一、引言
2015年11月份，美国EJL Wireless Research LLC的“7th Edition：Global BTS Antenna Market Analysis and Forecast, 2015-2019报告出炉，报告显示：2014年全球移动通信基站天线采购总量467万副，中国厂发货总量240万副，超过了全球采购总量的50%。同时，京信通信连续第四年进入全球一级供应商，发货数量首次位居全球第一。国内天线厂家华为、摩比、通宇、虹信也跻身全球TOP10，标志着中国正式成为全球移动通信天线产出大国。
4G建设的高潮还在继续，5G网络的钟声已经敲响。ITU-R 2015年WG会议确定了IMT-2020（5G）工作计划，在2020年完成全球统一的5G标准制定。在万物互联的5G时代，智慧城市、无人驾驶、无人工厂、远程手术——5G畅想曲越发清晰。5G网络的蓝图是100倍于4G的高速率到达10GB/s、小于1毫秒的低时延、支持1000亿+连接的高密度和1000倍于4G的高容量。一方面要求Massive MIMO天线和一体化有源天线等天线系统服务于宏基站，另一方面无处不在的微站和皮站要求天线和基站设备高度融合为一体。形形色色的有源天线在5G时代的应用前景十分广阔。
二、中国移动通信天线产业发展之路
1）2001年以前，国外厂家垄断中国市场
2001年以前，我国移动通信市场上的基站天线几乎100%被跨国天线公司所垄断，从我国建设移动通信网开始，基站设备一直是从国外采购。同时，国外厂商将天线以“打包”的方式在中国进行销售，并且提出若基站天线系统“拆包”采购，他们将不负技术上的任何责任，为降低风险，国内大多数电信运营商均选择了外国品牌。国内基站天线没有机会形成自己的产业，国外跨国公司在基站天线设备上赚取了高额利润。据统计，截止2001年底，我国建设20万个基站，按每个基站4～6面天线计，共需80万～120万面天线。早期基站天线单价约2-3万元人民币，到2001年国外品牌的单价约9000元，按照加权平均价约1.5万元人民币计算，我国移动通信运营商仅天线一项就花去了超出150亿元人民币。
2）2002~2008年，天线开始拆包到全国集中采购，中国天线迅速成长
2002-2004年，部分运营商尝试天线拆包采购，国产天线有了一点点机会，采购量不到10%。2005年，中国移动率先拆包全国集中采购，国产天线占比75%。到2008年三大运营商均拆包集中采购，国产天线占比达到了85%以上。同时，由于国产天线参与竞争，迫使国外厂商天线价格大幅度下降，以15dBi的GSM900频段双极化天线为例，单价降至2000元左右，不到当年打包的五分之一。
然而不幸的是，在此期间，国内天线的低价竞争愈演愈烈，国产天线质量严重下降。只有少数厂家坚持质量底线，开始国际化的步伐。
3）2009~2010年，中国天线质量回归，优秀的企业脱颖而出
中国联通为了确保WCDMA网络建设的质量，在2009年基站天线集采规则中首次采用可靠性和质量性能一票否决制，依据天线性能参数与网络KPI的关联度设置权重并量化打分，明显提高了质量和技术门槛并拉开了技术分差，建立了到货抽检制度。2010年中国移动开始了整治在网天线质量的“工兵行动”，修订了天线设备技术规范，制定了完备的到货及现场检测规范，建立了质量追责制度。随着三大运营对天线技术和质量的关注度提高，国产天线质量迅速回归。坚持质量底线厂家拥有性价比优势，市场竞争力明显增强，同低端厂家明显切割。在国际市场，也逐步取得了同欧美厂家同台竞争的机会，中国品牌天线的全球占有率不断增加，优秀的中国天线品牌脱颖而出。2009年美国ABI 报告显示，京信通信天线全球排名第三，市场份额9%。
4）2011~2015年，中国天线进入高速发展期，成为全球移动通信天线输产出大国
2011~2015年是中国天线技术和制造水平高速发展阶段，中国天线厂家大力拓展海外市场，产品综合竞争实力超过欧美天线厂家，达到了世界领先水平，全球占比迅速提升。根据美国EJL移动通信基站天线分析报告：2011年~2014年，中国有四、五家天线厂家进入全球Top10，京信通信天线连续四年同德国Kathrein、美国Commscope三家被评为全球一级供应商（Top3），13年发货量全球第二，14年全球第一。仅仅用了4年时间，中国天线厂家全球发货总占比由23.4%增长至50.3%，复合增长率超过29%。

