面向5G的Massive MIMO天线技术究竟是“何方神圣”

       摘要：第五代移动通信技术中有许多关键性的技术突破，其中Massive MIMO技术是5G通信中比较重要的技术。根据Massive MIMO技术的相关要求，5G移动通信的天线应具有高增益、小型化、宽频段及高隔离度等技术特征，以满足5G通信的高传输速率、波束智能赋形、波束能量聚集等功能。金智创新主要介绍了5G Massive MIMO天线的发展状况。

　　5G通信面向中高段频段，解决了低频段频谱资源拥挤的问题。但中高频段通信面临一系列的技术问题，其中以现有的MIMO通信系统为基础所提出的Massive MIMO系统是其中关键的一项。基于阵列式的多入多出(Massive MIMO)技术使基站天线数量成倍增加，远远超过了移动终端使用的天线，从而大幅提高通信频谱效率。

　　5G频段资源划分

　　频谱资源是无线移动网络提供服务的基础。根据世界无线电通信大会(WRC)确定的候选频段，5G频谱的新增频段主要分布在6GHz以下的中频段和大于6GHz的高频段两个范围内，其中Sub-6G基础设施将继续利用2.5-2.7GHz的大量可用频谱，同时增加3.3-5.9GHz的频率;我国高频频谱主要分布在24.75-27.5GHz、37-42.5GHz范围。

图1 世界无线电通信大会(WRC)确定的5G候选频段

　　在中频段上，3.5GHz兼具良好的无线传播性能和带宽优势，被全球多个国家视为5G网络的先锋频段，也就是最有可能率先商用的频段。另一个 4.9GHz频段亦非常优秀，但该频段在欧美韩都已被占用，只有中日启动测试，在中国可能会作为3.5G的补充手段实施。

　　关于大于6GHz的高频毫米波，因掣肘于高频射频产业技术限制，不属于率先部署范畴，但其充裕的频谱资源是未来5G通信发展的重要方向。从技术的成熟度来看，在短期内将率先看到Sub-6GHz无线基础设施大范围部署，以弥补现有4GLTE网络与未来毫米波(mmW)5G网络实施之间的带宽差距。

　　Massive MIMO天线

　　Massive MIMO的要求是在有限的空间内兼容大量隔离度好的多天线以保证波束赋形所需的增益和精准度。在 2G到4G 的发展过程中，天线从全向的棒状天线依次演化成定向单/双极化天线、ESC单/双极化天线、双ESC双极化天线到多频双极化天线等。4G 时代，通信网络通常采用2/8/16通道天线，射频器件与天线分离。在 5G 时代，频率增加波长减小，并且接收信号的减弱迫使天线元件的数量增加。Sub-6G和毫米波两种方案在基站端均要求采用Massive MIMO技术来提高网络容量和信号质量，高频段的天线数量也达到了64/128/256通道，目前普遍在测试阶段的是128天线阵列64T64R计划。

图1 传统基站天线与Massive MIMO天线电气化性能

(数据来源：金智创新行研中心整理)

　　为了解决基站臃肿的问题，天线有源化、小型化和一体化是未来的发展趋势，RRU与天线结合成AAU不仅简化了设备还大幅降低了功耗。目前国内较为先进的是华为科技的安装天罡芯片的5G基站系统，此芯片可控制业界最高64路通道，支持200M运营商频谱带宽;同时该芯片使基站尺寸缩小超50%，重量减轻23%，功耗节省达21%，安装时间比标准的4G基站节省一半时间，有效解决了基站选址难、成本高等问题。目前，中国移动已于华为合作开展4.9GHz频段试用，基站采用华为最新64T64R的AAU5913，频率带宽高达100MHz，可兼容4G/5G网络，实测速率2.8Gbps。

表1 各设备厂商64T64R AAU电气参数

(数据来源：金智创新行研中心整理)

　　国内基站天线寡头垄断，小基站成突破方向

　　基站天线行业竞争激烈，但具有一定研发实力、较大产能规模、具备国际竞争力的与业厂家较少。目前国内基站天线设备商主要包括华为、京信通信、通宇通讯、摩比发展、盛路通信等少数几家企业，竞争格局明晰，华为一家独大，京信较为领先，通宇、摩比紧随其后。其中华为从2014年的14%的市占率一举扩大到32%，主要得益于其通信设备业务拓展至全球，带动了天线业务快速扩张。

图2 2017全球基站天线竞争格局

(数据来源：中信证券投资顾问部)

　　在5G时代，有源天线已经成为主流。天线制造商需要更多地与设备商集成生产有源天线，造成其对设备商的依赖加强。这种变化一方面削弱了天线制造商的话语权和盈利能力，另一方面也意味着需要获得设备商的认同才能进入供应系统，市场门槛变高。因此，天线生产商未来市场份额的变化主要由不同天线厂商所服务的设备商的份额变化来决定，这也正是通信设备商华为崛起的原因，而京信通信则丢失了其之前的市场份额，其他两家企业也面临同样的问题。

　　5G通信要部署大量的小基站，4G 时代小基站市场并没爆发，主设备商也没有大力进入，但5G时代小基站有着广阔的发展前景。2015 年中国移动曾对小基站进行过一次集采，华为并没有入选，中兴通讯份额也不高，而原来从事WLAN、室内分布的中小设备厂商排名很靠前，如京信通信、邦讯 技术(博威)、三元达等。以京信通信为例，小基站已在全国 21 省市商用，这些商用大多通过省级运营商散采获得，而京信通信通过遍布全国的办事处以及前期做室分业务的积累，获取了丰富的站址资源，因此获得了绝大多数省份市场 50% 的份额，遥遥领先竞争对手，俨然成为小基站领域的领头羊企业。

　　结语

　　随着Massive MIMO技术的不断发展，未来Massive MIMO技术必将得到广泛应用，天线小型化有利于阵列天线的安装部署。频段升高，基站数量增加也必将加强有源一体化天线的普及趋势，一体化基站子系统将会被广泛地应用。