1 引言
隨著技術(shù)發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商不斷推出一些新型的技術(shù)，如分布式基站、節(jié)能軟件（時隙/載頻智能關(guān)斷）、各種覆蓋增強型技術(shù)、共建共享等。這些節(jié)能減排技術(shù)在工程中靈活應(yīng)用，可以大大節(jié)約建設(shè)成本，降低網(wǎng)絡(luò)能耗。在天饋層面如何結(jié)合這些新型技術(shù)實現(xiàn)更大程度上節(jié)能減排，對移動通信的發(fā)展具有重要意義。
2 基站天線的小型化實現(xiàn)節(jié)能減排
小型化基站具有體積小、功耗低等特點，有利于站址選取，便于天線的運輸和安裝，可有效降低移動通信系統(tǒng)的建網(wǎng)與運維成本。
2.1 天線小型化技術(shù)
由電磁波輻射原理可知，天線輻射單元的尺寸大小和工作頻段對應(yīng)的波長相比擬。受技術(shù)發(fā)展和工藝水平的限制，現(xiàn)網(wǎng)中應(yīng)用的移動通信基站天線尺寸都較大。以GSM 900 MHz頻段的天線舉例，65°17dBi的天線長度達到2.1 m，90°17dBi天線長度甚至達到2.6 m。天線尺寸過大不僅需要占用較多的天面資源，還會引起居民對電磁輻射的恐慌和抗拒，造成選址和建站困難，新站點的建設(shè)成本明顯提高。
為了解決目前移動通信系統(tǒng)因天線尺寸較大造成的各種難題，基站天線應(yīng)突破半波振子的尺寸限制，采用新技術(shù)實現(xiàn)更小尺寸的輻射單元，并確保天線整體性能的優(yōu)越性。天線的增益與其工作頻率、有效輻射面積、輻射效率有關(guān)，詳見公式（1）。有效輻射面積越大，天線增益越高。因此，如果能提高天線的有效輻射面積，即使減小天線輻射單元物理面積也能獲得增益提升。
目前出現(xiàn)的口徑耦合多層貼片天線等新型輻射單元可以大幅度提高天線有效輻射面積，在輻射單元物理尺寸減小的情況下也能保證輻射單元具有較高的增益。新型輻射單元在移動通信天線中的應(yīng)用可以實現(xiàn)天線的小型化。
2.2 小型化天線實現(xiàn)的節(jié)能減排效果分析
為了應(yīng)對資源日趨緊張的挑戰(zhàn)，目前的基站形態(tài)大多采用分布式基站。分布式基站采用射頻拉遠技術(shù)，將傳統(tǒng)的宏基站設(shè)備分為基帶單元（BBU）和射頻拉遠單元（RRU），采用光纖進行連接，一方面可以降低饋線損耗，增強上下行覆蓋，另一方面可以減少饋線采購的成本。受限于天線的尺寸，分布式基站在選址和能源消耗方面依然有較大的改善空間。
天線實現(xiàn)小型化后，分布式基站可以適應(yīng)多種安裝場景，天線的安裝降低對天面資源的要求，可有效解決站址獲取難題；天線設(shè)備體積變小，重量降低，便于運輸和安裝，加快了工程進度；小型化天線整機功耗可以大幅度降低，配套電源和蓄電池成本也將會大大減少；天線尺寸的減小，使得偽裝天線的應(yīng)用成為可能，這將在更大程度上降低基站選址難度和成本。
因此，根據(jù)目前基站數(shù)量的建站成本估計，天線的小型化將帶來30%建網(wǎng)成本的降低，20%運維成本的降低，以及20%網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)閑置率的降低。
3 天線多制式應(yīng)用實現(xiàn)節(jié)能減排
多制式天線能夠同時支持多種通信系統(tǒng)的無線信號傳輸，可有效減少天線數(shù)量，降低硬件成本與能耗，有利于實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡(luò)的共建共享。
3.1 多制式天線技術(shù)
目前在現(xiàn)網(wǎng)中所應(yīng)用的大部分基站天線工作在單制式模式，也就是一副天線的工作頻段只覆蓋一個制式，僅少數(shù)天線能覆蓋頻段相近的兩個制式。這樣在一個扇區(qū)內(nèi)，每一個制式的都至少需要3面天線。現(xiàn)在國內(nèi)3家運營商共有3種制式的移動通信系統(tǒng)在運營，分布在5個頻段上。每一家運營商獨立建網(wǎng)，這樣的發(fā)展模式造成了移動通信基站數(shù)量的激增和基站建設(shè)成本居高不下，而且不利于未來網(wǎng)絡(luò)的演進。截止到2 0 1 1年初，中國移動通信基站數(shù)量已超過160萬個，單制式天線的應(yīng)用模式面臨著巨大的挑戰(zhàn)，一副天線覆蓋兩種甚至更多種制式是天線技術(shù)發(fā)展的必要趨勢。
