蜂窩小區(qū)中基站天線最佳覆蓋的探討

朱俊杰 黃金楊

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東廣州 510800）

0 引言

基站天線是移動通信系統(tǒng)中的重要組成部分，移動通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通信的是電磁波，天線是用來發(fā)射和接收電磁波的部件，天線的主要功能有兩個：一是對無線電波進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，二是在移動設(shè)備與基站之間提供通信鏈接。頻譜資源是最寶貴的自然資源之一，天線就是可以利用這一資源的設(shè)備。它提供了從傳輸線上的導(dǎo)波到“自由空間”的波的相互轉(zhuǎn)換，從而提供了移動臺到基站之間的物理接口。

1 研究意義和方法

基站天線的優(yōu)化覆蓋對移動通信的系統(tǒng)質(zhì)量有很重要的作用。優(yōu)化覆蓋主要包括兩個方面：一是對基站天線自身的類型和參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，包括天線的極化類型、高低增益天線的選用、天線的輻射方向圖指標(biāo)、天線的電路參數(shù)指標(biāo)等；二是對基站天線的安裝位置、安裝高度、方向角、下傾角等參數(shù)進(jìn)行的優(yōu)化。本文主要研究改變天線增益、天線掛高、覆蓋距離、下傾角模式選擇和交叉極化比這五個參數(shù)與天線下傾角相互優(yōu)化得到基站天線一定覆蓋范圍內(nèi)的最佳覆蓋。

利用HFSS仿真軟件建立所需要研究的天線模型，通過仿真計(jì)算出基站天線的三維輻射遠(yuǎn)場，再利用Matlab軟件編程計(jì)算對應(yīng)的基站天線覆蓋小區(qū)的接收功率分布情況。通過分析小區(qū)接收功率的分布情況，再對天線進(jìn)行調(diào)整，從而可以得到基站天線的不同參數(shù)對小區(qū)覆蓋效果的影響情況，進(jìn)行優(yōu)化選擇，得到小區(qū)的最佳覆蓋效果。

2 基站天線最佳覆蓋的研究

2.1 天線增益

天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向發(fā)射和接收信號的能力，提高天線增益的辦法一般是減少垂直面方向輻射的波瓣寬度，而在水平面上保持定向的輻射功能。現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中天線增益對通信質(zhì)量的影響非常關(guān)鍵，它決定了蜂窩邊緣的信號電平的均勻性。

仿真采用最經(jīng)典的Hata城市傳播模型作為研究模型，并選擇目前應(yīng)用最為廣泛的半功率波束寬度為65°的雙極化定向天線為目標(biāo)，設(shè)定天線懸掛高度為30米、覆蓋范圍為800米為固定條件，天線下傾角作為可變條件，分別對增益為15dBi和18dBi的兩種不同類型的天線的模型進(jìn)行仿真，得出在此條件下不同下傾角時的數(shù)據(jù)、效果對比圖和覆蓋范圍邊緣點(diǎn)接收功率，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

首先使用HFSS軟件對15dBi天線模型進(jìn)行仿真，得到該天線在指定條件下的各下傾角的接收值，如表1所示。然后將HFSS仿真出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中通過編程匯集成覆蓋效果圖10副，對比10副圖的數(shù)據(jù)和覆蓋效果，得出該天線的最佳覆蓋效果數(shù)據(jù)，在下傾角為5度下為最佳覆蓋效果，如圖1所示。本文重點(diǎn)是最佳覆蓋研究，邊緣點(diǎn)的接收功率是覆蓋效果判定的關(guān)鍵。接下來對18dBi的天線模型同樣進(jìn)行上述仿真步驟，得出18dBi天線最佳覆蓋效果圖和最佳覆蓋效果下邊緣點(diǎn)的接收功率。表2表示兩個天線模型在各自最佳覆蓋效果下，邊緣點(diǎn)接收功率的大小數(shù)據(jù)對比。

表1 天線增益15dBi 各下傾角數(shù)據(jù)（dB）

圖1 天線增益15dBi 下傾角為5度的覆蓋效果圖

表2 15dBi和18dBi的最佳覆蓋效果下邊緣點(diǎn)接收功率的大小數(shù)據(jù)對比

通過仿真結(jié)果可知15dBi天線模型在下傾角為5°時的覆蓋效果最好，18dBi天線模型在下傾角為4度時的覆蓋效果最好。綜合各項(xiàng)數(shù)據(jù)得出，在指定的條件小區(qū)內(nèi)，增益小的天線覆蓋效果更好。

2.2 天線覆蓋范圍

在現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中，由于密集型城區(qū)的蜂窩小區(qū)基站的站點(diǎn)越來越多，在設(shè)計(jì)城市密集型基站時，一般要求其覆蓋范圍在500米以內(nèi)，特別是高話務(wù)量的密集型小區(qū)和采用微蜂窩構(gòu)建的小區(qū)，覆蓋范圍甚至為100米左右。選擇合適的覆蓋范圍可以增強(qiáng)覆蓋區(qū)域信號接收的強(qiáng)度，對相鄰小區(qū)的影響更小。設(shè)定天線懸掛高度為30米、增益為15dBi作為固定條件，天線下傾角作為可變條件，分析覆蓋范圍分別為500米、800、1000米時小區(qū)內(nèi)的覆蓋情況。

