基站端天线和滤波器行业分析报告.docx
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基站端天线和滤波器行业分析报告
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2017年3月
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基站天线和滤波器产业链分析
基站天线和滤波器介绍
移动通信网络系统主要是由移动台（MS）、基站子系统（BSS）、交换子系统（NSS）和操作维护子系统（OMS）四部分组成。
其中，基站子系统负责管理无线资源，用于传送信号和用户信息，保障固定网络与移动台之间的通信连接，主要包括基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。
基站天线属于其中的基站收发信台（BTS）。
广义的基站是基站子系统（BSS），以GSM网络为例，包括基站收发信机（BST）
和基站控制器（BSC）。
狭义的基站，即公用移动通信基站，是通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。
狭义的基站设备包含三部分：
基带处理单元、射频处理单元、天馈系统。
天馈系统主要就是馈线和天线。
基站天线的主要作用是基站设备与终端用户之间的信息能量转换器。
在信号发送过程中，调制后的射频电流能量经基站天线转换为电磁波能量，并以一定的
强度向预定区域（手机用户）辐射出去；接收过程中，用户信息经调制后的电磁波能量，由基站天线接收，有效地转换为射频电流能量，传输至主设备。
基站天线性能的好坏，直接影响到移动通信的质量。
基站天线主要由辐射单元、移相器、馈电网络和安装组件组成，是用户以无线方式与基站设备连接的信息出（下行、发射）入（上行、接收）口，是载有各
种信息的电磁波能量转换器。
在已有的天线中，无论是基站还是移动终端，天线都是充当发射信号和接收信号的中间件。
图1：
基站天线工作原理
虽然基站天线仅占单一基站价值的2%左右，但是天线的增益、覆盖方向、波束、可用驱动功率、天线配置、极化方向等都会影响移动通信网络系统的性能。
同一款基站天线由多种设计方案来实现，设计方案涉及到天线的四部分：
辐射单元（对称振子或贴片）、反射板（底板）、功率分配网络（馈电网络）和封装防护（天线罩）。
图2：
天线组成部件
按照功能，通信天线可分为网络覆盖天线、通信传输天线和终端天线。
其中，基站天线属于网络覆盖天线。
一般而言，基站天线按照频段划分。
其可划分为WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA天线、FDD-LTE、TDD-LTE天线以及包含上述多个制式的多频多端口天线。
只工作在一种制式的天线为窄频宽天线，两种工作制式的为宽频带天线，三种以上工作制式的成为超宽频带天线。
基站天线工作频段具体分配情况如下（为了方便展示，我们将频段按照所属制式整理）：
表1：
基站天线应用频段划分（按频段划入不同制式）
天线按照电磁波辐射方向划分，主要有定向天线和全向天线。
定向天线通过金属反射板，使天线在水平面的辐射具备了方向性，适用于扇形小区；全向天线
在同一水平面上辐射强度是相等的，适用于全向小区。
图3：
2G到4G天线产品类型的发展过程
按照磁化方向划分，主要有双极化和单极化；按照极化方向划分，主要有水平极化、垂直极化、垂直/水平极化、±45度正交极化。
其中，单极化天线多采用垂直线极化，双极化天线多采用±45度双线极化。
图4：
基站天线常用极化方式
双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在同一天线罩中组成的，采用双线极化天线可以大大减少天线数目，减少天线占地空间，降低成本。
图5：
双极化基站天线示意图
