5G大规模阵列天线发展趋势分析
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热点高容量场景:士要面向I- J部热点区域・为用户提 供极高的数据传输速率•满足网络极离的流宦密度需求 lGbit/sffl户体验速率、数十Gbit/s峰侑速率和数要挑战‘ 低功耗人连接场於:旦要面向智慧城市、环境监测、智
能农业、森林防火等以传感和数据采集为丨I标的应用场杲， 具冇小数搦包、低功耗、海球连接等特点 这类终端分布范 围广、数圮众多,不仅要求网络具备超千亿连接的支持能 力，满足1()()万/kn「连接数密度指标要求.而口还要葆证终 端的超低功耗和超低成木
低时延高可靠场景:拦要面向车联网、工业控制等垂直 行紳特殊应用需求，这类应用对时延和可黑性具有极高的
指标要求,需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近1()()% 的业务可隹性保证c 5G网络分场景关键指标见表1
从表1中可以看岀,连续广域覆盖和热点高容量场景I-： 要满1112()2()年及以后的移动"联网业务需求，也是传统的4G 主要技术场景。低功耗犬连接和低时延高町靠场景主要而向 物联网业务,是5G新拓展的场景,重点解决传统移动通信无 法很好支持的物联网及垂査行业应用
a 5G网络天线类型展望
经历多年发展,多天线技术已经演进为大规模天线技 术，拥右史多的收发终端 根据香农公式.通过MIMG技术 可以获得两个好处
⑴提高效率:将天线分组,通过提高天线信道流数提 高香农公式的第…项•可以比喻为通过建"高架桥实现信号 的并行传输
(2)提高信号质曲：每组天线利用波束形成(定向发 射)技术提高信号强度.从而提高香农公式第三项c在高频 段心仁号增强、高频信号的覆盖能力方面应用更加必要,相
doi: 10.3969/j.issn. 1000-1247.2019.01.021
5G大规模阵列天线发展趋势分析
刘旭I石萌2杨耀庭2白昱I费强I 1 •中国移动通信集团设计院有限公司 2武汉虹信通信技术有限责任公司
m从5G网络分场景关键指标入手，对5G大规模天线技术进行初步探讨。从天线系统结构功能出发，阐述对应5G 网络需求，5G天线密集辐射阵及去耦装置、功分网络及射频通道等部件设计时需要重点考虑的因素及对策。
峰值速率〉20Gbft/s； 用户体验速率＞1Gbrt/s
www ttm 93
»演进与展望
艸「确定了直连通道高架桥的方向. 根据eMBB场景的划分可以发现在“连续广域覆盖”和
“热点高容量”两个场景下指标要求差别很大。考虑到H前 尙源犬规模阵列天线的体积、功耗、成本等因素•町以预见 的是.随着5G网络的逐渐铺设，所要解决的覆盖场景会逐渐 变得复杂，与之匹配的天线类型也就不可能千篇T# 5G天 线类型的发展趋势N该有两个方向:方向一是高阶通道数的 64T64R或32T32R的高集成度方向,士要针对高指标要求场 !；! ;方向二是较为低阶的8T8R或16T16R ,主要解决5G广覆 盖场杲，将以与4G共犬线的高増益融合方案为兵体发展方 向，具体见表2。
3.2密集辐射阵及其去耦装置 密集辐射阵由nx/n个辐射单元按照一定的横向问跖和
纵向间距组阵，中间辅以去耦装H, tt设计需要考虑下面几 个因素。
⑴辐射单元的结构形式:辐射单元需要小型化设计. 适合密集组网阵列；辐射单元的馈电和安装结构需要与功分
技术场景 应用场景 关键指标
表1 5G网络分场景关键指标
苜先是eMBB,直译为”增强移动宽带”,就是以入为 中心的应用场景，集屮表现为超岛的传输数据速率，广覆盖 下的移动性保证等；
其次是uRLLC,直译为“高可靠低时延连接”,在此 场景卜二 连接时延要达到1ms级别.而EL要支持雋速移动 (500km/h )情况卜-的再可靠性(99.999% )连接；
最后是mMTC,直译为“海量物联”，5G强大的连接 能力可以快速促进各垂立行业(智怎城市、智能家居、环境 监测等)的深度融合,
