基于龍伯球天線技術(shù)解決高話務(wù)密度場(chǎng)景的無線組網(wǎng)研究

李紅霞

【摘要】? ? 龍伯透鏡（Luneberglens）誕生于1944年，由德國(guó)物理學(xué)家龍伯發(fā)明。龍伯球透鏡運(yùn)用了凸透鏡匯聚光線的原理，本質(zhì)上是一個(gè)球形的多面折射透鏡，它可以將通過透鏡的光線分別在透鏡兩側(cè)進(jìn)行相互折射，從而形成一個(gè)放大的鏡像。而龍伯球天線就是龍伯球透鏡在移動(dòng)通信領(lǐng)域的一種具體應(yīng)用。相比較于傳統(tǒng)天線而言，龍伯球天線具有波束窄、增益高的特點(diǎn)。本文提出了一種基于龍伯球多波束天線的高話務(wù)場(chǎng)景解決方案，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著的成效。

【關(guān)鍵詞】? ? 龍伯球天線? ? 容量? ? 高話務(wù)場(chǎng)景

引言：

隨著網(wǎng)絡(luò)媒體的發(fā)展，客戶的業(yè)務(wù)特點(diǎn)也發(fā)生了極大變化，從以前的發(fā)短信、打電話，逐步過渡到即時(shí)通信、短視頻、在線直播等，對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的需求急劇增加。伴隨著客戶業(yè)務(wù)量的大幅增長(zhǎng)，對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)容量提出了極高的要求。

依據(jù)現(xiàn)有的傳統(tǒng)天線多層組網(wǎng)方法，在解決大話務(wù)區(qū)域容量問題時(shí)將會(huì)面臨諸多瓶頸。一是由于多層網(wǎng)小區(qū)間覆蓋范圍高度重合，不利于各小區(qū)間負(fù)載均衡，各容量層間的均衡門限難以控制;二是由于單小區(qū)的覆蓋面積較大，在頻點(diǎn)復(fù)用層數(shù)較高時(shí)，容易產(chǎn)生重疊覆蓋，若用戶數(shù)過多，還會(huì)產(chǎn)生鄰區(qū)終端干擾，嚴(yán)重影響小區(qū)性能及用戶感知。

基于以上傳統(tǒng)天線多層組網(wǎng)方法的弊端，以及結(jié)合龍伯球天線窄波束、高增益、多頻段的特點(diǎn)，新鄉(xiāng)移動(dòng)提出了基于新型龍伯球多波束天線的大話務(wù)解決方案，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著的效果。

一、龍伯球多波束天線介紹

龍伯透鏡（Luneberglens）誕生于1944年，由德國(guó)物理學(xué)家龍伯發(fā)明。龍伯球透鏡運(yùn)用了凸透鏡匯聚光線的原理，本質(zhì)上是一個(gè)球形的多面折射透鏡，它可以將通過透鏡的光線分別在透鏡兩側(cè)進(jìn)行相互折射，從而形成一個(gè)放大的鏡像。而龍伯球天線就是龍伯球透鏡在移動(dòng)通信領(lǐng)域的一種具體應(yīng)用。

如果球體是均勻的同類介質(zhì)，里面的電磁波是不可能“拐彎”的，因此龍伯透鏡模型的一個(gè)重要前提，就是球體從外到內(nèi)材料的介電常數(shù)是梯度變化的。通過控制透鏡的材料以及電磁波的傳播方向，龍伯透鏡可以讓任何方向入射的電磁波，都會(huì)匯聚到球面上的某一個(gè)點(diǎn)上。而龍伯球天線就是運(yùn)用了這一特性，只要在球體表面放上饋源，就可以產(chǎn)生很好的增益效果，讓信號(hào)朝指定的方向輻射，也可以接收指定方向過來的信號(hào)。

二、龍伯球多波束天線的性能優(yōu)勢(shì)

“龍伯球天線”具有超寬頻率范圍，可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模應(yīng)急通信保障、4G 網(wǎng)絡(luò)大容量擴(kuò)容改造及 5G 移動(dòng)通信大容量、高話務(wù)場(chǎng)景。與傳統(tǒng)大話務(wù)保障使用的板狀天線相比，龍伯球天線具有以下幾個(gè)性能特點(diǎn)：

2.1頻率范圍寬

龍伯球天線可以支持0-2.6GHz頻段，基本涵蓋了當(dāng)前所使用的全部頻段，例如4G的D/E/F等頻段同時(shí)也支持移動(dòng)5G當(dāng)前所使用的2.6G頻段。

2.2垂直波束寬

垂直波束3dB瓣寬為18度，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)天線（15dBi板狀天線典型值7度）。垂直波束很寬可以得到良好的站下覆蓋效果，深度覆蓋效果更加理想。

