮：大規(guī)模天線陣的實現(xiàn)和商用還將面臨諸多挑戰(zhàn)

當前我國已建成全球最大的移動通信網(wǎng)絡，而在4G向5G過渡以及5G時代中，天線的質(zhì)量保障和技術(shù)提升顯得越發(fā)重要，尤其是在頻譜資源日益匱乏的情況下，天線的創(chuàng)新將開啟無線頻譜資源利用的新天地，為未來5G eMBB、mMTC、uRLLC等場景的實現(xiàn)提供基本前提。

大唐移動射頻專家孫華榮認為，大規(guī)模天線陣（Massive MIMO）的運用是保障移動通信網(wǎng)絡高速率的重要手段，其可實現(xiàn)3D多波束賦形，高達16-24流多流數(shù)據(jù)，能夠大大提高頻譜效率，提升用戶傳輸速率。所以大規(guī)模天線陣是5G最大的一個研究方向。但孫華榮同時也指出，大規(guī)模天線陣的商用和實現(xiàn)技術(shù)還將面臨大量的挑戰(zhàn)。

首先在工程安裝方面，大規(guī)模天線陣的體積、迎風面積、重量、對光模塊的要求等問題都需要實現(xiàn)突破。

回想3G時代，智能天線由 “一個大門板（天線）、一個瘤子（射頻功率放大器TPA）和一個辮子（兩組射頻線路）”組成，后來采用了雙極化天線陣，降低了天線寬帶，射頻拉遠（RRU）初步解決瘤子和辮子問題，智能天線才得到實際運用。

對于大規(guī)模天線陣，目前業(yè)內(nèi)主流的觀點為128個天線陣元、64個射頻通道，每個射頻通道驅(qū)動垂直兩個陣元。天線陣為8*8雙極化天線陣子排布，水平天線陣子間距為0.5λ，垂直間距0.5-0.75λ。由于有64個射頻通道，加上一個校準通道共有65個射頻連接接口。天線陣與有源射頻拉遠單元（RRU）如果相互獨立，將會有一大把的射頻連接線纜，商用工程安裝將面臨重大挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在RRU與天線的線纜增加到65根，工程施工將更為復雜，因此天線陣和射頻拉遠單元一體化形成有源天線單元（AAU）將是必然選擇。但由于AAU包含一個128陣元的天線陣和64通道的射頻單元，體積將會較大，AAU設備的迎風面積也會變大，這些因素都會影響到實際的商用部署。

其次，降低AAU的重量是其商用必須要解決的問題，因為這將直接影響到安裝支架的能力和安裝的方便性。

另外，大規(guī)模天線陣（AAU）需要多達64個的射頻通道，每個通道需要支持的帶寬達到100MHz。這樣AAU與BBU之間的基帶IQ數(shù)據(jù)將是海量的，是4G時代的好幾倍。按照100MHz帶寬數(shù)據(jù)采樣率為122.88MSPS，數(shù)據(jù)位寬為16bit計算，64通道的基帶IQ數(shù)據(jù)率將為：122.88M*2*16*64=251658.24M，超過250Gbps的數(shù)據(jù)速率；再加上傳輸信道編碼將接近300Gbps。如果用10G的光纖傳輸，需要20多根。這對于光模塊和光纖數(shù)量都是不可接受的， 這也將是大規(guī)模天線陣面臨的第三個挑戰(zhàn)。

而解決這一問題可以多措并舉：一方面壓縮IQ數(shù)據(jù)，降低傳輸帶寬的要求；同時還可將部分基帶處理上移到AAU，降低傳輸帶寬的要求；另一方面則可提高光纖傳輸速率，如提高到25G或100G，但這樣無論是在成本還是技術(shù)方面都將會對光模塊帶來巨大的壓力。

除了上述所提到的工程安裝問題，大規(guī)模天線在實現(xiàn)技術(shù)方面也存在諸多挑戰(zhàn)。

首先是散熱問題，這是AAU能否實現(xiàn)商用化的最大挑戰(zhàn)。由于AAU是室外設備，需要全天候工作，需要滿足室外環(huán)境工作的要求。室外設備要求的工作溫度為-40度到55度。由于AAU的通道數(shù)很多，高達64個射頻通道，這是以往設備的8倍以上。在設備中除了功放和模擬收發(fā)信機外，還需要大量進行數(shù)字中頻處理的FPGA，通道基礎功耗將會隨之大量增加，整機效率比傳統(tǒng)的RRU效率低很多，整機功耗也會大很多。但是前面講到AAU的重量和體積又必須盡量小，才能滿足實際商業(yè)工程安裝的條件。這樣就造成整機熱流密度大幅提升，提高單位體積的散熱能力是關鍵。同時FPGA單片功耗大，耐高溫能力差，是散熱的最大瓶頸。解決單點高熱耗散熱問題就成為重中之重。解決AAU的散熱問題除了在結(jié)構(gòu)設計提高散熱效率外，提高整機效率是另一個重要方向。

同時，為了解決整機小型化，器件的高集成度和器件的小型化是重點。只有提高集成度，才能在一個芯片內(nèi)完成多個器件的功能，從而降低體積。器件的小型化可以使單個器件的體積降低。在AAU中輸出濾波器小型化是一個重點。在RRU中為了濾除帶外雜散，滿足基站共存共址雜散要求和阻塞要求，在RRU輸出端必須有一個模擬濾波器，該模擬濾波器的要求很高。傳統(tǒng)基站輸出濾波都是采用腔體濾波器，腔體濾波器的體積很大。在大規(guī)模天線陣中射頻通道很多，增加到了64個，天線濾波器也就增加到64個，如果還采用腔體濾波器，則會使體積變得很龐大。因此，天線濾波器的小型化會是AAU重點攻克的方向。當然，除了天線濾波器的小型化，其它器件的小型化也是很重要的。

除了上面分析的兩個重要的技術(shù)挑戰(zhàn)外，AAU的架構(gòu)設計、模塊間連接、高速互連、高速走線、大帶寬處理，功耗、效率，生產(chǎn)安裝，生產(chǎn)工藝也都需要不斷創(chuàng)新調(diào)整。只有把這些挑戰(zhàn)一一解決，才能真正實現(xiàn)大規(guī)模天線陣的商用化。

天線是支撐移動通信系統(tǒng)的關鍵要素，推動大規(guī)模天線陣技術(shù)的革新、加速商用將會直接影響到5G的系統(tǒng)能力，相信大唐移動會憑借在天線領域的領先技術(shù)實力，不斷攻克難關，助力5G加速商用。