新型天线节能减排探讨

1 引言

随着技术发展，移动通信网络设备厂商不断推出一些新型的技术，如分布式基站、节能软件（时隙/载频智能关断）、各种覆盖增强型技术、共建共享等。这些节能减排技术在工程中灵活应用，可以大大节约建设成本，降低网络能耗。在天馈层面如何结合这些新型技术实现更大程度上节能减排，对移动通信的发展具有重要意义。

2  基站天线的小型化实现节能减排

小型化基站具有体积小、功耗低等特点，有利于站址选取，便于天线的运输和安装，可有效降低移动通信系统的建网与运维成本。

2.1  天线小型化技术

由电磁波辐射原理可知，天线辐射单元的尺寸大小和工作频段对应的波长相比拟。受技术发展和工艺水平的限制，现网中应用的移动通信基站天线尺寸都较大。以GSM  900 MHz频段的天线举例，65°17dBi的天线长度达到2.1 m，90°17dBi天线长度甚至达到2.6 m。天线尺寸过大不仅需要占用较多的天面资源，还会引起居民对电磁辐射的恐慌和抗拒，造成选址和建站困难，新站点的建设成本明显提高。

为了解决目前移动通信系统因天线尺寸较大造成的各种难题，基站天线应突破半波振子的尺寸限制，采用新技术实现更小尺寸的辐射单元，并确保天线整体性能的优越性。天线的增益与其工作频率、有效辐射面积、辐射效率有关，详见公式（1）。有效辐射面积越大，天线增益越高。因此，如果能提高天线的有效辐射面积，即使减小天线辐射单元物理面积也能获得增益提升。

目前出现的口径耦合多层贴片天线等新型辐射单元可以大幅度提高天线有效辐射面积，在辐射单元物理尺寸减小的情况下也能保证辐射单元具有较高的增益。新型辐射单元在移动通信天线中的应用可以实现天线的小型化。

2.2  小型化天线实现的节能减排效果分析

为了应对资源日趋紧张的挑战，目前的基站形态大多采用分布式基站。分布式基站采用射频拉远技术，将传统的宏基站设备分为基带单元（BBU）和射频拉远单元（RRU），采用光纤进行连接，一方面可以降低馈线损耗，增强上下行覆盖，另一方面可以减少馈线采购的成本。受限于天线的尺寸，分布式基站在选址和能源消耗方面依然有较大的改善空间。

天线实现小型化后，分布式基站可以适应多种安装场景，天线的安装降低对天面资源的要求，可有效解决站址获取难题；天线设备体积变小，重量降低，便于运输和安装，加快了工程进度；小型化天线整机功耗可以大幅度降低，配套电源和蓄电池成本也将会大大减少；天线尺寸的减小，使得伪装天线的应用成为可能，这将在更大程度上降低基站选址难度和成本。

因此，根据目前基站数量的建站成本估计，天线的小型化将带来30%建网成本的降低，20%运维成本的降低，以及20%网络资产闲置率的降低。

3 天线多制式应用实现节能减排

多制式天线能够同时支持多种通信系统的无线信号传输，可有效减少天线数量，降低硬件成本与能耗，有利于实现移动通信网络的共建共享。

3.1  多制式天线技术

目前在现网中所应用的大部分基站天线工作在单制式模式，也就是一副天线的工作频段只覆盖一个制式，仅少数天线能覆盖频段相近的两个制式。这样在一个扇区内，每一个制式的都至少需要3面天线。现在国内3家运营商共有3种制式的移动通信系统在运营，分布在5个频段上。每一家运营商独立建网，这样的发展模式造成了移动通信基站数量的激增和基站建设成本居高不下，而且不利于未来网络的演进。截止到2 0 1 1年初，中国移动通信基站数量已超过160万个，单制式天线的应用模式面临着巨大的挑战，一副天线覆盖两种甚至更多种制式是天线技术发展的必要趋势。

所谓多制式天线，其工作频段不仅覆盖多种制式，而且在每一个频段上均可实现灵活调节和控制，实现网络规划和优化的便利性。多制式天线超越了超宽带天线的概念，通过解决不同频段的信号合路和分路技术，独立调节每个频段上的天线辐射参数，抑制不同系统之间的信号干扰，可以大幅度提高网络覆盖性能和应用的灵活性。

3.2  多制式天线实现节能减排效果分析

多制式天线的实现和应用，可以将目前多副天线的功能集中到一副天线中实现，将会极大地减少现网中所需要的天线数量。更重要的是，多制式天线使得移动通信系统的共建共享成为了可能。按照目前中国联通、中国移动和中国电信的网络制式和频谱划分，未来最理想的情况下，在一个基站上只需要3副多制式天线即可完成网络的正常覆盖，相对于目前的应用模式，可以将建站规模和成本降低至现在的1/6。这里降低的不仅是硬件设备成本，同时也降低了电源消耗、传输线路中的功率损失及电磁污染等。

