龍勃透鏡天線在高鐵場景下的應(yīng)用研究

刁楓，劉航，符凱，趙明峰

（1.中國移動通信集團(tuán)四川有限公司，四川 成都 610000；2.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司四川分公司，四川 成都 610045）

0 引言

當(dāng)前，4G經(jīng)過多輪投資建設(shè)后逐步邁入尾聲，4G網(wǎng)絡(luò)已是較為成熟的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)工信部發(fā)布的2020年通信業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，4G用戶總數(shù)達(dá)到12.89億戶，4G終端滲透率達(dá)到80.8%。而當(dāng)前5G作為新基建重要組成部分已上升為國家戰(zhàn)略，處于大規(guī)模快速建設(shè)階段，導(dǎo)致投資建設(shè)重點轉(zhuǎn)移到5G方向，但移動4G業(yè)務(wù)發(fā)展仍然迅猛，不限流量套餐持續(xù)推廣帶來數(shù)據(jù)流量呈爆發(fā)式增長，4G資源需求依舊旺盛，尤其新增的高速/高鐵等干線場景資源缺口較大，現(xiàn)有的匹配資源難以滿足不斷涌現(xiàn)的需求。因此，在新增投資及資源極度短缺的現(xiàn)實情況下，如何利用新技術(shù)、新產(chǎn)品低成本、高效地解決當(dāng)前新增高速/高鐵等干線場景覆蓋、以及已有高鐵干線場景弱覆蓋需求，就成為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)亟需解決的問題[1-3]，也是未來很長一段時間內(nèi)整個網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與規(guī)劃領(lǐng)域最為重要的工作之一。

由于龍勃透鏡天線目前有單波束和多波束兩大類較為成熟的產(chǎn)品，多波束主要解決容量、廣域覆蓋場景，單波束主要解決高速/高鐵等干線場景覆蓋，目前應(yīng)用較為廣泛的是單波束。為此，本文主要討論單波束龍勃透鏡天線在高鐵場景下的應(yīng)用，結(jié)合大量現(xiàn)場測試驗證與分析，給出龍勃透鏡天線在高鐵場景下的具體應(yīng)用建議，為低成本、高效解決當(dāng)前高鐵干線場景覆蓋提供技術(shù)參考。

1 龍勃透鏡天線簡介

龍勃透鏡（Luneburg lens）最早是由德裔美國數(shù)學(xué)家魯?shù)婪颉た枴けR納伯格（Rudolf Karl Lüneburg）于1944年提出[4-5]。該透鏡天線的原理為利用多層介質(zhì)球體的折射特性，將單個天線單元的低增益、寬波束的電磁波信號匯集成高增益、窄波束的電磁波信號。該工作原理與光學(xué)透鏡聚焦原理相似，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在五個方面：1）焦點、圓心、平面波方向在一條直線上，更易實現(xiàn)窄波束高增益，滿足線狀場景覆蓋；2）不同位置波束形狀相同，更加容易實現(xiàn)多波束；3）無極化特性，滿足單極化、雙極化±45/HV、圓極化；4）波束陡降，多波束時波束之間的干擾較小，交疊帶窄，大容量場景擴(kuò)容能力較好；5）在相同增益下，垂直波寬約是板狀天線的3～4倍，有效提升覆蓋的深度。傳統(tǒng)天線與龍勃透鏡天線的信號輻射效果如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)天線與龍勃透鏡天線的信號輻射效果對比

現(xiàn)有廠商生產(chǎn)的單波束龍勃透鏡天線主要以2/4/6/8端口四類型號為主，由于受專利保護(hù)等限制，當(dāng)前外形主要以圓柱體和球形為主，共同滿足的主要電氣性能參數(shù)如表1所示。

表1 單波束龍勃透鏡天線電氣性能參數(shù)

2 高鐵場景下的龍勃透鏡天線應(yīng)用策略

2.1 龍勃透鏡天線覆蓋能力與選型策略

當(dāng)前，高鐵車體主要分為和諧號和復(fù)興號兩種類型，車速以最高250 km/h考慮，結(jié)合龍勃透鏡天線高鐵試點應(yīng)用情況和分析結(jié)論，綜合考慮地形地貌、站軌距、天線相對鐵軌掛高和入射角，以及小區(qū)間切換重疊帶預(yù)留等因素，我們將高鐵場景以不同頻率覆蓋（1 800 M/(F/A)/D）為基礎(chǔ)，并結(jié)合劃分的密集城區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村等四類場景，采用Cost-231 HATA為高鐵鏈路預(yù)算的傳播模型，通過鏈路預(yù)算得出天線主瓣方向小區(qū)覆蓋半徑SPM，再結(jié)合站址到鐵軌垂直距離L，根據(jù)三角公式計算出極限最小入射角θ和小區(qū)投影到鐵軌最大覆蓋距離D，從而結(jié)合站間距計算出小區(qū)重疊覆蓋區(qū)距離M，如圖2所示。

