4G高增益天線農(nóng)村地區(qū)覆蓋效果研究

樊正茂++陳亮

【摘 要】為研究4G高增益天線在農(nóng)村地區(qū)的覆蓋效果，為農(nóng)村地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供指導和借鑒，選取農(nóng)村地區(qū)的典型場景：高速、平原、丘陵、山區(qū)作為現(xiàn)場測試研究對象，通過理論分析和實際測試對比來驗證4G高增益天線與4G普通天線、GSM天線的覆蓋效果差異。研究結(jié)果表明，在農(nóng)村無阻擋高站的情況下使用4G高增益天線能明顯提升中遠場信號強度，近場信號惡化不明顯，覆蓋距離能達到普通天線的1.23倍左右，與GSM天線的覆蓋距離相當，大約能節(jié)省15%的建設(shè)成本。

【關(guān)鍵詞】4G高增益天線 農(nóng)村地區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋 鏈路預算 覆蓋半徑

1 引言

當前中國移動4G網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多期工程的建設(shè)已實現(xiàn)主城區(qū)、縣城城區(qū)的連續(xù)覆蓋，農(nóng)村地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋成為下一步網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點。中國移動4G網(wǎng)絡(luò)使用頻段較高，覆蓋能力較弱，而農(nóng)村地區(qū)地形廣闊、復雜，用戶需求較為分散；同時，高速場景也廣泛位于農(nóng)村地區(qū)，用戶基本呈線狀分布且不密集。對于這些地區(qū)的覆蓋，將有別于城區(qū)，必須綜合考慮建網(wǎng)成本，積極探索新型覆蓋技術(shù)，提升廣覆蓋能力。

從覆蓋場景看，農(nóng)村地區(qū)地形復雜，大致分為平原、丘陵、山區(qū)三種場景，平原和丘陵地區(qū)地勢平坦或起伏平緩，山區(qū)無線環(huán)境遮擋嚴重。高速場景的地理位置大多位于城郊或農(nóng)村地區(qū)，覆蓋面較為狹窄，呈線狀分布。

4G高增益天線相比4G普通天線增益提升2.5 dB～3 dB，增益的提升將帶來覆蓋半徑增大，有利于縮減建設(shè)規(guī)模，節(jié)約成本。

本文主要研究4G高增益天線的應(yīng)用場景，通過對比4G普通天線，以及GSM天線的覆蓋效果，分析4G高增益天線在高速、平原、丘陵、山區(qū)等場景下覆蓋效果的提升差異，從而給下一步農(nóng)村地區(qū)和高速場景的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供借鑒。

2 天線對比和覆蓋理論分析

2.1 三種天線基本參數(shù)對比

本文對4G高增益天線、4G普通天線和GSM天線進行覆蓋對比測試，三種天線（以某廠家的天線為例）的主要性能參數(shù)如下：

（1）4G高增益天線

頻段范圍（MHz）：1880—1920（F）/2010—2025（A）/2500—2690（D）；水平半功率波瓣角：65±5°；垂直半功率波瓣角：4.5°（F）/4.3°（A）/3.5°（D）；天線增益（dBi）：17（F）/17.5（A）/18.5（D）。

（2）4G普通天線

頻段范圍（MHz）：1880—1920（F）/2010—2025（A）/2500—2690（D）；水平半功率波瓣角：65±5°；垂直半功率波瓣角：7°（F）/6.5°（A）/5°（D）；天線增益（dBi）：14（F）/15（A）/16（D）。

（3）GSM天線

頻段范圍（MHz）：880—960；水平半功率波瓣角：90°；垂直半功率波瓣角：6.5°；天線增益（dBi）：16。

本次測試兩種LTE天線均采用F頻段，從參數(shù)對比可知，它們的水平半功率波瓣角相同，在垂直半功率波瓣角減小的前提下，4G高增益天線增益相比4G普通天線增益能有3 dB的提升。而4G高增益天線與GSM天線相比，若水平半功率波瓣角和垂直半功率波瓣角均減小，則能帶來1 dB的提升。