除了电磁波辐射方向、极化方式，基站天线的性能参数还包括天线工作频段、
辐射参数、半功率波束宽度、水平面波束宽度、垂直面波束宽度及电下倾角精度、前后比、天线增益、交叉极化比、波瓣宽度、下倾方式、天线的前后比、端口间隔离度等。
从2G到4G，移动基站天线经历了全向天线、定向单极化天线、定向双极化天线、电调单极化天线、电调双极化天线、双频电调双极化到多频双极化天线，
以及MIMO天线、有源天线等过程。
图6：
2G到4G天线产品类型的发展过程
第一代移动通信几乎用的都是全向天线，当时的用户数量很少，传输速率较低，仍属于模拟系统。
第二代移动通信技术引领我们进入蜂窝时代，这一阶段的天线逐渐演变成方向性的，一般波瓣宽度包含60°和90°以及120°，以120°为例，即有三个扇
区。
八十年代的天线以单极化天线为主，并开始引入阵列概念。
从形式上看，现在的天线和第二代的天线非常相似。
1997年，开始出现双极化天线（±45°交叉双极化天线），成为了3G和4G
的主要潮流。
到了2.5G和3G时代，出现了多频段天线，系统趋向于复杂，例如GSM、CDMA等需要共存。
多频段天线在这一阶段成为主流，也是天线技术发展的必然趋势。
到了2013年，首次引入MIMO（多入多出技术）天线系统，并逐步从单一天线发展成阵列天线和多天线。
从基站的构造上来看，移动基站天线经历了一体化宏基站天线、基带处理单元和射频拉远模块分离、MIMO天线、有源天线、MassiveMIMO等发展阶段。
图7：
基站天线的发展历程
在2G/3G时代，天线多为2端口，如GSM天线、CDMA天线、LTE-FDD独立2端口天线。
到了4G时代，随着MIMO技术、多频段天线的大量使用，铁塔上的天线出现越来越多的端口，如LTE-FDD独立4端口天线、LTE-FDD6端口双频天线、LTE-TDD8端口天线等。
随着C-RAN网络结构的演进，RRU拉远，还会有隐形天线出现。
射频器件是移动通信基站和天馈系统核心部件之一。
射频器件主要包括各种类型的滤波器、双工器、合路器、塔放、馈电单元、功分器、耦合器、天线控制单元等产品。
图8：
射频器件在典型移动通信基站系统中的分部示意图
其中，基站滤波器负责对发送和接收信号进行滤波，是射频端的关键组成部分。
图9：
滤波器在通信基站系统中的功能
基站天线产业链和市场格局解析
基站天线行业的上游供应商主要是五金、电缆和塑料材料供应商、加工商和电子元器件供应商，下游主要是通信系统运营商、设备提供商和行业级客户（铁
路、电网、政府等）。
其中，上游五金材料价格受国内外金属价格变动影响，电
子元器件价格稳中有降；下游通信运营商是天线设备的最终客户有较强议价权，可直接采购也可通过设备商打包采购通信设备系统，对基站天线行业的发展起到决定性作用。
图10：
通信天线的产业链
本行业上游企业提供的原材料主要包括五金材料、塑料材料和电子元器件等。
其类型及构成如下图所示。
整体来看，上游产业已经完全市场化，各类原材料产能充沛、供应充足。
表2：
基站天线上游原材料构成
下游企业中，在三大运营商中，中国移动一直占据4G市场的优势地位，自从工信部开始松绑频谱重耕，中国电信和中国联通也极力追赶。
中国电信获批800M/2.1G全网LTE重耕，宣告“启动800MLTE全网重耕，2017年上半年全网覆盖，打造国内第一张低频LTE网络”；中国联通获批将900MHz、1800MHz和2100MHz频段频率用于LTE组网。
2017年1月份发布的《信息基础设施重大工程建设三年行动方案》中提出要实现城镇及人口密集的行政村4G网络全面深度覆盖，因此4G网络建设的下一目标便是实现深、广覆盖，以支撑VoLTE、NB-IoT业务和农村需要。
截止2016年底，国内三大运营商4G用户达到7.34亿户，其中中国移动的4G用户突破了5.1亿户。
目前国内已有基站数量约300万个，移动、电信和联通分别有144、86、70个。
2016年运营商新增基站125万，其中新增4G基站92万。
表3：
新增基站数量