通過仿真結(jié)果可知天線模型覆蓋500米，在下傾角為5°時的覆蓋效果最好，天線模型覆蓋800米，在下傾角為5°時的覆蓋效果最好，天線模型覆蓋1000米，在下傾角為4度時的覆蓋效果最好。綜合各項(xiàng)數(shù)據(jù)得出，在指定的條件小區(qū)內(nèi)，基站天線覆蓋范圍越小，覆蓋效果越好。

2.3 天線下傾角的選擇

使用天線下傾技術(shù)能最簡單、有效地減少同頻干擾，在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中是一種非常有效并且有用的技術(shù)。實(shí)現(xiàn)天線主波束下傾的方法有兩種：機(jī)械下傾和電調(diào)下傾。設(shè)定天線懸掛高度為30米、增益為15dBi、覆蓋范圍為800米、下傾角為5度為固定條件，分別對機(jī)械下傾天線和電調(diào)下傾天線進(jìn)行仿真。

通過仿真結(jié)果分析，在指定的條件小區(qū)內(nèi)，電調(diào)下傾天線的接收效果更好。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是電調(diào)下傾伴有方向圖展寬，所以最大值略小，但均勻性較好，最小值提升。采用機(jī)械下傾會對水平面波束方向圖上產(chǎn)生一定的畸變，特別是下傾角過大時，會對方向圖造成變形，從而使得小區(qū)邊緣的不對稱性更大，這對小區(qū)的覆蓋效果會產(chǎn)生不利的影響。

2.4 天線安裝高度

天線安裝高度直接影響基站天線的覆蓋范圍，在日常網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，為了解決覆蓋盲區(qū)的問題，通常會采取升高天線的方法，但是天線的安裝高度是最容易受到環(huán)境影響的因素。設(shè)定天線懸掛高度為40米、增益為15dBi、覆蓋范圍為800米作為固定條件，天線下傾角作為可變條件，分析天線的懸掛高度為30米、40米、50米時小區(qū)內(nèi)的覆蓋情況。

通過仿真結(jié)果可知天線掛高30米，在下傾角為5°時的覆蓋效果最好，天線掛高40米，在下傾角為10°時的覆蓋效果最好，天線掛高50米，在下傾角為5度時的覆蓋效果最好。

綜合各項(xiàng)數(shù)據(jù)得出，在指定的條件小區(qū)內(nèi)，掛高為30米的覆蓋效果更好。天線掛高更高，會使得小區(qū)邊緣的不對稱性更明顯，邊緣接收功率也更小。覆蓋范圍變大同時可能會造成以下問題：（1）相鄰基站覆蓋重疊區(qū)域增大（2）產(chǎn)生孤島效應(yīng)（3）造成上行信號過弱引起掉話（4）干擾增大。所以合理地選擇架設(shè)天線的高度是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中非常重要的手段。

2.5 交叉極化比

本小節(jié)為本文的創(chuàng)新點(diǎn)，創(chuàng)新地提出了交叉極化比對小區(qū)覆蓋效果影響的想法。交叉極化也是描述天線性能的一個重要指標(biāo)，交叉極化比是主極化與交叉極化的差值。IEEE標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于交叉極化的定義為：“正交于參考極化方向的極化（The polarization orthogonal to a reference polarization）”。

仿真時，新建兩副交叉極化比分別為5dB和10dB的天線模型，分別得出兩副天線的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 交叉極化比為5dB和10dB的天線關(guān)鍵數(shù)據(jù)值對比

通過數(shù)據(jù)對比說明，交叉極化比越高，天線覆蓋效果越好。當(dāng)水平面交叉極化比不好時，覆蓋范圍內(nèi)的交叉極化很不均勻，有些位置交叉極化甚至?xí)笥谥鳂O化，對用戶通信會造成很大的影響。

交叉極化比對雙極化天線的極化分集效果有著重要的影響，交叉極化比是雙極化天線中的一個重要指標(biāo)。目前，交叉極化比的評定標(biāo)準(zhǔn)主要是看天線水平面主極化和交叉極化增益之差來統(tǒng)計(jì)的。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為要求軸向交叉極化比大于15dB，并且在軸向的±60°范圍內(nèi)的交叉極化比要大于10dB。

3 總結(jié)與不足

本文主要研究了基站天線對蜂窩小區(qū)的最佳覆蓋，分別研究了天線增益、天線覆蓋范圍、下傾角、天線掛高和交叉極化比對蜂窩小區(qū)覆蓋的影響，分析得出天線的各項(xiàng)因素設(shè)置與不同的下傾角和下傾方式對小區(qū)覆蓋效果的相互優(yōu)化和影響，從而得到天線基站對小區(qū)最佳覆蓋的效果。創(chuàng)新提出了交叉極化比對小區(qū)覆蓋的影響，得出使用交叉極化比越高的天線覆蓋效果更好的結(jié)論。

不足之處在于，數(shù)據(jù)都是通過HFSS仿真得到的，所以在數(shù)據(jù)方面與實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)有一定的差距，尤其是下傾角表格中出現(xiàn)電平最小值-100dBm比較低的情況。原因是沒有對旁瓣進(jìn)行零點(diǎn)填充，使得對準(zhǔn)零點(diǎn)的局部區(qū)域接收功率很低，出現(xiàn)盲點(diǎn)，在后續(xù)的研究中加以完善。

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