图1  2011-2014年，全球TOP10中中国品牌基站天线发货的全球占比
截止2015年底，中国移动基站数量为413万个，其中3G/4G基站数量约300万个；中国联通3G/4G的基站数量达到120万个，中国电信4G基站数量也达到46万个，加上2G基站数量，估计中国联通和中国电信的基站总数量超过220万个。中国在网基站天线超过1500万副，保守估计，十年来国产天线累积为国内三大运营商节省的采购成本超过800亿人民币，同时也创造了几百亿的外汇收入。
三、近三五年全球移动通信天线市场的需求规模及技术发展方向
通过对全球移动通信网络市场的深入调研和分析，我们认为：2015年是全球4G 网络建设最高峰，基站天线投资规模超过50亿美元，总需求量约530万副。随着全球部分地区4G网络建设的回落，2016年起，全球移动通信天线市场将进入转折期，需求量开始下降，到2018年，将回落至2013年的水平，在350万副左右。
2013 -2018年全球基站天线市场规模分析及预测（副）

注：图标中蓝色虚线为EJL的预测，红线是京信通信预测。
图2  2013-2018年，全球基站天线市场规模分析及预测
为了应对全球移动通信网络高速率、高容量、低成本、按需覆盖、节能减排的发展方向，未来三到五年，移动通信天线的发展主要呈现三个特点：小型化和宽带化；一体化和有源化；智能化和可感知。
1）小型化宽频带多系统共用电调天线将成为4G网络建设的绝对主流
进入4G及4G+时代，全球多数运营商同时运营多个制式多个频段的网络，导致基站的天面资源更加紧张，在一些高话务量区域已经“天线林立”，新增抱杆困难，再加上民众对“电磁辐射”的恐慌，选址难、建站难、新增天线更难已成为4G网络建设面临的最大挑战。另一方面，在一些共用铁塔或杆塔的站点，天线数量成倍增加，带来了天馈施工难度增加，系统的可靠性能降低。这些都标志着，小型化宽频带多系统共用电调天线成为网络建设的迫切需求。以五频10端口天线为例：可一次性解决5副单频天线的安装天面问题，降低60%的工程施工成本，节约80%的天面租金。
小型化宽频带多系统共用电调天线的实现是一个系统性工程，不是简单的把不同制式天线通过物理方式集成一起，而是通过需要在基站天线所涉及的场路一体化仿真、辐射单元小型化和宽带化、高低频辐射单元的空间重叠复用、移相器小型化和宽带化、传动机构及小型化外置RCU和嵌入式iRCU、动态隔离度调整、新型天线罩及小型化边界条件等领域内的持续技术创新，在与2G天线迎风面积相当的条件下实现双频共用、三频共用、四频共用乃至五频共用，才对客户有更高的的价值。或者说同等性能指标下，通过一系列的创新技术显著缩小尺寸和减轻重量。可见，小型化、宽带化、轻量化是多系统共用天线永恒的课题。
京信一直致力于“在保证性能指标不下降的前提下天线小型化技术的研究”。在2013年底，就在行业内推出“同等性能指标下，尺寸最小、重量最轻的新一代1710MHz~2170MHz小型化高品质4G基站天线”。2015年底，再次推出新一代1710MHz~2690MHz超宽带小型化高品质4G天线。以上两类小型化系列产品体积已降至常规设计的50%以下。
为满足不同制式通信系统的混合组网需求，相关小型化宽频带多系统共用电调天线产品需涵盖到4端口、6端口、8端口、10端口、12端口以及外置RCU、嵌入式iRCU等全系列产品，如下图所示。