目5G大规模阵列天线技术发展趋势
3.1 5G大规模天线系统结构 如图1所示，5G犬规模天线系统架构包括密集辐射阵、功
分网络、耦合校准网络、盲插型连接器和收发单元。密集辐射
阵由若F双极化辐射单元按照一定的横向间距和纵向间距组 阵 整个5G天线系统的「-作原理是人线射频通道（包括多个 辂谢单元组成的单元模块）实现无线传输信号的收发；收发单元实现对射频通道R F佶弓的发射和接收；耦合校准网络实现 对收发单元发射到每个射频通道的发射功率和相位的监测；这 样，系统赋形算法通过调肖收发单元激励何个单兀模块（对频 通道）的幅相权值配i也实现大规模天线的粘准三维波束方向 图和三维扌肺。要实现I】述5G大规模天线功能,需对其各结 构组成部分的性能指标进行梢确设计。
IMT-2O2O ( 5G )从移动互联网和物联网的主要应用场 景、业务需求及挑战出发,将虻主要应用场景归纳为：连续 广域覆盖、热点高容忒、低功耗人连接和低时延高可靠4个 主要技术场景，与ITU的三大应用场景基本一致■:
连续广域覆盖场景:移动通信最基本的覆盖方式,以保讣 用户的移动性和业务连续性为目标,为川丿提供鈕的高速业务 体验 该场景的主要拘说在于随时随地(包括小区边缘、高速移 动零恶劣环境)为川八提供1(X)MbkA以上的用户体验速率
eMBB
连续广域覆盖
用户体验速率＞100Mbit/s 小区频谱效率＞10bit/s/Hz
热点高容量
峰值速率〉20Gbit/s 用户体验速率"Gbit/s
mMTC 低功耗大连接 连接数密度＞106/km2
技术类型 eMBB
场景划分 连续广域覆盖
热点高容量
表2 5G分场景的天线发展方向
关键指标
用户体验速率＞100MbiVs； 小区频谱效率＞10biVs/Hz
H 5G大规模天线密集辐射阵去耦装置功分网络射频通道
□ 5G网络分场景关键指标
而向2()2()年及未來，5G将解决多样化应用场杲下昇 化性能指标带来的挑战,不同应用场景面临的性能挑战有所 不同，用户体验速率、流量密度、时延、能效和连接数都可 能成为不同场景的挑战性指标。
国际电信联盟ITU召开的ITU-RWP5D第22次会议I•.确 定了在5G具有以下〔犬主要应用场杲：
能农业、森林防火等以传感和数据采集为丨I标的应用场杲， 具冇小数搦包、低功耗、海球连接等特点 这类终端分布范 围广、数圮众多,不仅要求网络具备超千亿连接的支持能 力，满足1()()万/kn「连接数密度指标要求.而口还要葆证终 端的超低功耗和超低成木
低时延高可靠场景:拦要面向车联网、工业控制等垂直 行紳特殊应用需求，这类应用对时延和可黑性具有极高的
指标要求,需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近1()()% 的业务可隹性保证c 5G网络分场景关键指标见表1
从表1中可以看岀,连续广域覆盖和热点高容量场景I-： 要满1112()2()年及以后的移动"联网业务需求，也是传统的4G 主要技术场景。低功耗犬连接和低时延高町靠场景主要而向 物联网业务,是5G新拓展的场景,重点解决传统移动通信无 法很好支持的物联网及垂査行业应用
a 5G网络天线类型展望
经历多年发展,多天线技术已经演进为大规模天线技 术，拥右史多的收发终端 根据香农公式.通过MIMG技术 可以获得两个好处
⑴提高效率:将天线分组,通过提高天线信道流数提 高香农公式的第…项•可以比喻为通过建"高架桥实现信号 的并行传输
(2)提高信号质曲：每组天线利用波束形成(定向发 射)技术提高信号强度.从而提高香农公式第三项c在高频 段心仁号增强、高频信号的覆盖能力方面应用更加必要,相
doi: 10.3969/j.issn. 1000-1247.2019.01.021
5G大规模阵列天线发展趋势分析
刘旭I石萌2杨耀庭2白昱I费强I 1 •中国移动通信集团设计院有限公司 2武汉虹信通信技术有限责任公司