2.3水平波束窄

1.8GHz時(shí)水平波束3dB瓣寬只有13-15度，約是傳統(tǒng)天線的1/4左右，這使得它在65°方向可以集中更多個(gè)扇區(qū)，可以良好的控制重疊覆蓋;同時(shí)更窄的波束也使得天線可以對(duì)沿街商鋪、景區(qū)道路等特殊場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的覆蓋。

2.4高增益

由于波束更窄，也使得龍伯球天線在單載波上可以實(shí)現(xiàn)更高的增益，傳統(tǒng)的4T4R天線的增益約為10dBi左右，而龍伯球天線增益可以可達(dá)18-19dBi，可以實(shí)現(xiàn)更好的深度覆蓋。

三、基于龍伯球天線的高話務(wù)場(chǎng)景解決方案介紹

基于以上龍伯球天線窄波束、高增益的特點(diǎn)，龍伯球天線可以在相同方向內(nèi)集中更多的波束，從而提升覆蓋及容量。通過使用這種龍伯球多波束天線來替代原有的單波束天線，可以將傳統(tǒng)基站所使用的六邊形覆蓋方式進(jìn)行進(jìn)一步的分割，以提升組網(wǎng)密度，有效的促進(jìn)演唱會(huì)、景區(qū)等大話務(wù)場(chǎng)景的容量吸收。

3.1 龍伯球多波束組網(wǎng)方案與單傳統(tǒng)組網(wǎng)方案對(duì)比

在原有的蜂窩組網(wǎng)方案中，單波束覆蓋呈六邊形，若需要進(jìn)一步提升容量，則需要在單層網(wǎng)基礎(chǔ)上疊加載波、采用多層組網(wǎng)。此種組網(wǎng)方案在頻點(diǎn)復(fù)用層數(shù)較高時(shí)，就不可避免的容易產(chǎn)生重疊覆蓋，鄰區(qū)干擾等，同時(shí)多層網(wǎng)之間的負(fù)荷均衡不好控制，會(huì)在一定程度上影響小區(qū)性能及用戶感知。而使用龍伯球多波束天線可以在相同覆蓋方向內(nèi)集中更多的波束，減少重疊覆蓋的同時(shí)也成倍的提升了網(wǎng)絡(luò)容量。龍伯球多波束組網(wǎng)方案的覆蓋效果如下圖所示：

3.2 容量評(píng)估與扇區(qū)規(guī)劃

與傳統(tǒng)組網(wǎng)方案相同、在使用龍伯球多波束天線天線組網(wǎng)方案進(jìn)行高話務(wù)場(chǎng)景保障時(shí)，首先需要根據(jù)用戶數(shù)流量預(yù)估，規(guī)劃保障區(qū)域內(nèi)所需的基站數(shù)量以及小區(qū)數(shù)量。可根據(jù)以下流程逐步規(guī)劃：

1.預(yù)估高話務(wù)場(chǎng)景內(nèi)用戶數(shù)，根據(jù)平均吞吐量推算出最大業(yè)務(wù)量，并可以根據(jù)需要預(yù)留保護(hù)余量。

2.根據(jù)估算的場(chǎng)景內(nèi)總業(yè)務(wù)量以及最大用戶數(shù)，結(jié)合每小區(qū)可承載業(yè)務(wù)量及用戶數(shù)估算得出所需基站數(shù)量以及小區(qū)數(shù)量。

3.在確定了所需的基站數(shù)量、每基站扇區(qū)數(shù)量、每扇區(qū)下的小區(qū)數(shù)量后，還需要對(duì)各小區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)的頻率規(guī)劃，盡可能使用更多頻率，充分發(fā)揮龍伯球天線窄波束寬的優(yōu)勢(shì)，通過頻率之間的隔離來降低干擾水平。

四、龍伯球組網(wǎng)方案應(yīng)用效果

4.1 世乒賽直通賽保障應(yīng)用效果

2021年5月3日至7日，中國(guó)·新鄉(xiāng)2021“直通WTT大滿貫·世乒賽”暨奧運(yùn)模擬賽在新鄉(xiāng)市平原（建業(yè)）體育中心舉行。現(xiàn)場(chǎng)參與人數(shù)最高可達(dá)6000+人，同時(shí)只有場(chǎng)館只有一個(gè)入口，用戶同時(shí)涌入，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量挑戰(zhàn)壓力巨大。另外，由于比賽場(chǎng)館是正在建設(shè)中的場(chǎng)館，館內(nèi)外沒有任何通信設(shè)備，通信保障基本上是從零開始。新鄉(xiāng)移動(dòng)提出了利用龍伯球天線的窄波束、高增益的特點(diǎn)，開通兩輛應(yīng)急車部署龍伯球天線來精準(zhǔn)覆蓋廣場(chǎng)及場(chǎng)館入口。每個(gè)龍伯球天線下部署5個(gè)小區(qū)，使用F/A/D/FDD1800四個(gè)頻點(diǎn)交替錯(cuò)開。規(guī)劃效果如下圖所示：