LTE1.8G/2.1G/2.6G，4端口宽频带多系统共用电调天线（外置RCU/嵌入式iRCU）
（左：外置RCU电调天线；右：嵌入式iRCU电调天线，下同）


LTE1.8G/2.1G/2.6G，6端口宽频带多系统共用电调天线（外置RCU/嵌入式iRCU）


LTE700M/800M/900M/1.8G/2.1G/2.6G，6端口宽频带多系统共用电调天线（外置RCU/嵌入式iRCU）


LTE700M/800M/900M/1.8G/2.1G/2.6G，8端口宽频带多系统共用电调天线（外置RCU/嵌入式iRCU）


LTE700M/800M/900M/1.8G/2.1G/2.6G，10端口宽频带多系统共用电调天线（外置RCU/嵌入式iRCU）


LTE700M/800M/900M/1.8G/2.1G/2.6G，12端口宽频带多系统共用电调天线（外置RCU/嵌入式iRCU）
图3  小型化宽频带多系统共用电调天线系列产品下端面示意图
小型化宽频带化多系统共用电调天线可为不同制式通信系统提供简便、高度集成的基站天馈系统解决方案，同时满足不同方式的共建共享需求，是移动通信天线目前的主要发展方向之一。预计到2018年，多频天线的需求占比将超过80%，6端口和8端口将成为主流。
2）可感知天线系统很可能是4G时代移动通信天线最后一个技术热点
一直以来，对在网天线实时监控和有效管理都是全球运营商所面临的难题，特别是在站址分散、天线数量庞大、多个运营商多个系统共用杆塔或天线资源的今天，完全依赖人工不但耗费大量资源，而且问题分析定位时间长，网优响应速度慢、效率低，直接影响到运营商网络的品牌形象。为此，京信通信通过技术创新率先在2014年推出可感知天线解决方案，得到中央电视台等媒体的关注和报道。
我们认为，可感知天线系统的客户价值在于以下几点：
(1)     因基站天线在室外工作，其标签大多在两三年后就很难辨认。尤其电调天线，因RCU是通用设备，需要工程安装时输入天线的身份信息，身份信息张冠李戴时系统不会纠错。因此可感知天线自带身份信息，确保站点上天线身份信息正确完整，而且通过统一网管可以查阅。
(2)     自动感知天线的工程参数，包含天线方位角、机械下倾角、海拔高度和经纬度等，通过统一网管可以实时监控和告警。
(3)     存储网优的历史调整记录，以便日后网络优化时参考。
(4)     成本应控制在原天线成本的三分之一以下，设备必须小型化，满足与天线一体化设计，简单便捷的按照和校准。才能为客户带来高性价比和便捷性双重价值。
(5)     进一步技术发展是具备水平及垂直倾角二维远程调功能，方便运营商快速进行远程网优调整和后台数据智能管理，实现天线智能运维。
按照上述要求，天线可感知系统需要实现对天线方位角、机械下倾角、海拔高度、经纬度等参数的实时测量和记录。其中海拔高度、经纬度可采用北斗或GPS的方式测量，海拔高度的测量精度一般是5～10米，经纬度的测量精度一般是5米。机械下倾角可采用重力加速度计进行测量，测量精度约0.5º，且测量速度快，可用于监测天线姿态。天线方位角的测量比较复杂，几种可能的实现方式分述如下：
1）双GPS方案：可进行绝对方位角的高精度测量，测量时间约2分钟，实时性尚可。但当两个GPS接收机之间的距离缩小时，测量误差快速增大，比如当双GPS设备长度小于200mm时，测量误差大于5度，虽然可通过多次测量来提高精度，但实时性明显变差。如果在射线方向存在遮挡，其测量精度会大大降低。此外，该方案的设备成本较高。
2）和差波束方案：也可进行绝对方位角的较高精度测量，设备成本比双GPS低。缺点是测量时间过长，实时性不满足要求。如果要求设备小型化，差波束的斜率明显下降。同样，射线方向存在遮挡时测量精度同样降低。
3）电子罗盘方案：因受工程现场复杂磁环境的影响不能测量绝对方位角，但相对方位角的测量精度很高。约10秒钟的测量时间，在三种方案中耗时最短、实时性最好；设备可以做到不超过双频天线的截面积，满足一体化设计的小型化要求；成本也比较低。其缺点有二，其一不能测量绝对方位角；其二，抗近距离磁环境的干扰能力差，在其设备100mm范围内不能有磁性物质。
上述三种方案各有优缺点，均不能满足我们设定的客户价值需要，经过反复分析论证和对比试验，认为客户关心的是天线的方位角和俯仰角是否变化，而非绝对角度本身，因此，通过双GPS方案进行一次绝对方位角测量，用来对电子罗盘测量的方位角进行校准，可以到达事半功倍的效果。所以，采用电子罗盘和重力加速度计作为可感知技术的基本方案与天线一体化设计，再配合双GPS工具做一次性校准的组合方案性价比最高。方案的实现过程如下图：