m从5G网络分场景关键指标入手，对5G大规模天线技术进行初步探讨。从天线系统结构功能出发，阐述对应5G 网络需求，5G天线密集辐射阵及去耦装置、功分网络及射频通道等部件设计时需要重点考虑的因素及对策。
峰值速率〉20Gbft/s； 用户体验速率＞1Gbrt/s
www ttm 93
»演进与展望
艸「确定了直连通道高架桥的方向. 根据eMBB场景的划分可以发现在“连续广域覆盖”和
“热点高容量”两个场景下指标要求差别很大。考虑到H前 尙源犬规模阵列天线的体积、功耗、成本等因素•町以预见 的是.随着5G网络的逐渐铺设，所要解决的覆盖场景会逐渐 变得复杂，与之匹配的天线类型也就不可能千篇T# 5G天 线类型的发展趋势N该有两个方向:方向一是高阶通道数的 64T64R或32T32R的高集成度方向,士要针对高指标要求场 !；! ;方向二是较为低阶的8T8R或16T16R ,主要解决5G广覆 盖场杲，将以与4G共犬线的高増益融合方案为兵体发展方 向，具体见表2。
3.2密集辐射阵及其去耦装置 密集辐射阵由nx/n个辐射单元按照一定的横向问跖和
纵向间距组阵，中间辅以去耦装H, tt设计需要考虑下面几 个因素。
⑴辐射单元的结构形式:辐射单元需要小型化设计. 适合密集组网阵列；辐射单元的馈电和安装结构需要与功分
技术场景 应用场景 关键指标
表1 5G网络分场景关键指标
苜先是eMBB,直译为”增强移动宽带”,就是以入为 中心的应用场景，集屮表现为超岛的传输数据速率，广覆盖 下的移动性保证等；
其次是uRLLC,直译为“高可靠低时延连接”,在此 场景卜二 连接时延要达到1ms级别.而EL要支持雋速移动 (500km/h )情况卜-的再可靠性(99.999% )连接；
最后是mMTC,直译为“海量物联”，5G强大的连接 能力可以快速促进各垂立行业(智怎城市、智能家居、环境 监测等)的深度融合,
目5G大规模阵列天线技术发展趋势
3.1 5G大规模天线系统结构 如图1所示，5G犬规模天线系统架构包括密集辐射阵、功
分网络、耦合校准网络、盲插型连接器和收发单元。密集辐射
阵由若F双极化辐射单元按照一定的横向间距和纵向间距组 阵 整个5G天线系统的「-作原理是人线射频通道（包括多个 辂谢单元组成的单元模块）实现无线传输信号的收发；收发单元实现对射频通道R F佶弓的发射和接收；耦合校准网络实现 对收发单元发射到每个射频通道的发射功率和相位的监测；这 样，系统赋形算法通过调肖收发单元激励何个单兀模块（对频 通道）的幅相权值配i也实现大规模天线的粘准三维波束方向 图和三维扌肺。要实现I】述5G大规模天线功能,需对其各结 构组成部分的性能指标进行梢确设计。
IMT-2O2O ( 5G )从移动互联网和物联网的主要应用场 景、业务需求及挑战出发,将虻主要应用场景归纳为：连续 广域覆盖、热点高容忒、低功耗人连接和低时延高可靠4个 主要技术场景，与ITU的三大应用场景基本一致■:
连续广域覆盖场景:移动通信最基本的覆盖方式,以保讣 用户的移动性和业务连续性为目标,为川丿提供鈕的高速业务 体验 该场景的主要拘说在于随时随地(包括小区边缘、高速移 动零恶劣环境)为川八提供1(X)MbkA以上的用户体验速率
eMBB
连续广域覆盖
用户体验速率＞100Mbit/s 小区频谱效率＞10bit/s/Hz
热点高容量
峰值速率〉20Gbit/s 用户体验速率"Gbit/s
mMTC 低功耗大连接 连接数密度＞106/km2
技术类型 eMBB
场景划分 连续广域覆盖
热点高容量
表2 5G分场景的天线发展方向
关键指标
用户体验速率＞100MbiVs； 小区频谱效率＞10biVs/Hz
H 5G大规模天线密集辐射阵去耦装置功分网络射频通道
□ 5G网络分场景关键指标
而向2()2()年及未來，5G将解决多样化应用场杲下昇 化性能指标带来的挑战,不同应用场景面临的性能挑战有所 不同，用户体验速率、流量密度、时延、能效和连接数都可 能成为不同场景的挑战性指标。
国际电信联盟ITU召开的ITU-RWP5D第22次会议I•.确 定了在5G具有以下〔犬主要应用场杲：