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)指標進行優(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、天線的電路參數(shù)指標等；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，通過仿真計算出基站天線的三維輻射遠場，再利用Matlab軟件編程計算對應(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，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接收功率，并對數(shù)據(jù)進行分析比較。

首先使用HFSS軟件對15dBi天線模型進行仿真，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。本文重點是最佳覆蓋研究，邊緣點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)基站的站點越來越多，在設(shè)計城市密集型基站時，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覆蓋區(qū)域信號接收的強度，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)。實現(xiàn)天線主波束下傾的方法有兩種：機械下傾和電調(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，分別對機械下傾天線和電調(diào)下傾天線進行仿真。

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，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，交叉極化比是主極化與交叉極化的差值。IEEE標準中關(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。目前，交叉極化比的評定標準主要是看天線水平面主極化和交叉極化增益之差來統(tǒng)計的。國內(nèi)標準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)方面與實際應(yīng)用標準有一定的差距，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行零點填充，使得對準零點的局部區(qū)域接收功率很低，出現(xiàn)盲點，在后續(xù)的研究中加以完善。

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