比賽期間，現(xiàn)場(chǎng)感知良好，在用數(shù)達(dá)到峰值時(shí)，瀏覽網(wǎng)頁、看視頻等也未出現(xiàn)任何卡頓。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，2021年5月3日至7日，世乒直通賽期間，龍伯球天線下單日日均流量高達(dá)414.4GB，在話務(wù)高峰時(shí)，龍波球天線下承載的用戶數(shù)超過1000人，下行用戶感知速率超過8Mbps，上行用戶感知速率達(dá)到6Mbps。

4.2 長(zhǎng)垣美食節(jié)保障應(yīng)用效果

2020年9月27日～10月1日長(zhǎng)垣市億隆廣場(chǎng)舉辦第二屆長(zhǎng)垣美食文化節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)商戶近百家，同時(shí)有廚藝展示、藝術(shù)時(shí)裝秀等活動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)保障時(shí)存在兩大難點(diǎn)：一是活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)人流量大、人員密度高，業(yè)務(wù)量大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)感知要求高;二是活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)選址困難，需充分考慮施工難度、網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，快速部署開通。新鄉(xiāng)移動(dòng)利用龍伯球天線多波束、大容量、高增益、天線方向性強(qiáng)、同頻干擾小的特點(diǎn)，活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)部署2個(gè)龍伯球天線，開通4個(gè)FDD載波，每個(gè)波束分布在扇區(qū)兩端精準(zhǔn)覆蓋沿街商鋪，同時(shí)也抑制了同頻干擾，提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與容量。

2020長(zhǎng)垣億隆廣場(chǎng)美食節(jié)（2020-09-27～10-01）活動(dòng)保障部署通信應(yīng)急車一輛（開通12個(gè)E頻段小區(qū)、6個(gè)FDD小區(qū)、3個(gè)D頻段小區(qū)），周邊宏站擴(kuò)容6個(gè)小區(qū)，優(yōu)化均衡24個(gè)小區(qū)。活動(dòng)期間，總流量累計(jì)1354.26GB，環(huán)比日常增幅156.58%;峰值用戶數(shù)5767，環(huán)比日常增幅691.08%;其中僅龍伯球天線日均吸收用戶數(shù)達(dá)到1714人次，日均吸收流量高達(dá)258Gb。龍伯球天線分流情況如圖4所示。

五、結(jié)束語

龍伯球天線具有超寬頻率范圍，可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模應(yīng)急通信保障、4G 網(wǎng)絡(luò)大容量擴(kuò)容改造及 5G 移動(dòng)通信大容量、高話務(wù)場(chǎng)景。與傳統(tǒng)大話務(wù)保障使用的板狀天線相比，龍伯球天線具有支持頻率范圍更廣，垂直波束更寬，水平波束更窄，單波束增益更高的特點(diǎn)，可以有效的解決傳統(tǒng)多層組網(wǎng)帶來的干擾、均衡復(fù)雜等問題。新鄉(xiāng)移動(dòng)在中國(guó)·新鄉(xiāng)2021“直通WTT大滿貫·世乒賽”暨奧運(yùn)模擬賽以及長(zhǎng)垣美食節(jié)大話務(wù)場(chǎng)景保障中均采用了龍波球天線保障，并取得了顯著成效，后續(xù)可在景區(qū)、演唱會(huì)等大話務(wù)場(chǎng)景保障中持續(xù)推廣和使用。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]夏輝，周軍.多層倫伯透鏡天線的設(shè)計(jì)[J].通信對(duì)抗，2014，33（2）：52-55+62.

[2]謝巍巍，薛鋒章.基站雙波束透鏡天線的研究[J].微波學(xué)報(bào)，2017，33（5）：19-23.

[3]肖雨琴，張英波，李鳳山.龍伯透鏡天線的研制[J].艦船科學(xué)技術(shù)，1992（3）：33-38.

[4]王開民，王汀.龍伯透鏡天線及其應(yīng)用[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2007（2）：38-39.

[5]吳旭，朱衛(wèi)華，孟潔.龍伯透鏡的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2011，44（3）：15-17+20.

[6]郭杰，田江曉，龔堅(jiān).龍伯透鏡反射器性能評(píng)估預(yù)處理方法研究[J].航天電子對(duì)抗，2014，30（5）：61-64.

[7]桂萬如，季文濤.基于龍伯透鏡的低剖面陣列天線[J].數(shù)字通信世界，2020（1）：9-9+12.