应用于MIMO场景的AAS有源天线系统介绍

随着容量、覆盖范围和连接密度需求的增长，移动网络运营商已将大规模多输入多输出（MIMO）和波束成形等先进技术融入其网络中。与此同时，有源天线系统（AAS）也不断发展，以整合这些技术，并使其能够在无线基础设施中部署。

部署最适合的AAS变体需要对AAS技术有深入了解，同时也需要了解网络的具体需求。

AAS工作原理

有源天线系统（AAS）的运作基于矩形天线阵列，该阵列利用波束成形技术，在不同角度上引导高增益波束。天线阵列的设计使得单个阵元以建设性方式组合，形成一个主瓣，该主瓣在给定方向上传输能量，而系统的总增益则由阵列中阵元的数量决定。待传输的射频（RF）信号在应用于单个阵列阵元之前，会分别进行预编码，包括相位和幅度调整，从而使波束能够按照所需方向进行引导。采用双极化阵列阵元，这些阵元能同时响应水平极化和垂直极化的无线电波，从而提高了系统的业务处理能力。每个阵元由两个独立的收发器供电，一个负责垂直极化，另一个负责水平极化。

图2 射频与数字引导相结合的混合波束成形示例

在实际的有源天线系统（AAS）实现中，多个天线单元被划分为子阵列，每个子阵列配备有独立的射频链（如图2所示）。这种混合实现方式减少了射频链的数量，从而降低了整体阵列的复杂性、成本和功耗。

天线阵列的特性由其被划分为子阵列阵列（AOSA）的方式决定。当所有子阵列的信号同相相加时，所获得的总天线增益取决于子阵列的数量。例如，两个子阵列的增益是单个子阵列增益的两倍，即增益增加了3分贝（dB）（如图3A所示）。同样地，四个子阵列会再增加3dB的增益，但随着子阵列尺寸的增加，发射波束会变得更窄（如图3B所示）。天线系统的总增益是阵列增益和子阵列增益的乘积，如图3C所示。

综上所述，天线的最大增益由阵列中的天线单元数量决定，而子阵列的划分方式使得能够在一定角度范围内引导高增益波束（如图3C所示）。同时，子阵列的辐射方向图决定了发射波束的包络，如图3C中的虚线所示。

请注意，尽管上述描述主要关注了一维情况，但实际上，在水平和垂直维度（使用双极化天线单元时）上，同样的原理同样适用。

图3 AOSA分区支持高天线增益和波束指向性

贴片天线

得益于天线制造技术的改进以及半导体技术的发展，集成天线阵列已成为可能。天线设计已从传统的板状结构演变为使用贴片天线作为基本单元的平板配置。贴片天线（见图4，下文）由一个平坦的矩形导体（即贴片）构成，该导体安装在一个更大的平坦导体（即接地平面）之上，而贴片和接地平面之间由一种电介质材料隔开。

图4 贴片天线

有源天线与无源天线

尽管本文的讨论重点集中在有源的数字天线阵列上，但无源天线仍然扮演着重要的角色。近年来，无源天线系统也取得了显著的发展，现已能够支持4x4甚至8x8 MIMO（多输入多输出）。考虑到许多初期的5G部署集中在3.5 GHz这一覆盖和容量的“甜点”频段，有源天线系统（AAS）的全部功能可能并非必需，尤其是在容量和用户数量不构成限制的非城市地区。

在这些场景下，AAS的益处可能无法抵消其成本，而无源系统则可能成为一种可行的替代方案。将与5G共存多年的传统网络也使用较低频段的频率，可以部署无源天线来继续支持这些网络。

此外，在必须同时提供5G服务和继续支持传统网络的基站站点，现代天线尺寸较小，使得在同一雷达罩下安装有源和无源系统成为可能，从而有可能节省站点成本和空间。

部署场景

在为特定基站站点选择最佳AAS配置时，应考虑其将要服务的环境。关键因素包括要服务的用户数量、站点间距离（ISD）以及要覆盖的建筑物和地点的性质。以下三个场景（如图5所示）展示了其中一些因素如何影响天线设计的选择。

场景A：密集城市高层建筑

拥有高层建筑和大量人流的密集城市区域需要大型天线阵列来确保足够的覆盖范围。将阵列划分为小型子阵列可以产生高增益波束，这些波束可以在大范围的角度内进行引导，以满足用户的垂直分布。在此环境中，多用户MIMO（MU-MIMO）至关重要，而大量的小型分区需要足够数量的射频链，64条射频链在复杂性和性能之间取得了良好的平衡。

场景B：城市低层建筑

这代表了世界上许多大城市的情况，交通密度较低，建筑类型混合，用户垂直分布较少。在此场景中，需要较大的天线区域来提供所需的小区数据速率，但垂直覆盖范围可以减小，因此可以使用较大的垂直子阵列。MU-MIMO在这里仍然很重要；但由于子阵列数量较少，16到32条射频链最为合适。

场景C：农村/郊区

这些地区的特点是人口密度低或中等，用户垂直分布小，站点间距离从一公里到几公里不等。同样，需要大型天线阵列来提供覆盖范围，但垂直波束成形不是首要考虑因素，因此大型垂直子阵列是理想选择。由于用户数量少，MU MIMO的益处有限，因此8到16条射频链提供了最佳的折衷方案。

图5 适用于多种网络部署场景的AAS配置

AAS的优势、权衡因素和考虑要点

本文描述了AAS（有源天线系统）的工作原理，以及当它们得到适当部署时，能够给无线网络带来的诸多好处。AAS的大规模MIMO（多输入多输出）功能最适合用户密集、流量大的场景，运营商必须在这些场景中最大化频谱利用率。毫米波传输的波长较短，使得天线尺寸可以进一步缩小，非常适合这些区域的网络密集化。

然而，AAS并非所有网络部署的万能良药。运营商必须专注于其投资，以确保获得最大回报。从城市到农村，不同规模的环境其商业案例差异显著。在农村等人口稀少的地区，AAS相对较高的成本可能并不划算。此外，传统网络将与5G网络共存多年，在这两种情况下，先进的无源天线系统可能是最佳解决方案。在推出5G网络时，这些因素以及其他因素都需要仔细考虑。