2.2 TD-LTE/GSM鏈路預算

（1）TD-LTE鏈路預算結(jié)果

1）4G高增益天線

以農(nóng)村室外場景為例，穿透損耗為10 dB。宏基站的工作頻率為1880 MHz，20 M帶寬（即100 RB），天線發(fā)射功率為2×20 W，天線增益為17 dBi，天線安裝高度43 m。

下行控制信道類型為PDSCH，目標數(shù)據(jù)速率2048 kbps，信道模型為ETU3，小區(qū)邊緣MCS類型MCS6，天線為雙通道。

基站有效發(fā)射功率ERP=天線最大發(fā)射功率-饋線

損耗+天線增益-10×lg（12×總RB數(shù)） （1）

基站靜態(tài)接收靈敏度=-174+10×lg（15000）+目標

SINR值+接收機噪聲系數(shù) （2）

覆蓋門限=基站靜態(tài)接收靈敏度+干擾余量+人體

損耗 （3）

最大允許路徑損耗=基站有線發(fā)射功率-覆蓋門限-

穿透損耗-陰影衰落+切換增益 （4）

由于不同傳播模型對應(yīng)的覆蓋距離不同，本文采用2G頻段常用的傳播模型COST 231 Hata模型：

Lu=46.3+33.9×lg（f）-13.82×lg（Hb）-a（Hm）+

[44.9-6.55×lg（Hb）]×lg（d）+Cm （5）

其中：a（Hm）=[1.1×lg（f）-0.7]×Hm-[1.56×lg（f）-0.8]，Lu為基本傳播損耗中值，單位為dB；f為工作頻率，單位為MHz，取值1800 MHz；Hb為發(fā)射臺天線有效高度，單位為m；d為接收機到發(fā)射機之間的距離，單位為m；Cm為地形修正因子（大城市的密集城區(qū)取值為3 dB，一般城市取值為0 dB），Hm為接收臺天線有效高度，單位為m。

4G高增益天線鏈路預算參數(shù)配置如表1、表2和表3所示。由表中數(shù)據(jù)可知，4G高增益天線的覆蓋半徑約為2.5 km。

2）4G普通天線

4G普通天線鏈路預算計算過程同上，計算數(shù)據(jù)如表4、表5和表6所示。

經(jīng)過比較，4G高增益天線的覆蓋半徑為2.5 km，普通天線的覆蓋半徑為2.04 km，4G高增益天線的覆蓋半徑約為普通天線的1.23倍，覆蓋半徑得到提高。

（2）GSM鏈路預算結(jié)果

GSM的鏈路預算計算方式與4G略有不同，由于不同傳播模型對應(yīng)的覆蓋距離不同，本文采用900 M頻段常用的傳播模型Hata-Okumura模型。

Lu=69.55+26.16×lg（f）-13.82×lg（Hb）-a（Hm）+

[44.9-6.55×lg（Hb）]×lg（d） （6）

其中：Lu為基本傳播損耗中值，單位為dB；f為工作頻率，單位為MHz，取值900 MHz；Hb為發(fā)射臺天線有效高度，單位為m；Hm為接收臺天線有效高度，單位為m；a（Hm）=[1.1×lg（f）-0.7]×Hm-[1.56×lg（f）-0.8]，為移動臺天線高度因子，在本文中取值為0.015 98；d為接收機到發(fā)射機之間的距離，單位為m。

GSM天線鏈路預算相關(guān)計算數(shù)據(jù)如表7、表8和表9所示。由表9可得，GSM天線的覆蓋半徑為2.4 km，而4G高增益天線的覆蓋半徑為2.5 km，比較而言，4G高增益天線的覆蓋能力與GSM天線的覆蓋能力相當。

3 實際覆蓋效果對比測試

3.1 4G高增益天線與4G普通天線覆蓋對比測試

（1）測試計劃和步驟

本次測試工器具準備如下：

◆測試設(shè)備：MIFI 1個，GPS 1個，逆變器1個，測試筆記本1臺、相機1部；

◆前臺軟件：GENEX Probe 3.5；

◆后臺軟件：GENEX Assistant 3.5；

◆勘測工具：天線姿態(tài)儀1個。

本次測試站點選取如表10所示，選取高速（測試站點A）、平原（測試站點B）、山區(qū)（測試站點C）、丘陵（測試站點D）4種類型站點各1個，對4種無線覆蓋環(huán)境下天線性能進行驗證，并對比不同場景下的天線性能及覆蓋能力。此次選取的4種類型站點當前現(xiàn)網(wǎng)安裝的是4G普通天線，測試需要對更換為4G高增益天線前后的數(shù)據(jù)做對比。測試站點B覆蓋地形為平原，現(xiàn)網(wǎng)安裝為4G普通天線，做4G高增益天線和4G普通天線最大覆蓋距離對比測試，即單站拉遠測試。