此外，工信部官网披露，于2016年5月5日向中国广电颁发《基础电信业务经营许可证》，以推广三网融合，促进市场竞争。
未来中国广电手握700M黄金频谱，很有可能进军无线业务。
此前也有媒体报道称中国广电已在广东、重庆、
贵州、甘肃四省开启4G招标和试点。
中国广电成为我国第四大电信运营商。
图11：
2014-2016三大运营商4G基站总量（万个）
图12：
三大运营商4G基站数量（万个）及占比（%）
在通信设备集成商中，我国两大“巨头”华为公司和中兴通讯迅速崛起，诺基亚与阿尔卡特朗讯合并，全球通信设备集成商的市场格局重新洗牌，目前全球
已形成华为公司、爱立信、新诺基亚和中兴四大通信设备集成商，行业的集中度进一步提升。
基于2015年财报数据，运营商业务领域四大厂商的收入份额如下图所示，华为以35%的收入份额独占鳌头，爱立信和新诺基亚以30%左右相近份额紧随其后，而中兴则已低于10%，远远落后于其他竞争对手。
从目前的国内市场来看，我国通信天线制造业经过多年发展已形成一个较为完整的产业体系，天线生产企业众多，竞争激烈，但具有一定研发实力、产能规
模较大、具备国际竞争力的专业厂家较少，主要为京信通信、通宇通讯、摩比发展、盛路通信、大富科技和、武汉凡谷等少数几家企业。
从过往我国基站天线的发展历程来看，在2G时代，国产基站天线在技术上已相当成熟，基本可以取代进口天线；3G时代，国产WCDMA和CDMA2000制式的基站天线已经达到国际先进技术水平；此外，在TD-SCDMA网络中，国内企业在产业标准、技术储备、市场机遇等方面更是具有先发优势。
但是，和历史悠久的国外知名品牌凯仕琳、康普安德鲁等基站天线制造厂商相比，国产天线厂商在商业信誉和一些高端产品的技术上仍有差距。
近年来，国内基站天线厂商凭借国内主导的4GTD-LTE网络标准加速扩展天线业务，逐步掌握全球基站天线市场的主动权，2015国产天线占全球市场份额超过50%。
滤波器产业链和市场格局解析
射频器件行业的下游主要是通信系统的运营商和基站设备的集成商。
基站侧滤波器主要生产商为康普安德鲁（美国）、东山精密、武汉凡谷、大富科技、春兴精工等。
滤波器产业链类似于天线产业链，主要的不同之处在于滤波器主要为设备商供货，由设备商集成后整体提供给运营商，设备商（华为、中兴）一般具有“巨头”属性，都会经营自己的生态链，往往决定上游竞争格局。
图13：
射频器件供应商在产业链中的位置和作用
四大技术驱动因素推动基站天线和滤波器产业变革和发展
下一代通信标准演进仍是技术驱动的核心因素
5G的三个关键的效率需求包括频谱利用效率、能耗效率和成本效率。
具体来说，5G在频谱效率、能源效率和成本效率的提升需求在十倍甚至百倍以上，关键技术加速催化。
5G的性能指标主要从用户体验速率（bps）、连接数密度（1/Km）、端到端时2延（ms）等方面提出要求。
表4：
5G关键指标
我国提出的“5G之花”9个技术指标，被ITU接受了8个。
图14：
5G关键能力体系
5G的主要技术场景包括连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个方面，其面临的挑战及所需关键技术如下表所示。
表5：
5G应用场景的性能挑战与关键技术
其中，前两个场景主要满足未来的4G移动互联网业务需求，后两个场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景。
5G技术路线及进度。
在5G无线技术路线方面，IMT推进组融合了4G继续演
进和创新元素，明确5G空口的技术路线可以分为两部分：
5G新空口（低频和
高频）和4G演进空口，其中前者是主要方向。
5G低频新空口将采用全新的空
口设计，引入大规模天线、高频段通信、新型多载波、先进编码等先进技术，有效满足更加多样化的指标要求；5G高频新空口需要考虑高频信道和射频器件的影响，并针对波形、调制编码、天线技术等进行相应的优化。
下图为5G无线技术路线及主要场景。
