基于LTE網(wǎng)絡(luò)場景的陣列天線選型研究*

李一雷

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311112）

0 引 言

LTE陣列天線技術(shù)是LTE系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。陣列天線模型算法的優(yōu)劣和參數(shù)的選擇，直接關(guān)系LTE系統(tǒng)的覆蓋性能、業(yè)務(wù)容量和用戶數(shù)量等關(guān)鍵指標(biāo)。在工程實(shí)踐中，陣列天線的選擇和參數(shù)校正也是LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃和優(yōu)化的主要內(nèi)容和必備環(huán)節(jié)。陣列天線不同的模型在不同無線環(huán)境中的性能和效果都有顯著區(qū)別，為陣列天線的設(shè)計(jì)和選型增加了困難。本文根據(jù)陣列天線的傳播模型，結(jié)合LTE網(wǎng)絡(luò)高鐵場景、鄉(xiāng)村場景和密集城區(qū)場景，通過仿真實(shí)驗(yàn)，給出了陣列天線不同場景下選型設(shè)計(jì)的建議，具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。

1 陣列天線主要選型參數(shù)

根據(jù)陣列天線原理[1]，長期演進(jìn)技術(shù)LTE的天線陣列的工作頻段處于2 300～2 700 MHz，極化方式為±45°的交叉極化，最大增益大于15 dBi，天線各端口之間的隔離度小于-20 dB，天線的前后比大于23 dB。陣列天線的主要參數(shù)還包含陣列間隔和陣列數(shù)量。陣列天線較之于普通天線，更需要在陣元間距和陣列數(shù)量上進(jìn)行選擇。本文實(shí)驗(yàn)中，LTE網(wǎng)絡(luò)選用工作頻率2 645 MHz，極化方向?yàn)椤?5°的交叉極化方式，天線增益為12 dBi，不考慮天線端口隔離度。

1.1 陣元間距的選擇

主極化在工作過程中會有對應(yīng)方向上的方向圖，被稱作主極化方向圖。主極化也有可能產(chǎn)生非預(yù)定的極化方向，被稱作交叉極化。交叉極化對應(yīng)的分量圖被稱作交叉極化分量圖[2]。

式中：d為一維線陣陣元間距；λ通常為中心工作頻率所對應(yīng)的波長；θmax為最大掃描角。本文所研究的天線陣列不考慮波束掃描情形，因此主瓣波束指向天線陣列的正前方，θ角為0°，陣元的最大間距為λ。此間距d一般取0.7λ～0.9λ。

由表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著陣元之間的間隔減少，方向圖衰減越慢，主次瓣的差距越小[3]，同時(shí)隨著間隔的減少，主瓣越來越寬。

表1 陣元間距對輻射方向的影響

0.9λ

1.2 陣元數(shù)量的選擇

陣列天線的輻射電磁場是各個(gè)單元輻射場的總和，可以根據(jù)輻射實(shí)情進(jìn)行具體調(diào)整，使陣列天線具有各種不同的功能，而這些功能是單個(gè)天線無法實(shí)現(xiàn)的。

本文的陣元數(shù)量選擇采用RFID陣列天線的矩陣設(shè)計(jì)思想[4]。結(jié)合實(shí)際工程可使用的陣列天線的陣元的數(shù)量，范圍為15～25個(gè)。

陣列天線在天線陣元配置上采用端射陣，如表2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 陣元數(shù)量對輻射方向的影響

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隨著陣列個(gè)數(shù)的增加，方向圖衰減越快，同時(shí)主瓣變窄，方向性變好。

1.3 陣元間距和陣元數(shù)量組合配置

結(jié)合表1和表2，陣元間距較大的輻射方向效果和陣元數(shù)量小的輻射方向效果接近；反之，陣元間距較小的輻射方向效果和陣元數(shù)量大的輻射方向效果接近。為了比較不同陣列天線，本文選取了3組陣列天線配置，如表3所示。

表3 陣列天線配置

2 網(wǎng)絡(luò)場景的選取和需求分析

對于陣列天線，由于陣元間距和陣元數(shù)量會引起覆蓋效果的區(qū)別，根據(jù)傳播特性，不同的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對陣列天線的性能和效果也有著顯著影響。工程實(shí)踐中，陣列天線的選擇受無線環(huán)境的不同影響，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確給出選型思路。

在LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工程中，一般采用三種具備代表的無線網(wǎng)絡(luò)場景——高鐵場景、鄉(xiāng)鎮(zhèn)場景和密集城區(qū)場景作為研究對象[5]。這些場景代表著LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化過程中典型的案例。本節(jié)將通過覆蓋分析和容量分析，研究三種場景下對陣列天線設(shè)計(jì)選型的不同要求。