為保證天線更換前后測試具有對比性，本次測試需保證天線更換前后方位角、下傾角等工程參數(shù)準確一致。具體測試過程如下：

1）高速場景

◆天線工程參數(shù)核查，確認是否符合覆蓋目標，若不符合應(yīng)要求施工單位現(xiàn)場進行調(diào)整。

◆高速測試車速需盡量控制在60 km/h左右。

◆每次鎖定小區(qū)進行測試，共分為兩次，第一次去程完成DT（Drive Test，路測）測試直到脫網(wǎng)，第二次返程選取近、中、遠3點進行CQT（Call Quality Test，通話質(zhì)量測試）定點測試。

2）平原、山區(qū)、丘陵場景

◆天線工程參數(shù)核查，確認是否符合覆蓋目標，若不符合應(yīng)要求施工單位現(xiàn)場進行調(diào)整。

◆每次鎖定小區(qū)進行測試，共分為兩次，第一次去程完成DT測試直到脫網(wǎng)，第二次返程選取近、中、遠3點進行CQT定點測試。

3）單站最大覆蓋距離對比測試

◆調(diào)整現(xiàn)網(wǎng)4G普通天線總下傾角為2°，鎖定1小區(qū)進行DT測試直到電平較弱脫網(wǎng)，得出4G普通天線最大覆蓋距離；

◆更換為4G高增益天線，保證工程參數(shù)下傾角、方位角與4G普通天線測試時一致，同樣鎖定1小區(qū)進行DT測試直至電平較弱脫網(wǎng)，得出4G高增益天線最大覆蓋距離。

最后根據(jù)各覆蓋類型對比測試數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析。

（2）測試基站參數(shù)

4類測試場景（高速、平原、丘陵、山區(qū)）的基站參數(shù)如表11所示。

單站拉遠測試選取測試站點E（第1小區(qū)）天線，固定方位角35°，總下傾角為2°，具體參數(shù)如表12所示。

（3）測試結(jié)果

1）DT測試結(jié)果如表13和表14所示。

2）CQT定點測試，結(jié)果如表15所示。

更換為4G高增益天線后，網(wǎng)絡(luò)性能比原4G普通天線有明顯收益，RSRP平均提升4.1 dB以上，SINR平均提升0.3 dB以上，下載速率平均提升3.9 Mbps以上。

3）最大覆蓋距離拉遠測試，結(jié)果如圖1所示。

從單站拉遠看，高增益天線覆蓋距離比普通天線遠23.75%，能夠覆蓋6000 m以上。

3.2 4G高增益天線基站與2G天線基站對比測試

（1）測試計劃和步驟

本次測試工器具準備如下：

◆測試設(shè)備：MIFI 1個，GPS 1個，逆變器1個，筆記本1部；GSM MS/測試工具、相機1部；

◆前臺軟件：GENEX Probe 3.5/鼎利軟件；

◆后臺軟件：GENEX Assistant 3.5/鼎利軟件；

◆勘測工具：天線姿態(tài)儀1個。

本次測試站點選取如表16所示：

表16 測試站點表

序號 基站名稱 覆蓋場景 地形地貌 2G和4G

天線掛高/m 站址屬性

1 測試站點B 行政村 平原 37 2G4G共址

2 測試站點D 行政村 山區(qū) 40 2G4G共址

本次測試選取平原（測試站點B）、山區(qū)（測試站點D）兩種類型站點各1個，對兩種無線覆蓋環(huán)境下的天線性能進行驗證，并對比不同場景下的天線性能及覆蓋能力。此次選取的2個站點均為2G和4G共址站點，現(xiàn)網(wǎng)已安裝4G高增益天線和2G普通天線。