所謂多制式天線，其工作頻段不僅覆蓋多種制式，而且在每一個頻段上均可實現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)和控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化的便利性。多制式天線超越了超寬帶天線的概念，通過解決不同頻段的信號合路和分路技術(shù)，獨立調(diào)節(jié)每個頻段上的天線輻射參數(shù)，抑制不同系統(tǒng)之間的信號干擾，可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能和應(yīng)用的靈活性。
3.2 多制式天線實現(xiàn)節(jié)能減排效果分析
多制式天線的實現(xiàn)和應(yīng)用，可以將目前多副天線的功能集中到一副天線中實現(xiàn)，將會極大地減少現(xiàn)網(wǎng)中所需要的天線數(shù)量。更重要的是，多制式天線使得移動通信系統(tǒng)的共建共享成為了可能。按照目前中國聯(lián)通、中國移動和中國電信的網(wǎng)絡(luò)制式和頻譜劃分，未來最理想的情況下，在一個基站上只需要3副多制式天線即可完成網(wǎng)絡(luò)的正常覆蓋，相對于目前的應(yīng)用模式，可以將建站規(guī)模和成本降低至現(xiàn)在的1/6。這里降低的不僅是硬件設(shè)備成本，同時也降低了電源消耗、傳輸線路中的功率損失及電磁污染等。
由此可以看出，多制式天線技術(shù)在移動通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，不僅可以降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，也可以節(jié)約能源和降低污染，理想情況下可以實現(xiàn)80%左右的成本和能耗降低。
4 有源天線技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能減排
無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)逐步趨于扁平化，集中式的設(shè)備正逐步替代分布式設(shè)備，光纖逐步替代銅纜，天線有源化是未來必然的發(fā)展方向。有源天線將無線射頻單元與天線輻射單元集成設(shè)計，可有效降低射頻信號傳輸損耗，提高基站的功放效率，增強網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。
4.1 有源天線技術(shù)
傳統(tǒng)基站的射頻處理單元和天線是分離式設(shè)計的，天線通過多個無源輻射單元組合實現(xiàn)波束成形。射頻處理單元和天線之間采用射頻電纜傳輸信號，這樣造成射頻信號在傳輸過程中的功率損耗，降低能源利用率。同時在分離式布放的應(yīng)用方式下，RRU（遠端射頻單元）和天線均需要占用天面資源安裝，這樣又增加運營商的建站成本。
有源天線技術(shù)是將射頻處理單元和天線輻射單元集成在一起，每一個輻射單元對應(yīng)射頻收發(fā)系統(tǒng)，這樣就可以省去天線和射頻處理單元間的電纜連接，極大地降低傳輸損耗；另一方面，有源天線由多個相對獨立的含射頻收發(fā)系統(tǒng)的天線輻射單元組成，通過靈活的配置可以實現(xiàn)靈活的波束控制，增強天線覆蓋能力，并且提高系統(tǒng)靈敏度。
4.2 有源天線實現(xiàn)節(jié)能減排效果分析
目前現(xiàn)網(wǎng)中的基站設(shè)備功耗大，能效低，節(jié)能減排需求迫切。按照現(xiàn)有的基站功耗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，功放能耗占基站能耗的絕大部分，約70%左右，因此通過采用高效率的功放技術(shù)來降低功放功耗是基站節(jié)能的關(guān)鍵。
有源天線通過射頻處理單元和輻射天線之間的集成，降低電纜傳輸損耗。按照目前天線與RRU之間的距離，有源天線相對無源天線大約可降低1 dB的功率損耗；同時有源天線相對傳統(tǒng)天線采用獨立的小功率收發(fā)系統(tǒng)，同等輻射功率下可獲得至少2 dB的增益提升。有源天線帶來的3 dB增益，可以擴大40%的覆蓋面積，這樣大約可減少30%的站點以及26%的功率損耗。
可以看出，有源天線的應(yīng)用不僅可以提高功放效率，還可以從增強小區(qū)覆蓋，提高系統(tǒng)靈敏度等多個方面實現(xiàn)節(jié)能減排。