图4 可感知天线技术方案实现示意图
该方案通过双GPS工具测量绝对方位角，对海拔高度、经纬度进行工程测量和记录；通过电子罗盘实时监测天线相对方位角，利用双GPS工具测量的绝对值校准后可得到实时的绝对方位角；通过重力加速度计实时监测天线的机械下倾角，从而完成了天线工程参数自感知的任务。目前，该解决方案已在国内12个省份完成试点，有效节省了网优人工成本，提升了优化效率，实现天线信息智能管理及维护。关于该可感知技术的提案已被国际AISG组织采纳，将成为AISG3.0标准的内容之一。可以预见，可感知天线系统将成为后4G时代移动通信天线的技术热点。
3）大规模阵列(Massive MIMO)有源天线是5G的关键技术之一
在介绍大规模阵列有源天线（简称Massive MIMO天线）之前，先分析一下5G网络主要技术场景及关键技术。
5G网络的应用可归为：连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个主要技术场景。
连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求，也是传统的4G主要技术场景。低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景，重点解决传统移动通信无法很好支持物联网及垂直行业应用的情况。
表1   5G主要场景与关键性能挑战

场景	关键挑战
连续广域覆盖	• 100Mbps用户体验速率
热点高容量	• 用户体验速率：1Gbps • 峰值速率: 数十Gbps • 流量密度: 数十Tbps/km2
低功耗大连接	• 连接数密度: 106 /km2 • 超低功耗，超低成本
低时延高可靠	• 空口时延: 1ms • 端到端时延: ms量级 • 可靠性: 接近100%

在连续广域覆盖场景，受限于站址和频谱资源，为了满足100Mbps用户体验速率需求，除了需要尽可能多的低频段资源外，还要大幅提升系统频谱效率。Massive MIMO天线是其中最主要的关键技术之一，新型多址技术可与Massive MIMO天线相结合，进一步提升系统频谱效率和多用户接入能力。在网络架构方面，综合多种无线接入能力以及集中的网络资源协同与QoS控制技术，为用户提供稳定的体验速率保证。
在热点高容量场景，极高的用户体验速率和极高的流量密度是该场景面临的主要挑战，超密集组网能够更有效地复用频率资源，极大提升单位面积内的频率复用效率；全频谱接入能够充分利用低频和高频的频率资源，实现更高的传输速率；Massive MIMO天线、新型多址等技术与前两种技术相结合，可实现频谱效率的进一步提升。
低功耗大连接场景和低时延高可靠场景的关键技术与Massive MIMO天线关系不大，省略不讲。
根据通信原理，“在频谱利用率不变的情况下，载波带宽翻倍则数据传输速率也翻倍”。“无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右”。因此载波频率越高，可实现的信号带宽也越大，数据传输速率就越高。比如毫米波28GHz频段的可用频谱带宽可达1GHz；而60GHz频段每个信道的可用信号带宽可达2GHz（整个9GHz可用频谱分成了四个信道）。然而，毫米波频段在空气中衰减较大，且绕射能力较弱，信号穿墙基本是不可能的。在户外开阔地带仍需要使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则使用微基站加上毫米波技术可实现超高速数据传输。而且，毫米波在空气中传输衰减大也可以被我们所利用，所谓”It's not a bug，it's a feature！”其他终端发射出的毫米波信号对手机干扰也比较小，所以毫米波系统在设计的时候不用特别考虑如何处理干扰信号，只要不同的终端之间不要靠得太近就可以了。

图5 毫米波必须配合微型基站（或接入点）使用
毫米波的另一个特点就是天线的物理尺寸比较小。相对于6GHz以下频段，相同功能的天线面积能够缩小几十乃至数百倍。因此我们可以方便地在室内基站侧配备毫米波Massive MIMO天线，在移动设备上配备毫米波高阶MIMO天线，从而进一步改善通信质量。
Massive MIMO天线可根据用户的特点自适应切换其功能，当用户需要高速率时，天线就切换复用功能；当用户需要高容量或用户与基站的距离远时，天线切换Beamforming功能；当客户对数传质量要求高时，天线就切换分集功能等，这些功能也是可以组合的。总之，Massive MIMO天线就是指在现有资源下，即不增加频谱资源，也不增加发射天线功率。自适应的通过多发多收技术和Beamforming技术，充分利用空间资源，成倍的提高系统信道容量和改善通信质量。
用于宏基站的Massive MIMO天线使用大规模组阵技术，通常使用超过64个端口的天线阵列，并与射频收发模块直接相连，在系统应用时，可以使用全阵单元或局部个别单元进行波束合成，实现高自由度的3D波束。

