基于MATLAB的LTE智能天線廣播波束仿真與權(quán)值優(yōu)化

汪 鵬 張德樹(shù) 吉洪武

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)天津有限公司

0 引言

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)普遍采用的8通道智能天線，作為一種陣元系統(tǒng)，智能天線可以通過(guò)改變各天線陣元的激勵(lì)（即權(quán)值，包含幅值及相位）實(shí)現(xiàn)天線波束賦形。天線波束賦形又可進(jìn)一步劃分為業(yè)務(wù)波束賦形（自適應(yīng)波束賦形）和廣播波束賦形。

LTE網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)參考信號(hào)（CRS）采用廣播波束賦形，小區(qū)參考信號(hào)用于小區(qū)選擇、重選、切換等下行信號(hào)質(zhì)量評(píng)估，其覆蓋性能決定著小區(qū)的有效輻射范圍。LTE系統(tǒng)中，廣播波束賦形采用預(yù)制權(quán)值方式，通過(guò)對(duì)智能天線陣列施加特定的幅度和相位激勵(lì)，形成扇區(qū)廣播波束覆蓋的輻射方向圖。優(yōu)化廣播波束權(quán)值設(shè)置，可控制廣播波束的輻射方向圖，降低小區(qū)間干擾、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信干比的最優(yōu)化。

本文主要通過(guò)對(duì)LTE智能天線廣播波束覆蓋方向性進(jìn)行分析，借助MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力及繪圖功能實(shí)現(xiàn)LTE天線輻射方向仿真，結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)天線權(quán)值設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍、覆蓋質(zhì)量的最優(yōu)化設(shè)置。

1 LTE智能天線陣方向圖分析及MATLAB仿真

1.1 LTE智能天線陣方向圖分析

智能天線是N列取向相同的天線按照一定方式排列和激勵(lì)，利用波的干涉原理形成預(yù)定波束的陳列結(jié)構(gòu)天線。其中4+4雙極化天線是TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的一種典型8通道天線，其天線陣布放示意圖如下所示。

圖1 4+4 交叉極化智能天線

以4+4雙極化天線某一極化方向?yàn)槔?，其在單個(gè)極化方向上構(gòu)成4陣列等距直線天線陣。設(shè)陣列間隔為d，則時(shí)域上陣元n（n取值1、2、3或4）與陣元1的相位差為：k×(n-1)×d×cosθ (其中 k=2π/λ)。

圖2 TD-LTE智能天線陣列示意圖

設(shè)天線各陣列空間取向一致，單個(gè)陣列最大電流振幅為I，各陣列初始幅值激勵(lì)分別為m1、m2、m3、m4、初始激勵(lì)相位分別為?1、?2、?3、?4，則某一陣列電流In表示為：

天線各陣列在H面的方向性函數(shù)相同，以陣列1為參考天線，設(shè)E1m為不考慮激勵(lì)陣列1最大電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，則設(shè)置權(quán)值激勵(lì)后陣列1、陣列n在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)分別表示為：

根據(jù)電磁場(chǎng)疊加原理，觀測(cè)點(diǎn)總電場(chǎng)矢量E如下：

以陣列1為參考天線，則LTE智能天線方向性函數(shù)可表示為：

設(shè)：

對(duì)于4陣列LTE智能天線，f1（θ）為元因子，只與陣元天線的結(jié)構(gòu)與架設(shè)方位有關(guān)，與權(quán)值激勵(lì)無(wú)關(guān)；fa（θ）為陣因子，取決于陣列間的相對(duì)位置（陣列方式）以及幅值及相位激勵(lì)設(shè)置，與元天線無(wú)關(guān)。本文主要討論不同權(quán)值設(shè)置對(duì)陣因子影響。

1.2 LTE智能天線陣方向圖的MATLAB仿真

LTE現(xiàn)網(wǎng)智能天線權(quán)值配置通常采用天線廠家建議權(quán)值配置，權(quán)值幅度值多采用有損配置方式（部分端口幅度激勵(lì)不為1）。有損配置方式會(huì)引起波束權(quán)值損耗，使得實(shí)際天線廣播波束增益降低2.5-4dB，導(dǎo)致小區(qū)覆蓋范圍的減少。

MATLAB是美國(guó)MathWords公司開(kāi)發(fā)的建立在向量、數(shù)組和矩陣基礎(chǔ)上的一種分析和仿真軟件包，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境?；贛ATLAB可方便實(shí)現(xiàn)天線波束輻射方向圖仿真計(jì)算以及數(shù)據(jù)可視化圖形化呈現(xiàn)。

為解決傳統(tǒng)有損天線權(quán)值影響小區(qū)有效覆蓋范圍的問(wèn)題，建議對(duì)LTE智能天線采用無(wú)損權(quán)值配置方式，同時(shí)基于MATLAB編程實(shí)現(xiàn)陣列天線方向圖仿真計(jì)算與繪制，直觀實(shí)現(xiàn)有損與無(wú)損權(quán)值配置下智能天線廣播波束輻射情況對(duì)比，為現(xiàn)網(wǎng)推廣應(yīng)用提供參考。下表為現(xiàn)網(wǎng)常用的LTE F頻段及D頻段有損及無(wú)損權(quán)值配置參數(shù)：