5 新型天線技術(shù)未來發(fā)展思考
5.1 小型化天線技術(shù)
目前移動通信基站設(shè)備和天線實現(xiàn)一定程度的小型化，業(yè)內(nèi)出現(xiàn)小型化天線的應(yīng)用案例，限于各種因素，目前的小型化天線的安裝仍需要一定的天面資源，而且性能指標有待提高，工作頻段較窄。如果在網(wǎng)應(yīng)用，需要多個的小型化天線同時工作才能全頻段覆蓋，這就失去小型化的優(yōu)勢和意義。
未來運營商應(yīng)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢力量，推動天線后端設(shè)備的充分集中一體化，達到利用環(huán)境實現(xiàn)美化和隱身的目的，實現(xiàn)天面資源的真正節(jié)約和靈活的部署方式。在推動天線小型化的同時，實現(xiàn)天線工作頻段的寬帶化，以利于減少天線數(shù)量和未來系統(tǒng)升級，充分體現(xiàn)小型化天線的優(yōu)勢。
5.2 多制式天線技術(shù)
多制式天線超越了傳統(tǒng)意義上的超寬帶天線，實現(xiàn)不同制式的獨立調(diào)節(jié)。目前的超寬帶天線僅工作頻段覆蓋多個制式的網(wǎng)絡(luò)，每個制式無法實現(xiàn)獨立靈活的調(diào)節(jié)，這就無法在不同制式需要不同下傾角的場景下應(yīng)用，而且較為嚴重的系統(tǒng)間干擾問題限制了超寬帶天線的應(yīng)用推廣。
未來運營商在推動多制式天線技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品成熟的過程中，應(yīng)挖掘新型器件和新型材料的應(yīng)用，以解決不同頻段的信號合路和分路問題；推動先進的移相器技術(shù)在天線領(lǐng)域的應(yīng)用，以解決獨立調(diào)節(jié)所需的復(fù)雜移相器和控制難題；另外，推動解決多制式天線帶來的不同系統(tǒng)間的干擾問題。
5.3 有源天線技術(shù)
有源天線是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。業(yè)內(nèi)各方提出了有源天線的概念，并針對自身的產(chǎn)品做了大量宣傳。目前有源天線還處于發(fā)展初期，天線輻射單元和射頻模塊通過物理疊加或簡單組合實現(xiàn)有源化，工作頻段相對較窄，無法實現(xiàn)有源天線的優(yōu)越功能，而且天線有源化后，受限于基帶信號傳輸接口，天線與主設(shè)備之間無法互聯(lián)互通，不利于未來有源天線技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。
在有源天線技術(shù)的發(fā)展過程中，運營商應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和應(yīng)用要求，推動天線輻射單元與射頻模塊的一體化融合，實現(xiàn)真正意義上的有源天線；推動天線及射頻器件的寬帶化，實現(xiàn)有源天線的多制式靈活應(yīng)用；更重要的一點，推動基帶信號傳輸接口的標準化，保證有源天線與后端設(shè)備的兼容性應(yīng)用。
6 結(jié)束語
實現(xiàn)節(jié)能減排是運營商在激烈競爭的環(huán)境中快速降低運營成本，提升盈利能力行之有效的手段，也是對傳統(tǒng)運營模式的考驗。由于傳統(tǒng)天線功能和應(yīng)用模式的限制，現(xiàn)有的天線難以應(yīng)對移動通信系統(tǒng)面臨的節(jié)能減排壓力。如何打造一個綠色節(jié)能的無線網(wǎng)絡(luò)是關(guān)系到人類生存環(huán)境的健康與和諧發(fā)展的生態(tài)工程，因此實現(xiàn)節(jié)能減排的各種新型天線的是綠色網(wǎng)絡(luò)的選擇，也是未來天線技術(shù)的必然發(fā)展趨勢。通信運營商作為移動通信產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)者，應(yīng)該根據(jù)無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的實際需求，密切結(jié)合節(jié)能減排趨勢和要求，引領(lǐng)新技術(shù)發(fā)展，大力推動新型天線產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用。