圖2 高鐵覆蓋能力測算示意圖

圖中d1表示終端位于待切換的目標(biāo)小區(qū)電平值高于源小區(qū)2 dBm對應(yīng)天線到終端的距離，d2表示終端處于兩個站點中心位置所對應(yīng)天線到終端的距離。進(jìn)一步地，當(dāng)極限最小入射角θ小于10°時，無線信號存在躍變，如圖3所示，我們以近似直線斜率對最大允許路損PL（d）進(jìn)行修正，得到修正后的PL（d）’=PL(d)-(1-θ/10)×8。

圖3 入射角與損耗值對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)高鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃要求，小區(qū)間切換預(yù)留200 m重疊帶。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)龍勃透鏡天線廠家提供的天線覆蓋能力，并結(jié)合省內(nèi)外龍勃透鏡天線高鐵試點應(yīng)用情況，因為不同頻率（1 800 M/(F/A)/D）下覆蓋能力受限于頻率高低，我們僅靠考慮D頻段受限下的覆蓋能力評估，采用Cost-231 HATA模型進(jìn)行覆蓋能力評估。

Cost-231 HATA模型如下：

其中f表示頻率，ht表示基站天線等效高度，hr表示移動臺等效高度，d表示收發(fā)間的距離。

通常市區(qū)環(huán)境修正參數(shù)cM在中等規(guī)模城市和郊區(qū)取值為0 dB，大型城市取值為3 dB。

進(jìn)一步地，考慮到復(fù)興號和和諧號的穿透損耗差異，我們分別列出在不同天線掛高和站軌距下的相應(yīng)覆蓋能力評估結(jié)果，如表2所示。

表2 不同站軌距/天線相對鐵軌掛高的龍勃透鏡天線有效覆蓋鐵軌距離（D頻段）

相對于現(xiàn)有高鐵所采用的傳統(tǒng)高增益天線，龍勃透鏡天線的水平波瓣寬度相對更窄，有效覆蓋鐵軌軌行區(qū)的范圍大大收縮。因此，在高鐵場景下，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境、站軌距以及天線支持設(shè)備能力等多重因素綜合考慮，采用龍勃透鏡天線+傳統(tǒng)板狀天線相結(jié)合的方式進(jìn)行覆蓋，具體的高鐵覆蓋天線選型策略和覆蓋距離評估如圖4所示。

圖4 高鐵場景下的天線選型與覆蓋能力評估流程

線路的彎曲角度是指以天線的主瓣方向覆蓋最遠(yuǎn)端連線與天線引出的線路最大彎曲點的切線夾角，基于該評估流程，可有效地將規(guī)劃站點位置、天線掛高、站軌距、視通情況、以及待覆蓋軌行區(qū)線路情況、小區(qū)切換等多重因素結(jié)合起來，通過上述流程和步驟綜合判斷龍勃透鏡天線的適用場景。對于無法滿足的場景，可靈活采用傳統(tǒng)的高增益板狀天線進(jìn)行覆蓋，有效提升整條高鐵線路的規(guī)劃質(zhì)量，達(dá)到節(jié)約投資的目的。

2.2 實例分析

為驗證龍勃透鏡天線在高鐵場景下的覆蓋能力，我們以某條高鐵線路作為試點驗證，選取“柏合二河村17組”和“柏合二河村24組”作為透鏡天線覆蓋能力測試試點，將中間的站點“柏合二河村16組高鐵專網(wǎng)”閉站進(jìn)行測試驗證，其中柏合二河村17組和24組兩個站點的掛高為28 m，站間距為1 300 m，站軌距分別為110 m和130 m，采用6端口的龍勃透鏡天線，接入FDD 1 800 M、LTE F和D三個頻段，站點相應(yīng)示意圖如圖5所示。

圖5 試點驗證站點情況

基于上述的站點方案，我們對采用龍勃透鏡天線替換天線前后進(jìn)行了對比測試，結(jié)合后臺指標(biāo)，相應(yīng)指標(biāo)統(tǒng)計對比結(jié)果如表3所示。

表3 龍勃透鏡天線試點測試指標(biāo)對比分析結(jié)果

從試點測試指標(biāo)對比結(jié)果來看，相對于傳統(tǒng)天線，覆蓋、性能等各項指標(biāo)提升較為明顯，能夠有效提升覆蓋距離，顯著節(jié)約站址資源。

3 結(jié)束語

隨著材料、工藝各方面的技術(shù)成熟，龍勃透鏡天線作為一種新型的天線將在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中扮演重要的角色。本文從龍勃透鏡天線的性能特點出發(fā)，給出了該天線在高鐵場景下的覆蓋能力評估，以及相應(yīng)選型適用條件，并以實例進(jìn)行了相應(yīng)驗證，充分論證說明了龍勃透鏡天線的適用價值，能夠有效發(fā)揮其優(yōu)勢，助力運營商節(jié)約投資，提升高鐵網(wǎng)絡(luò)的覆蓋效果。