5G基站天线研究——5G基站天线由NSA到SA形式的过渡

5G基站天线研究——5G基站天线由NSA到SA形式的过渡

王昊杨

中国计量大学  浙江 杭州  310000

2019年6月6日，工信部向中国三家通信公司和广电网络发放5G商用牌照，标志着移动通信网络正式进入level 5。近年来，无线移动通信的发展突飞猛进，仅仅半个世纪的时间，移动通信便从第一代的移动通信系统（1G）发展到如今即将商用的第五代移动通信系统（5G）1。但发展至今，仍然有许多无法解决的问题在挑战着科学家们。

天线，是用于收发射频信号的无源器件，其决定了通信质量、信号功率、信号带宽、连接速度等通信指标，是通信系统的核心。按照在通信网络中的应用，天线可以分为无线通讯终端天线和网络覆盖传输天2。5G 基站的天线处于主要工作频段之外,在抗干扰能力方面要求很高3。相较于4G，5G在网络架构、实现方式、运维及服务对象方面均发生了变化4。

第五代移动通信技术迅猛发展,随着国内 5G 通信基站的大量建设，其电磁辐射也成为环境监测和公众关注的焦点5。随着 5G 的发展及推广,针对 5G 基站天线的研究热度越来越高，因为相较于4G，在5G通信系统中基站天线在功能上有着很大的变化，其中最为关键的功能即为波束扫描6。目前，5G移动通信已初步实现商用7。

以前的老式的直板机和大哥大都是有外置天线的，就好像是收音机的天线，要是如今的手机安一个这样的天线，应该没什么接受的了。当一种技术成为过时的代名词，其被淘汰就是意料之中的事，当大家开始把天线做在手机内部的时候，从那时候的塑料机到现在我们看到的一些三段式金属手机，其实原理上都大同小异，把手机拆开，在顶部和底部看到一些很奇怪的纹路，其实这就是内部的天线，为什么要做成这种弯弯曲曲的呢？因为天线必须要有一定的辐射长度才能正常的工作，而在内部空间有限的情况下，也只能做成现在所看到的样子了，这种就是FPC天线，简单来说就是把一小部分FPC(软性印刷电路)用作天线，但是这种已经十分少见了，大部分都换成了激光印刻(LDS天线)，直接把金属打印在塑料基材上，另外还有一种是PCB天线，原理和上面的一样,不同之处就是在电路设计时将天线线路设计成PCB上的铜线而取代天线这种元器件。

众所周知，信号从1G发展到5G意味着信号波长变短，最直观的表现形式就是单位面积基站的覆盖面积逐渐减小，目前，由NSA（非独立组网架构）实现的5G信号部署所建设的基站量是由SA（独立组网架构）实现的4G信号部署的很多倍，并且5GNSA的信号质量非常的差，甚至连较厚的墙多有可能无法穿透。所以究竟如何才能快速有效地解决5G由NSA到SA的过渡是目前科学家致力于解决的问题之一。要了解这一问题及找到对策，需要先了解什么是NSA和SA部署，其异同点和优劣性，为什么SA比NSA适用性更广。

NSA（非独立组网架构）指的是用在运行的4G基础设施进行5G网络部署。基于NSA架构的5G载波仅承载用户数据，其控制信令仍通过4G网络传输。通过NSA的基本定义形式可以发现NSA部署的5G承载的依旧是4G形式流量，但目前NSA确实属于真5G的范畴，可能也是对目前技术局限性的妥协。使用NSA部署实现5G网络的原理和形式有以下几点：双连接：手机能同时使用4G和5G，同时异频上传和下载数据，通常情况下会有一个主连接和一个从连接；控制面锚点：双连接中的负责控制面的基站就叫做控制面锚点；分流控制点：用户上传和下载的数据需要分流至双连接的两条独立路径上传送，而此时需要一个分流的位置，这个点便是分流控制点。总得来说，NSA要比SA复杂得多,这也是省钱所必须要付出的代价。