對每類場景站點分別進行2次測試，第一次為4G和2G天線總下傾角均為5°的正常覆蓋方式測試，另一次為天線總下傾角為0°的最大覆蓋距離的極限方式測試。

（2）測試站點參數(shù)

兩類測試場景（平原和山區(qū)）的基站參數(shù)如表17所示。

（3）測試結(jié)果

從整體測試結(jié)果來看（如表18所示），4G高增益天線基本能達到GSM覆蓋能力，覆蓋距離絕對值差異在0.2 km之內(nèi)。

4 造價分析

以某省為例，全省行政村總計17 407個，其中城區(qū)鎮(zhèn)區(qū)范圍內(nèi)總計1783個行政村，城區(qū)鎮(zhèn)區(qū)范圍外總計15 624個行政村，平原類型5502個，丘陵類型4888個，山區(qū)類型5234個。

參考最新4G主設(shè)備集采單價，高增益天線集采單價約2800元，普通天線集采單價約850元，按照當前行政村廣覆蓋原則，行政村按照一村一站覆蓋，采用高增益天線覆蓋相比采用普通天線覆蓋增加投資約9140萬元。

考慮同等基站設(shè)備情況下，天饋線系統(tǒng)的差異將導致基站有效覆蓋半徑和有效覆蓋面積發(fā)生較大的差異，通過上文的實際測試結(jié)果可知，使用高增益天線相比于普通天線，在平原、丘陵、山區(qū)覆蓋效果提升約29%、8%、6%，故在這些場景需要建設(shè)更多的基站才能達到高增益天線的覆蓋效果，使用普通天線達到高增益天線覆蓋效果增需加投資約55 224萬元。

采用普通天線與高增益天線投資比如表19所示?？梢钥闯?，4G高增益天線相比4G普通天線增益提升2.5 dB～3 dB，增益的提升將帶來覆蓋半徑的增大，按照全省行政村100%覆蓋的目標，在平原、丘陵、山區(qū)場景采用高增益天線將大大縮減約15%的建設(shè)成本，共計46 084萬元。因此，在4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，建議在農(nóng)村區(qū)域大力推廣高增益天線。

5 結(jié)論

綜上分析，建議在農(nóng)村無阻擋高站的情況下使用4G高增益天線，能明顯提升中遠場信號強度，近場信號惡化不明顯。高增益天線覆蓋距離為普通天線的1.23倍左右，與GSM天線的覆蓋距離相當，能節(jié)省約15%的建設(shè)成本，對支撐行政村4G的廣覆蓋效果顯著。

參考文獻：

[1] 韓斌，彭木根. TD-LTE鏈路預算研究[J]. 數(shù)據(jù)通信， 2011（1）： 30-31.

[2] 周巍，符新，常鶴. TD-LTE農(nóng)村覆蓋解決方案[J]. 中國新通信， 2015（1）： 30-32.

[3] 張玉勝. TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃技術(shù)發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]. 電信工程技術(shù)與標準化， 2015（2）： 1-6.

[4] 陳志煜. 基于高增益天線應(yīng)用增強平原區(qū)域熱點農(nóng)村4G覆蓋技術(shù)研討與應(yīng)用[J]. 通訊世界， 2016（2）： 15-17.

[5] 徐德平，鄧安達，程日濤，等. TD-LTE農(nóng)村基站覆蓋能力分析[J]. 電信工程技術(shù)與標準化， 2014（10）： 6-10.

[6] 劉智海. 淺談4G LTE技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品， 2012（22）： 41.

[7] 高明皓，陳新，郭建光，等. TD-LTE在平原農(nóng)村覆蓋能力的研究[J]. 電信工程技術(shù)與標準化， 2016，29（6）： 69-73.

[8] 李新. TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋特性淺析[J]. 電信科學， 2009，25（1）： 43-47.

[9] 王宇欣. 移動4G網(wǎng)絡(luò)農(nóng)村覆蓋問題研究[J]. 通訊世界， 2016（8）： 140-141.

[10] 徐江. 農(nóng)村4G增強覆蓋的對策分[J]. 中國新通信， 2015（20）： 27. ★