表1 TD-LTE F頻段智能天線權(quán)值配置

表2 TD-LTE D頻段智能天線權(quán)值配置

根據(jù)公式7，利用MATLAB程序可以繪制出LTE智能天線在不同權(quán)值配置下其廣播波束陣因子方向圖。

圖3 F頻段智能天線有損權(quán)值與無(wú)損權(quán)值陣因子方向圖對(duì)比

圖4 D頻段智能天線有損權(quán)值與無(wú)損權(quán)值陣因子方向圖對(duì)比

如上圖所示，根據(jù)MATLAB仿真對(duì)比分析，在F頻段（1.9GHz）及D頻段（2.6GHz），LTE智能天線在無(wú)損權(quán)值配置下，其陣因子方向圖增益均明顯優(yōu)于有損權(quán)值配置。為此計(jì)劃將MATLAB仿真結(jié)果推廣現(xiàn)網(wǎng)于LTE現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)，通過(guò)對(duì)LTE現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)應(yīng)用無(wú)損廣播權(quán)值配置，進(jìn)一步分析理論仿真與現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證權(quán)值優(yōu)化對(duì)LTE單小區(qū)有效覆蓋范圍增強(qiáng)效果。

2 基于權(quán)值歸一化調(diào)整效果分析

2.1 F頻段智能天線權(quán)值歸一化效果對(duì)比

選取愛(ài)尚寶峰F-1小區(qū)開(kāi)展有損及無(wú)損權(quán)值調(diào)整掃頻對(duì)比試驗(yàn)，該小區(qū)天線方向角70度、下傾角10度，其不同權(quán)值配置下掃頻覆蓋RSRP電平分布圖如下：

圖5 F頻段智能天線不同權(quán)值配置下掃頻覆蓋對(duì)比

表3 F頻段智能天線不同權(quán)值配置下掃頻采樣分布

根據(jù)圖5所示，對(duì)比掃頻覆蓋效果，在該小區(qū)天線主瓣覆蓋方向（如圖中圈示），無(wú)損權(quán)值配置下覆蓋效果明顯優(yōu)于有損權(quán)值配置。根據(jù)周邊道路鎖小區(qū)掃頻采樣點(diǎn)分析，無(wú)損權(quán)值配置其平均RSRP電平為-86.56dBm，有損權(quán)值配置下平均RSRP電平為-89.13dBm，無(wú)損權(quán)值歸一化后平均覆蓋電平提升2.57dB。

2.2 D頻段智能天線權(quán)值歸一化效果對(duì)比

選取滄江道D-3小區(qū)開(kāi)展有損及無(wú)損權(quán)值調(diào)整掃頻試驗(yàn)，該小區(qū)天線方向角300度、下傾角12度，其不同權(quán)值配置下掃頻覆蓋RSRP電平分布圖如下：

圖6 D頻段智能天線不同權(quán)值配置下掃頻覆蓋對(duì)比

表4 D頻段智能天線不同權(quán)值配置下掃頻采樣分布

根據(jù)圖6所示，對(duì)比掃頻覆蓋效果，在該小區(qū)天線主瓣覆蓋方向（如圖中圈示），無(wú)損權(quán)值配置下覆蓋效果明顯優(yōu)于有損權(quán)值配置。根據(jù)周邊道路鎖小區(qū)掃頻采樣點(diǎn)分析，無(wú)損權(quán)值配置其平均RSRP電平為-96.02dBm，有損權(quán)值配置下平均RSRP電平為-99.70dBm，無(wú)損權(quán)值歸一化后平均覆蓋電平提升3.68dB。

3 天線權(quán)值歸一化效果分析

根據(jù)MATLAB仿真以及F頻段及D頻段小區(qū)掃頻效果對(duì)比，無(wú)損權(quán)值設(shè)置下小區(qū)有效覆蓋范圍、平均覆蓋電平均有提升?；谝陨戏治觯谔凉辆W(wǎng)格54下完成天線權(quán)值歸一化推廣，效果對(duì)比如下：

表5 無(wú)損權(quán)值歸一化推廣效果對(duì)比

根據(jù)對(duì)比，無(wú)損權(quán)值歸一化實(shí)施后，統(tǒng)計(jì)日均數(shù)據(jù)流量、日均RRC均有增長(zhǎng)，同時(shí)路測(cè)LTE覆蓋率、平均RSRP覆蓋電平以及SINR等指標(biāo)有不同程度改善，整體推廣效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)8通道智能天線權(quán)值對(duì)陣因子輻射方向圖的影響分析得出，有損權(quán)值因幅度激勵(lì)不為1導(dǎo)致廣播波束覆蓋增益下降，影響小區(qū)有效覆蓋范圍。通過(guò)MATLAB仿真直觀驗(yàn)證了有損與無(wú)損權(quán)值對(duì)廣播波束增益的影響，與理論分析相吻合。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)F頻段、D頻段單小區(qū)LTE智能天線配置無(wú)損廣播權(quán)值，對(duì)比掃頻數(shù)據(jù)分析，其單小區(qū)平均RSRP覆蓋電平提升約2.5～3.5dB。進(jìn)一步將無(wú)損權(quán)值配置推廣在網(wǎng)格簇區(qū)域內(nèi)全部小區(qū)，無(wú)損權(quán)值配置下網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量在路測(cè)覆蓋率、覆蓋電平、流量吸收等方面均有不同程度提升。通過(guò)廣播權(quán)值配置優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了LTE網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的有效提升，達(dá)到了預(yù)期效果。