SA（独立组网架构）指的是新建的5G网络，包括新基站、核心网以及回程链路。SA引入了全新接口与网元，并将大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等一系列新技术，与5GNR结合，同时其网络规划部署、协议开发及互通互操作所面临的技术挑战将超越3G和4G。5G大面积SA部署覆盖目前在中国珠三角地区已小有成效，其信号覆盖面积和质量都是前所未有的，网速一度达到1000Mbps，能够同时满足的上传下载用户数及数据量也创历史新高。目前SA架构的集中优点有如下几点：一步到位引入5G基站和5G核心网，不依赖于现有4G网络，演进路径最短；全新的5G基站和5G核心网，能够支持5G网络引入的所有新功能和新业务。

既然已经有了SA这样趋近完美的部署形式，为什么硬件设备还是不能投入量产，为什么SA部署的5G网络还是不能走进每家每户呢？

首先来看SA部署所需要的部署环境和硬件条件。就部署环境来看，目前SA面临的问题有如下：5G 频点相对 LTE 较高，初期部署难以实现连续覆盖，会存在大量的5G与4G系统间的切换，用户体验不好；初期部署成本相对较高，无法有效利用现有4G基站资源。就硬件条件来看，SA部署需要可以大范围传播短波高频信号的基站，且需要保证基站间干扰极小的同时满足覆盖区域的信号优良程度，这样的设备在NSA部署中是不需要的，所以大部分4G基站无法满足这样的要求。

随着5G技术的发展和应用,有源的大规模自适应多波束阵列天线已成为5G基站天线、海事卫星通信以及空天地一体化通信的研究热点和发展方向,而大规模MIMO共形阵和波束赋形技术是其中极为关键的一环8。第五代移动通信技术的迅速发展对基站天线提出了更高的要求和挑战,宽带宽、高增益、低剖面、高隔离等等一系列的指标也是未来基站天线的发展方向9。追剧刷视频得跑到户外，可能是 5G 时代初期的体验，因为多半在室外才能找到信号。想窝在家里使用 5G 手机追剧，感受网速超快、视频秒开，然而想要实现这美滋滋的情景可能对宅男宅女来说有点儿困难10。针对 5G 大范围覆盖的应用场景进行了设计探讨,提出通过对基站天线垂直面进行余割平方成形、以保证大范围覆盖应用场景下信号的均匀性的方法11。中国移动通信天线产业的发展速度是非常快的,4G 时代还没有开始多久,而 5G 时代马上就要来临12。

其实，目前从4G到5G的过渡，犹如当年3G到4G的变迁。时代在进步，从4G到5G需要的时间一定比从3G到4G要短，给人类带来的好处也远比4G时代的多，除了好处，也会有更多意想不到的惊喜。

1、张乘峰 陆云龙 黄季甫 宁波大学信息科学与工程学院-《一种新型5G基站天线》

2、林然-《天线:5G与物联网引领终端与基站齐升》

3、孟涛-《5G的基站通信天线的研究》

4、《5G时代，通信企业的变革20202021年》

5、邓晓钦 高鹏 四川省辐射环境管理监测中心站-《5G移动通信基站电磁辐射监测波束引导必要

性研究》

6、蒋沅臻 西安电子科技大学 《5G基站天线小型化及其关键技术研究》

7、褚庆昕 常玉林 吴锐 陈袁泷 华南理工大学 -《5G基站天线面临的电磁兼容问题及对策》

8、谢明聪 桂林电子科技大学-《应用于5G通信的柱面共形阵列天线研究》

9、聂政航 西安电子科技大学-《基于超材料的5G基站天线研究》

10、苑广阔-《5G 信号应跟上5G手机步伐》

11、黄建军 黄晓明 摩比天线技术(深圳)有限公司 中国联合网络通信有限公司广东省分公司-《5G移动通信特殊成形基站天线设计》

12、李中军 北京中网华通设计咨询有限公司-《5G时代移动通信天线产业的机遇和挑战》

作者简介：王昊杨(1998.8-)，男，汉族，浙江杭州，本科在读，研究方向：电子信息科学与技术。