中国基站天线行业技术及发展方向分析.docx

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中国基站天线行业技术及发展方向分析

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提示：从通信容量来看，香农极限决定了单信道的容量。香农公式：C=Bn

??????从通信容量来看，香农极限决定了单信道的容量。

??????香农公式：C=B?log2(1+S/N)

??????C?是信道容量，B?为信道带宽（频谱资源），S/N?为信噪比。因此如果要提升通信容量，则只能拓宽频谱资源，或者进一步提升信噪比。由于频谱资源是有限的，因此在考虑拓宽频谱资源的同时，通信产业内也在想方设法提升单位频谱上的通信能力，也就是频谱效率。ITU?定义的?5G?八大关键能力中，对频谱效率就直接提出了?2-5?倍的需求。

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图表：ITU?定义的?5G?八大关键能力

??????频谱效率=C/B=log2(1+S/N)

??????而频谱效率的提升需要靠提高信噪比，频谱效率需要对信噪比取对数，就意味着为了提升频谱效率而在信噪比上的投入很大，同时信噪比的提升是通过提高信号功率或者降低噪声来实现，而噪声是无法消除的，所以信噪比本身也难以无限提升。因此为了突破香农极限，5G?将引入?SCMA（空分多址）技术，用以提升过去单位频率和时间基础上的信道容量，以此来实现频谱效率的提升。而实现?SCMA?的核心关键，就在于?Massive?MIMO?天线。

??????一、SCMA：实现基于空间的复用

??????当我们回顾移动通信系统的历史的时候，我们可以看到从第一代移动通信（模拟）开始，每一代的通信系统都提出了更加有效的复用方式，用以在单位时间和频谱资源上提升信道容量。

图表：通信系统升级的历史

??????SCMA?提出了一个基于空间维度的复用方式，通过指向性的无线信号辐射，可以在原来的时间和频率基础上增加空间维度的复用，因此可以在同一时间在不同方向上建立通信信道。

图表：空分复用图示

??????实现?SCMA?的关键就在于增加天线阵子的数量，通过阵子之间发射不同相位的信号，用以实现无线信号的指向性发射。因此通过不同波束赋形之间的组合，就可以实现同时建立基站和多个用户终端之间的连接，从而大幅提升频谱效率。

??????按照目前?4G?LTE?较为流行的系统来看，TD-LTE?在使用?20MHz?带宽的情况下，下行能达到?100Mbps/Hz?左右，也就意味着不考虑开销的情况下频谱效率能够达到?5bps/Hz?左右。而?5G?基站要求在?100MHz?的带宽下能够达到单基站?3Gbps?的下行速率，频谱效率要求达到了?30bps/Hz。在香农公式的约束下，大规模阵列天线成为实现频谱效率大幅提升的关键技术。

图表：波束赋形的实现方式

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图表：波束赋形无线信号示意图

??????参考

发布《2017-2022年中国基站天线行业深度研究及十三五发展机会分析报告》

??????二、Massive?MIMO?提高天线覆盖能力

??????除提升频谱效率以外，Massive?MIMO?使用波束赋形技术后，由于多个天线辐射的信号叠加，在指定的方向还能获得明显的阵列增益，或者在相同天线增益要求下，通过多个天线信号叠加，每一通道信号的增益要求显著降低。

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??????以上为自由空间天线传播模型公式，我们可以做一个简单的解读：

??????接收功率=（发射功率*发射天线增益*接收天线增益*波长的平方）/（常数*距离的平方*其他损耗*）

??????也就是在给定其他条件下，5G?由于频率高于?4G?因此波长比?4G?信号小，5G?基站的覆盖距离要大幅小于?4G?基站。

??????为了弥补高频带来覆盖范围的损失，减少基站数量的建设，引入大规模天线以增加发射天线增益变得尤为重要。

图表：大规模天线可以扩大信号传输距离

??????Massive?MIMO?技术，可以通过多波束来达到空分复用，实现频谱效率的大幅提升；同时还能在每一个波束上增强指定方向的发射功率，用以弥补在?5G?高频段上的覆盖能力缺陷；此外?Massive?MIMO?系统还可以相应地降低每一个子通道的功率要求。

??????三、Massive?MIMO?有望推动天线有源化

??????从?90?年代的?GSM?称作?BTS?的宏基站，到?2004?年华为首先推出的分布式基站（BBU+RRU?拉远），再到?2012?年业内推出?AAU?有源天线的解决方案，其中核心的演进方向就是小型化和集成化。但是由于有源天线集成化程度较高，而且?RRU?也要放置在塔上，所以我们看到目前?AA