2.1 高鐵場景

2.1.1 場景描述

高鐵場景主要指高鐵周圍，此時(shí)可能周邊缺乏LTE基站而導(dǎo)致高鐵列車上用戶沒有LTE網(wǎng)絡(luò)。

2.1.2 覆蓋需求

該場景下，僅需要對鐵路進(jìn)行覆蓋，同時(shí)一個(gè)小區(qū)在同樣的射頻功率內(nèi)發(fā)射距離最遠(yuǎn)，以減少切換次數(shù)，降低切換風(fēng)險(xiǎn)[6]。在保證容量一致的情況下，不僅可以減少切換帶來的掉話風(fēng)險(xiǎn)，還能減少基站，節(jié)省投資成本。要求一個(gè)高鐵基站最遠(yuǎn)有效覆蓋距離越大越好（RSRP大于-100 dBm的覆蓋距離）。因此，高鐵場景下，對陣列天線的覆蓋距離是重要的選型考慮參數(shù)。

2.2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)場景

2.2.1 場景描述

農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)包含集鎮(zhèn)和農(nóng)耕區(qū)，在集鎮(zhèn)存在部分的用戶，而農(nóng)耕區(qū)是用戶活動范圍。所以，鄉(xiāng)鎮(zhèn)需要進(jìn)行廣覆蓋。

2.2.2 覆蓋需求

農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)整體話務(wù)量較低，但是覆蓋區(qū)域要求比較廣。因此，要求在同樣基站數(shù)量情況下，陣列天線的有效覆蓋面積（RSRP大于-100 dBm的面積）越大越好。

2.3 密集城區(qū)場景

2.3.1 場景描述

在密集的城區(qū)存在大量的用戶，且整個(gè)密集城區(qū)都是用戶活躍范圍。

2.3.2 覆蓋需求

在密集城區(qū)存在大量用戶，為了避免擁塞，基站間距比較近，基站一般覆蓋3個(gè)小區(qū)，需要完成周圍一圈的完全覆蓋，避免盲區(qū)存在。同時(shí)，因?yàn)槌菂^(qū)存在阻擋，所以需要天線對區(qū)域內(nèi)覆蓋整體強(qiáng)度較高，以吸納普通社區(qū)的話務(wù)量。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，PRB利用率越高，網(wǎng)絡(luò)容量越高。

3 不同場景下陣列天線的仿真選型

將陣列天線模型納入武漢凌特電子技術(shù)有限公司的LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化仿真平臺UltraRF，工作頻率、極化方向、天線增益仍采用第2節(jié)中的參數(shù)。

通過該平臺可以獲得基站有限覆蓋范圍、基站有效覆蓋率、良好覆蓋率和PRB占用比例。這些指標(biāo)是衡量LTE網(wǎng)絡(luò)在高鐵場景、鄉(xiāng)鎮(zhèn)場景以及密集城區(qū)場景的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。通過對比這些網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。衡量不同陣列天線下的網(wǎng)絡(luò)性能，從而為陣列天線的天線選型提供依據(jù)。

3.1 高鐵場景仿真

構(gòu)建石武鐵路的一部分，部署一個(gè)高鐵仿真測試場景小區(qū)，方位角和鐵路保持一致。在保證天線其他射頻參數(shù)不變情況下，按照表4中的3種陣元間距和陣元數(shù)量組合仿真測試，查看小區(qū)覆蓋范圍，通過參數(shù)統(tǒng)計(jì)查看RSRP大于-100 dBm的最遠(yuǎn)覆蓋距離。高鐵場景希望有效覆蓋距離盡量遠(yuǎn)。通過仿真結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，第三種選型組合的陣元間距0.7λ、陣元數(shù)量為25時(shí)，有效覆蓋距離最遠(yuǎn)。

表4 高鐵場景下有效覆蓋距離仿真結(jié)果

3.2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)場景仿真

仿真環(huán)境為武漢市黃陂區(qū)域下的一個(gè)集鎮(zhèn)，按照現(xiàn)網(wǎng)基站位置部署2個(gè)基站，在保證天線其他射頻參數(shù)不變的情況下，按照表5的組合調(diào)整陣元間距和陣元數(shù)量進(jìn)行仿真測試。通過測量規(guī)定區(qū)域內(nèi)LTE信號覆蓋面積進(jìn)行對比。然后，查看小區(qū)覆蓋范圍、RSRP大于-100 dBm的覆蓋面積。表5的覆蓋效果圖中，深色區(qū)域?yàn)镽SRP大于-100 dBm的覆蓋范圍。在鄉(xiāng)鎮(zhèn)場景下，側(cè)重有效覆蓋面積即第二種選型組合，采用陣元間距0.8λ、陣元數(shù)量為20時(shí)的有效覆蓋面積最大。