而在4G演进方面，LTE/LTE-A已在全球范围内大规模部署，仍需在传统移动通信频段引入增强技术从而提高性能，使其满足5G技术需求。
图15：
5G无线技术路线及场景
结合两条路线的特点，5G应尽可能基于统一的技术框架进行设计，并针对不同场景的技术需求，通过关键技术和参数的灵活配置形成相应的优化技术方案。
图16：
5G空口技术框架
在5G空口技术框架中，多天线技术可支持配置大规模天线，并通过多用户MIMO（多输入输出）技术，支持更多用户的空间复用传输，数倍提升系统频
谱效率。
多载波和MIMO技术是4G升级为5G的关键，在基站天线增长上起了重要作用。
ITU-R成立WP5D工作组，为确定5G国际标准和推动全球协调5G频谱工作，
并在2014年2月会议上提出了面向2020年及未来的“IMT-2020工作计划”主要内容包括5个阶段10个步骤，预计将于2020年底开始具备商用能力。
表6：
ITU5G时间进度
目前，5G无线技术第一阶段的实验已经完成，最受各大参与方关注的是大规模天线、高频段通信和新型多载波三个方面。
图17：
5G技术研发试验第一阶段目标与内容
图18：
第一阶段（关键技术）测试规范
大规模天线技术测试重点验证了用户在密集和分散分布、水平分布和水平+垂直分布场景下的性能；
爱立信（15GHz）、中兴（15GHz）、三星（28GHz）、诺基亚和上海贝尔（28GHz）和华为（73GHz）完成了高频段测试；
华为（f-OFDM）、中兴（FB-OFDM）、诺基亚和上海贝尔（UF-OFDM）完成了新型多载波技术的测试。
图19：
5G无线技术第一阶段的实验
大规模天线、高频段通信和新型多载波测试结果表明，
大规模天线：
相对于LTE-A，大规模天线可实现3~4的频谱效率提升，结
合多址、编码等关键技术，可满足ITU频谱效率指标（3-5倍）提升需求；
高频段通信：
验证了高频段技术方案的可行性，同时，证明了利用高频通信技术可满足10-20Gbps的ITU峰值速率指标要求；
新型多载波：
通过大幅度降低带外泄露，可有效支持相邻子带的异步传输，
可满足5G系统在统一技术框架基础上支持不同场景差异化技术方案的需求；大规模天线、新型多址、先进编码、高频通信等创新技术的性能得到验证，能够为5G国际标准研制提供支撑。
我国5G商用时间表逐渐明晰，相关试验稳步实施。
2016年1月，我国5G技术研发试验于全面启动，分三个阶段推进实施：
关键技术验证、技术方案验证
和系统方案验证。
在已经结束的第一阶段试验过程中，IMT－2020（5G）完成了主要5G无线和网络关键技术的性能和功能测试，7个无线关键技术包括：
大规模天线、新型多址、新型多载波、高频段通信等，以及网络切片、移动边缘计算等4个网络关键技术。
第一阶段的试验充分验证了上述关键技术在支持超高用户体验速率、毫秒级端到端时延、每平方公里百万连接等多样化5G场景需求的技术可行性，进一步增强了业界推动5G技术创新发展的信心。
第二阶段试验将重点围绕面向移动互联网、低时延高可靠和低功耗大连接三大5G典型场景的无线空口和网络技术方案的研发与试验展开，并计划在2017年底前完成。
图20：
5G技术研发试验总体规划
当前，我国三大运营商纷纷公布了5G推进的时间表，均计划在2020年实现5G商用。
现在的共识是未来5G将与4G网络并存，低频与高频共存，目前逐
渐商用的Pre5G技术是4G到5G的过渡。
系统容量主要由基站数量、频谱和频谱利用率三个方面决定。
在有限的频谱资源下提升系统容量是当务之急，超密集基站组网、大规模天线阵列、宽频谱三
种关键技术的出现有效解决了这个问题，成为提升5G容量的重要方法。
图21：
提升容量的三种手段
5G标准落地在即，4.5G作为过渡先行试水。
4G方兴未艾，5G还在标准讨论中，但对于一些人口密集区域，现有的4G网络已经逐渐不能满足需求，作为
4G向5G过渡的4.5G被提上日程。
4.5G关注通信网络在带宽、网络容量、时延等方面的能力。
图22：
4.5G时间表预测