图6 使用局部阵列的Massive MIMO天线及其扫描波束
综上所述，一方面6GHz以下频段的Massive MIMO天线服务于5G宏基站，用于连续广覆盖场景，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。另一方面毫米波频段Massive MIMO天线服务于微基站，用于5G热点高容量区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。
四、中国移动天线的产业全球化战略的挑战
要实现中国移动天线产业的全球化战略，中国天线厂家面临很多挑战，主要有以下几个方面：
1） 缺乏全球化的专利布局策略
由于历史原因，中国天线厂家发展时间短，自主知识产权积累方面远落后于欧美厂家，缺少全球范围内的专利有效布局，发明专利占比小，国外专利数量更少，目前已不同程度的影响到了中国天线全球化市场的扩张进程。
2） 产品质量形象仍需持续提升
国内部分厂家质量意识不够，仍寄希望于通过低价获得市场竞争力。只有极少数大厂家实现了较高水平的自动化生产，多数天线厂家的自动化生产程度偏低，很难保证批量生产产品长期的质量稳定性和可靠性，造成客户的质量信赖度不高，这些均影响了中国天线厂家在全球市场的整体质量形象。
3） 技术创新度不够，多数厂家仍是追随者
国内多数天线厂家只着眼于当前的产品技术指标达成，对新技术新产品的布局和开发重视程度不够，研发资源投入少，导致中国天线在新技术新产品方面落后国外厂家，缺少技术话语权，制约了中国天线产业的可持续发展。
4） 品牌认同度不高
当前我们在全球市场虽获得了较高的市场占比，但在销售收入和盈利能力方面与国外天线厂家仍有较大差距，特别是复杂天线的销售量少，占比低。
倡议有志的中国厂家：提升专利数量和质量，并在全球有效布局，努力开拓全球高端市场；加大技术创新的资源投入，占领技术高地，成为行业技术和标准的领导者；坚持以产品质量赢得客户，不断提高产品的工业设计和自动化生产水平；通过持续不断的技术创新和为客户提供性价比高的产品+服务，提升中国天线品牌的客户认同度，实现销售收入的全球占比跑赢发货量占比，盈利能力跑赢欧美厂家。
也希望政府和行业能够加强引导：采取切实措施，持续改善招投标规则中技术和质量权重的有效性, 摒弃低价者得高分的不合理报价评分规则；在《移动通信系统无源天线测试方法》和《移动通信天线测量场地的检测方法》行业标准的基础上，尽快出台《移动通信天线测量场地分级和管理规范》，统一计量标准；营造保护知识产权、让创新者和创造者获利、创造中国品牌的产业环境，为技术创新和发明创造提供合理的利润支撑，扶持天线厂家提高全球品牌认同度。实现中国天线由中国制造，到中国创造，再到中国品牌的三级跳。这样，中国成为移动通信天线强国指日可待，世界移动通信天线的明天将属于中国。
 
 
 

卜斌龙  男，1985年毕业于西安电子科技大学，硕士。现任京信通信集团高级副总裁兼天馈业务线首席科学家，西安电子科技大学客座教授和天线学会通信天线专委会副主任委员。		刘培涛 男，2005年毕业于上海大学，硕士。北京邮电大学EMBA研究生在读。现任京信通信天馈事业部副总经理兼天线研发中心主任，主要研究方向为移动通信基站天线、平面微波器件及新型电磁材料。
赖展军  男，2004年毕业于华南理工大学，硕士。现任职于京信通信天线研发中心技术总监，主要研究方向为移动通信基站天线、平面微波器件及新型电磁材料。		马泽峰 男，2007年毕业于哈尔滨工业大学，硕士。现任京信通信天线研发中心监控平台部部长，主要研究方向为电调天线和有源天线的控制系统和感知系统。
赵娜 女，2007年毕业于西安邮电学院。现任京信通信天馈事业部产品管理部副总监，拥有丰富的移动通信网络技术应用及产品管理经验，参与编写《移动通信天线技术与工程应用》一书。