由此可以看出，多制式天线技术在移动通信网络中的应用，不仅可以降低网络建设成本，也可以节约能源和降低污染，理想情况下可以实现80%左右的成本和能耗降低。

4 有源天线技术实现节能减排

无线网络架构逐步趋于扁平化，集中式的设备正逐步替代分布式设备，光纤逐步替代铜缆，天线有源化是未来必然的发展方向。有源天线将无线射频单元与天线辐射单元集成设计，可有效降低射频信号传输损耗，提高基站的功放效率，增强网络覆盖性能。

4.1  有源天线技术

传统基站的射频处理单元和天线是分离式设计的，天线通过多个无源辐射单元组合实现波束成形。射频处理单元和天线之间采用射频电缆传输信号，这样造成射频信号在传输过程中的功率损耗，降低能源利用率。同时在分离式布放的应用方式下，RRU（远端射频单元）和天线均需要占用天面资源安装，这样又增加运营商的建站成本。

有源天线技术是将射频处理单元和天线辐射单元集成在一起，每一个辐射单元对应射频收发系统，这样就可以省去天线和射频处理单元间的电缆连接，极大地降低传输损耗；另一方面，有源天线由多个相对独立的含射频收发系统的天线辐射单元组成，通过灵活的配置可以实现灵活的波束控制，增强天线覆盖能力，并且提高系统灵敏度。

4.2  有源天线实现节能减排效果分析

目前现网中的基站设备功耗大，能效低，节能减排需求迫切。按照现有的基站功耗的统计数据，功放能耗占基站能耗的绝大部分，约70%左右，因此通过采用高效率的功放技术来降低功放功耗是基站节能的关键。

有源天线通过射频处理单元和辐射天线之间的集成，降低电缆传输损耗。按照目前天线与RRU之间的距离，有源天线相对无源天线大约可降低1  dB的功率损耗；同时有源天线相对传统天线采用独立的小功率收发系统，同等辐射功率下可获得至少2  dB的增益提升。有源天线带来的3  dB增益，可以扩大40%的覆盖面积，这样大约可减少30%的站点以及26%的功率损耗。

可以看出，有源天线的应用不仅可以提高功放效率，还可以从增强小区覆盖，提高系统灵敏度等多个方面实现节能减排。

5 新型天线技术未来发展思考

5.1  小型化天线技术

目前移动通信基站设备和天线实现一定程度的小型化，业内出现小型化天线的应用案例，限于各种因素，目前的小型化天线的安装仍需要一定的天面资源，而且性能指标有待提高，工作频段较窄。如果在网应用，需要多个的小型化天线同时工作才能全频段覆盖，这就失去小型化的优势和意义。

未来运营商应引导产业优势力量，推动天线后端设备的充分集中一体化，达到利用环境实现美化和隐身的目的，实现天面资源的真正节约和灵活的部署方式。在推动天线小型化的同时，实现天线工作频段的宽带化，以利于减少天线数量和未来系统升级，充分体现小型化天线的优势。

5.2  多制式天线技术

多制式天线超越了传统意义上的超宽带天线，实现不同制式的独立调节。目前的超宽带天线仅工作频段覆盖多个制式的网络，每个制式无法实现独立灵活的调节，这就无法在不同制式需要不同下倾角的场景下应用，而且较为严重的系统间干扰问题限制了超宽带天线的应用推广。

未来运营商在推动多制式天线技术发展和产品成熟的过程中，应挖掘新型器件和新型材料的应用，以解决不同频段的信号合路和分路问题；推动先进的移相器技术在天线领域的应用，以解决独立调节所需的复杂移相器和控制难题；另外，推动解决多制式天线带来的不同系统间的干扰问题。

5.3  有源天线技术

有源天线是未来网络发展的必然趋势。业内各方提出了有源天线的概念，并针对自身的产品做了大量宣传。目前有源天线还处于发展初期，天线辐射单元和射频模块通过物理叠加或简单组合实现有源化，工作频段相对较窄，无法实现有源天线的优越功能，而且天线有源化后，受限于基带信号传输接口，天线与主设备之间无法互联互通，不利于未来有源天线技术和产业的良性发展。

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，推动基带信号传输接口的标准化，保证有源天线与后端设备的兼容性应用。

6 结束语

实现节能减排是运营商在激烈竞争的环境中快速降低运营成本，提升盈利能力行之有效的手段，也是对传统运营模式的考验。由于传统天线功能和应用模式的限制，现有的天线难以应对移动通信系统面临的节能减排压力。如何打造一个绿色节能的无线网络是关系到人类生存环境的健康与和谐发展的生态工程，因此实现节能减排的各种新型天线的是绿色网络的选择，也是未来天线技术的必然发展趋势。通信运营商作为移动通信产业的引领者，应该根据无线通信网络发展的实际需求，密切结合节能减排趋势和要求，引领新技术发展，大力推动新型天线产品开发及应用。