相比4G，4.5G在网络架构、终端和空口部分均有所改进，其中，4.5G空口部分利用更高阶的调制、MassiveMIMO、MassiveCA技术等提高接入带宽，从而达到网络容量、时延等方面能力的提升。
4.5G、5G在频谱效率、能源效率和成本效率的提升需求在十倍甚至百倍以上，关键技术加速催化。
技术驱动之一：
大规模天线（massiveMIMO）技术有效提升频谱效率
MIMO技术已经广泛应用于LTE以及WiFi等系统中，但是传统的MIMO技术存在硬件复杂度高，信号处理复杂以及能量消耗等问题。
大规模天线阵列是基于多用户波束成形以及空分复用的原理。
传统通信方式是基站与手机间单天线到单天线的电磁波传播，而在波束成形技术中，基站端拥
有多根天线，可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，效果就如同完成了基站端虚拟天线方向图的构造。
图23：
MIMO与传统扇区天线在高层建筑的覆盖情景对比
图24：
MIMO空分复用
通过这一技术，发射能量可以汇集到用户所在位置，而不向其他方向扩散，并且基站可以通过监测用户的信号，对其进行实时跟踪。
再利用空分复用使空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输多路信号，大大增加了网络容量。
面对5G在传输速率和系统容量等方面存在的挑战，天线数目增加将是MIMO继续演进的方向。
根据概率统计学原理，当基站侧天线数量远大于用户天线数量时，基站各个用户的信道将趋于正交。
这种情况下用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益能够有效提升每个用户的信噪比，从而能够在相同的时频资
源上支持更多的用户。
大规模MIMO的研究与标准化进程与5G同步进行，吸引着全球范围内政府机构、研究组织、运营商和设备厂商的持续关注和投入。
随着4.5G时代的布局，
MassiveMIMO商用进程不断加速。
表7：
MassiveMIMO研究进展
从目前的进展来看，5G的商用时间预计在2019-2020年，，LTEFDD及TD-LTE
两大4G制式最终将统一，宏站覆盖场景的基站天线形态将采用规模密集阵列。
技术驱动之二：
超密集组网提升空间复用度
为了解决未来移动数据流量增长1000倍以及用户体验速率提升10-100倍的需求，除了增加频谱带宽以及采用先进的无线技术提升频谱利用率以外，最为有
效的办法依旧是加密小区基站的部署从而提升空间复用度。
传统的无线通信方式通常采用小区分裂的方式部署基站，但是随着覆盖半径的逐步减小，小区分裂很难进行，需要在室内外热点区域密集部署小功率的基站，即超密集组网。
超密集组网的典型应用场景包括：
办公室、密集住宅、密集街区、校园、大型集会、体育场、地铁、公寓等等。
基站按照覆盖半径和发射功率可以分为宏基站、微基站、皮基站和飞基站。
其中宏基站的发射功率在几十瓦以上，覆盖半径在2km以上。
而热点区域覆盖则更适合小基站，包括微基站、皮基站和飞基站，功率只要毫瓦到瓦级别，覆盖
半径在十米到几十米之间。
小基站的硬件成本远低于宏基站，更适合于室内或者室外大数据热点区域。
表8：
5G时代基站类型
随着小区部署密度的增加，超密集组网将面临许多新的技术挑战，如干扰、移性、站址、传输资源以及部署成本等，因此如何灵活部署与维护、干扰管理和抑制、接入和回传、联合设计以及小区虚拟化技术等是超密集组网的重要研究方向。
电磁波频率越高、波长便越短、衍射能力也越弱，同时由于涉及穿透能力，信号在穿透过程中会发生能量损耗，因此高频电磁波传输距离近，传输损耗大，
相关基站设备需密集部署，基站体积的减小对天线和滤波器集成化要求也较高。
图25：
小基站系统架构
技术驱动之三：
多载波提高通信网络兼容性。
OFDM是4G中重要的多载波技术，在5G当中也是基本波形的重要选择，但OFDM仍然存在对时频同步要求高、需要全频带配置统一的波形参数等问题。