表5 鄉(xiāng)鎮(zhèn)場景下有效覆蓋面積的仿真結(jié)果

3.3 密集城區(qū)場景仿真

對武漢青山區(qū)域，按照現(xiàn)網(wǎng)基站位置對鋼花街社區(qū)周圍的基站進(jìn)行部署，在保證天線其他射頻參數(shù)不變的情況下，按照表6調(diào)整陣元間距和陣元數(shù)量進(jìn)行仿真測試。通過測量規(guī)定區(qū)域內(nèi)LTE信號優(yōu)良覆蓋率來進(jìn)行對比。對比覆蓋效果，深黑色區(qū)域是覆蓋偏弱的區(qū)域；覆蓋效果上，第一種參數(shù)組合的覆蓋效果最好，計(jì)算的系統(tǒng)PRB占用率也最高。在密集城區(qū)場景應(yīng)達(dá)到較高的PRB，當(dāng)采用陣元間距0.9λ、陣元數(shù)量為15時(shí)，PRB占用率最高，符合運(yùn)營商在密集城區(qū)的規(guī)劃思路。

表6 密集城區(qū)場景下的PRB仿真結(jié)果

2 0.8λ 2024.66 3 0.7λ 2522.67

3.4 選型方案

對比在3個(gè)不同場景下共計(jì)9次的實(shí)驗(yàn)，可知：

（1）隨著陣列陣元間距減少，天線波束賦形方面主瓣會變窄，而覆蓋距離會有所提升；相反，陣元間距增加，主瓣會變寬，覆蓋距離有所降低；

（2）隨著陣元數(shù)量的增加，天線波束賦形方面主瓣會變窄，而覆蓋距離會有所提升；相反，陣元數(shù)量減少時(shí)，主瓣會變寬，覆蓋距離有所降低。

結(jié)合場景屬性的覆蓋需求，給出下面基于場景的陣列天線選型方案：

（1）在高鐵場景下，期望單個(gè)小區(qū)覆蓋距離較遠(yuǎn)的同時(shí)，天線主瓣方向也變窄，在不影響外界網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，減小切換次數(shù)和運(yùn)營商基站投資成本。結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，該場景下陣列天線選型時(shí)，建議選取的陣元間距較小、陣元數(shù)量較大，如陣元間距0.7λ、陣元數(shù)量25是較理想的選型。此外，根據(jù)更具體的實(shí)際需求，可在該區(qū)間附近進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到符合具體高鐵場景覆蓋效果的最佳設(shè)計(jì)。

（2）在鄉(xiāng)鎮(zhèn)場景下，期望小區(qū)能夠最大范圍地覆蓋周圍環(huán)境。天線主瓣覆蓋的區(qū)域范圍越大越好。結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，在滿足LTE基本業(yè)務(wù)的情況下，建議陣元間距和陣元數(shù)量都在合理范圍內(nèi)折中選取。例如，在陣元間距為0.8λ、陣元數(shù)量為20的組合附近，尋找滿足鄉(xiāng)鎮(zhèn)陣列天線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

（3）在密集城區(qū)場景下，期望小區(qū)能夠最大程度提升覆蓋區(qū)域內(nèi)的覆蓋電平，同時(shí)提升系統(tǒng)容量，這需要加強(qiáng)對覆蓋區(qū)域內(nèi)的優(yōu)良覆蓋率。該場景下，建議選取的陣元間距較大、陣元數(shù)量較小，如陣元間距為0.9λ、陣元數(shù)量15是較理想的選型。另外，根據(jù)具體要求，可在該區(qū)間附近細(xì)化設(shè)計(jì)，以滿足具體密集城區(qū)對陣列天線的設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié) 語

本文通過分析給出了陣列天線的陣元間距、陣元數(shù)量之間的三種組合選型類型，并從工程實(shí)際出發(fā)，在LTE常見的三種網(wǎng)絡(luò)場景下，對這三種選型進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，指出了不同LTE網(wǎng)絡(luò)場景下的陣列天線選型建議，為不同網(wǎng)絡(luò)場景下的陣列天線進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)提供了方向。

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