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

當(dāng)前我國(guó)已建成全球最大的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，而在4G向5G過渡以及5G時(shí)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(wú)線頻譜資源利用的新天地，為未來(lái)5G eMBB、mMTC、uRLLC等場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)提供基本前提。

大唐移動(dòng)射頻專家孫華榮認(rèn)為，大規(guī)模天線陣（Massive MIMO）的運(yùn)用是保障移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)高速率的重要手段，其可實(shí)現(xiàn)3D多波束賦形，高達(dá)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(gè)研究方向。但孫華榮同時(shí)也指出，大規(guī)模天線陣的商用和實(shí)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(fēng)面積、重量、對(duì)光模塊的要求等問題都需要實(shí)現(xiàn)突破。

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

對(duì)于大規(guī)模天線陣，目前業(yè)內(nèi)主流的觀點(diǎn)為128個(gè)天線陣元、64個(gè)射頻通道，每個(gè)射頻通道驅(qū)動(dòng)垂直兩個(gè)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(gè)射頻通道，加上一個(gè)校準(zhǔn)通道共有65個(gè)射頻連接接口。天線陣與有源射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）如果相互獨(dú)立，將會(huì)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(fù)雜，因此天線陣和射頻拉遠(yuǎn)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(gè)128陣元的天線陣和64通道的射頻單元，體積將會(huì)較大，AAU設(shè)備的迎風(fēng)面積也會(huì)變大，這些因素都會(huì)影響到實(shí)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?yàn)檫@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(dá)64個(gè)的射頻通道，每個(gè)通道需要支持的帶寬達(dá)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(shí)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(jì)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(duì)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(gè)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(shí)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(wú)論是在成本還是技術(shù)方面都將會(huì)對(duì)光模塊帶來(lái)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(shí)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(shí)現(xiàn)商用化的最大挑戰(zhàn)。由于AAU是室外設(shè)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(shè)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(dá)64個(gè)射頻通道，這是以往設(shè)備的8倍以上。在設(shè)備中除了功放和模擬收發(fā)信機(jī)外，還需要大量進(jìn)行數(shù)字中頻處理的FPGA，通道基礎(chǔ)功耗將會(huì)隨之大量增加，整機(jī)效率比傳統(tǒng)的RRU效率低很多，整機(jī)功耗也會(huì)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(shí)際商業(yè)工程安裝的條件。這樣就造成整機(jī)熱流密度大幅提升，提高單位體積的散熱能力是關(guān)鍵。同時(shí)FPGA單片功耗大，耐高溫能力差，是散熱的最大瓶頸。解決單點(diǎn)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(shè)計(jì)提高散熱效率外，提高整機(jī)效率是另一個(gè)重要方向。

同時(shí)，為了解決整機(jī)小型化，器件的高集成度和器件的小型化是重點(diǎn)。只有提高集成度，才能在一個(gè)芯片內(nèi)完成多個(gè)器件的功能，從而降低體積。器件的小型化可以使單個(gè)器件的體積降低。在AAU中輸出濾波器小型化是一個(gè)重點(diǎn)。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(gè)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(gè)，天線濾波器也就增加到64個(gè)，如果還采用腔體濾波器，則會(huì)使體積變得很龐大。因此，天線濾波器的小型化會(huì)是AAU重點(diǎn)攻克的方向。當(dāng)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(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)外，AAU的架構(gòu)設(shè)計(jì)、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(shí)現(xiàn)大規(guī)模天線陣的商用化。

天線是支撐移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵要素，推動(dòng)大規(guī)模天線陣技術(shù)的革新、加速商用將會(huì)直接影響到5G的系統(tǒng)能力，相信大唐移動(dòng)會(huì)憑借在天線領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)實(shí)力，不斷攻克難關(guān)，助力5G加速商用。