5G除了传统的移动互联网场景，还定义了大规模物联网场景和低时延高可靠场景，不同的场景对载波也提出了不同的要求。
同时，由于新业务和新技术层出不穷，为了避免一出现就落后的局面，多载波技术要具有良好的可扩展性和可配置性，实现向后兼容，并且可以和新型调制编码、新型多址和大规模天线等技术实现很好的结合。
目前业界提出的新型多载波技术包括F-OFDM、UFMC以及FBMC技术等等，能够克服OFDM目前所存在的时频同步的敏感性。
技术驱动之四：
频谱重耕条件成熟，5G开启高频段通信时代
自从2007年澳大利亚运营商首次关闭CDMA网络服务，全球掀起了频谱重耕的热潮，如AT&T、澳洲电信、新加坡Singtel和StarHub等也将关闭GSM网络。
据Ovum预测，到2020年左右，2G网络将在全球范围内全面消失。
目前，我国频谱重耕条件逐渐成熟，随着4G覆盖的完善和渗透，2G和3G用户向4G用户转换已到后期阶段，此外政策面和核心网也对频谱重耕作出了积极回应。
截至2016年12月底，移动电话用户数达到13.2亿元，4G用户总数达到7.7亿户，占比58.2%；3G用户占比降至13%，2G用户占比降至28.8%。
图26：
2015年11月至2016年12月2G/3G/4G电信用户数量（亿户）及占比情况（%）
政策支持，中国联通频谱资源全网松绑。
工信部正式下发文件，同意中国联通调整900MHz、1800MHz和2100MHz频段频率用于LTE组网。
此次调整包含了联通所有的频率资源，范围上允许联通在全国进行全网全频段LTE重耕。
LTE核心网只有分组域，无电路域，此前LTE用户的语音业务承载在2G/3G
的电路域上，随着三大运营商部署VoLTE（VoiceoverLTE），语音业务逐步摆脱对2G/3G网络的依赖。
频谱重耕将推动运营商通信基站大范围的改造升级，带动基站侧更新换代的需求增长。
频段属于珍稀资源，而5G目前的走向主要分为优化现有频谱和扩展全新频谱，目前3.5GHz以下空白频谱已经不多，5GHz至50GHz将会成为未来5G的扩
展领域；
图27：
5G频段分布
在低频段部分，支持eMBB频段为3.3-3.4,4.4-4.5,4.8-4.99GHz；用于支撑NB-IoT的低于1GHz频段和支撑车联网的5.9GHz也处于研究试验阶段；在高频段部分，IMT-2020已经开始研究20到40GHz的高频段通信，具体来看，WRC-19AI1.13频段，28GHz频段处于试验阶段。
目前，美国的FCC已经提前布局5G频段，2016年7月15日，FCC正式划归5G频段，最新法令开放了包括3.85GHz、7GHz、28GHz、37GHz、39GHz的未授权频谱用于移动和固定无线宽带服务的高频段频谱。
高频通信频段的开发利用和低频段带宽的增加必然推动基站天线和滤波器产业变革和发展。
5G刺激基站天线和滤波器需求，持续而非爆发式增长
需求层面，驱动来自于数据流量的增长、接入终端的增加，物联网的接入以及前述与技术驱动共振的因素。
MassiveMIMO和更加密集有针对性质的的小基站部署在5G时代成为趋势。
但是，从目前情况来看，由于三大运营商的CAPEX处于下降阶段，加之5G频谱可能采用拍卖的方式实际增加了成本，采取平滑开支的建设方式可能更有效，即伴随4G向4.5G、5G过渡，运营商持续的投入会导致行业需求持续增长而非在5G时代爆发式增长。
图28：
天线丰富的应用场景
流量增长推动通信网络升级
根据华为预测，2020年全球移动数据流量将比2010年增长超过200倍，2030年比2010年增长近2万倍，整体来看，中国的移动数据流量增速高于全球平均水平。
移动数据流量爆炸式的增长，现有网络将难以支撑，推动5G技术加
速发展和基站侧通信网络升级。
图29：
2010-2030年全球和中国移动数据流量增长趋势（单位：
倍）
考虑到现有网络在能耗、每比特综合成本、部署、维护以及多制式网络共存等方面都难以应对未来千倍业务流量增长和需求多样化趋势；并且无线
升级会员 