基于特性天線的高鐵覆蓋場景應(yīng)用研究*

付 康，沙乾坤，高宗杰

（中國移動通信集團新疆有限公司 哈密市分公司，新疆 哈密 839000）

0 引言

目前，我國已經(jīng)建成了全世界最長的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)。高鐵乘坐人數(shù)眾多，已經(jīng)成為民眾出行的首選交通工具，因此解決高鐵場景的覆蓋具有非常重要的意義。新疆維吾爾自治區(qū)內(nèi)高鐵途徑地貌復(fù)雜多樣，有隧道、路塹、防風墻、戈壁、沙漠以及草地，站點資源獲取困難，信號損耗快速。部分高鐵線路存在覆蓋不足、用戶感知差的問題。

通過研究基于特性天線的高鐵站點覆蓋增強方案，提升單站點的覆蓋范圍和用戶感知，減少新增站址資源，能達到“降本增效”的目的。通過高鐵增強覆蓋方案的研究、典型場景的測試驗證以及方案修正等，形成了高鐵場景的覆蓋方案和方法，用于指導(dǎo)后續(xù)的高鐵5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃建設(shè)。

1 透鏡天線原理

透鏡天線是根據(jù)光學(xué)理論引入“鏡片”概念，在各種形狀的電磁輻射器前加裝介質(zhì)透鏡，使得電磁波經(jīng)過“鏡片”作用后可以轉(zhuǎn)變成平面波，以得到錐形或圓柱形波束。透鏡介質(zhì)折射率不均勻，把饋源（信源）放到焦點處。它的折射率與位置距球心的距離有關(guān)，滿足，式中ε(r)為相對介電常數(shù)，n(r)為折射系數(shù)，2 為選擇材料的介電常數(shù)，r為當前位置到球體中心的距離，R為球體的半徑。當平面電磁波射向“鏡片”時，通過“鏡片”作用被匯聚到與此平面電磁波相垂直的直徑的另一端。這樣在此處（通常是焦點）設(shè)計放置一個饋源，就能在球天線口面上轉(zhuǎn)換成平面電磁波達到匯聚的作用。整個球面上的任意位置都可以是焦點[1]，如圖1 所示。

龍伯球透鏡是一種比較實用的透鏡天線，是由介質(zhì)材料做成的圓球體，作用是將不同角度傳播的電磁波聚到“鏡片”表面的一點，在球的正對不同方向來波球面焦點設(shè)置小增益接收天線，通過透鏡輻射將發(fā)射功率密度提高10 倍以上，天線效率高于90%，如圖2 所示。

圖1 透鏡天線原理1

圖2 透鏡天線原理2

2 透鏡天線與板狀天線對比

2.1 特性對比

如表1 所示，人工介質(zhì)透鏡天線與板狀天線相比，具備垂直波瓣寬、結(jié)構(gòu)簡單、底噪小、輻射效率高以及風阻小等特點。

2.2 覆蓋范圍對比

如表2 所示，透鏡天線不用電調(diào)，±3 dB 垂直波束覆蓋距離范圍為44～1 313 m。傳統(tǒng)板狀天線采用電調(diào)技術(shù)，覆蓋距離范圍為145～753 m。在遠距離覆蓋上，透鏡天線的距離是板狀天線的1 倍，覆蓋范圍更遠。

表1 人工介質(zhì)透鏡天線與板狀天線的性能對比

表2 ±3 dB 覆蓋距離比較（塔高25 m）

3 龍伯球天線應(yīng)用驗證

3.1 應(yīng)用環(huán)境

蘭新高鐵是連接甘肅蘭州與新疆烏魯木齊的高速鐵路，全長1 773 km，新疆境內(nèi)710 km，其中烏魯木齊段長112 km，吐魯番段長228 km，哈密段長370 km，高鐵設(shè)計時速250 km/h，實際運行時速為200 km/h。大風區(qū)段線路達462.4 km，占新疆段線路總長的65.1%。尤其是高鐵北側(cè)建設(shè)的防風墻，幾乎貫穿全程。高速列車車體穿透損耗大，再加上防風墻的阻擋，極大地縮小了基站的覆蓋范圍。1.2 km 的站間距很難保證連續(xù)覆蓋[2]。

3.2 試點天線選型

本次測試的天線型號是HT300001 和HT380002產(chǎn)品，應(yīng)用于高鐵覆蓋的介質(zhì)透鏡天線。整個天線支持寬頻段，水平半功率角和垂直半功率角在30°左右，可以在滿足高鐵遠距離覆蓋的前提下，保證由遠到近的良好覆蓋效果，比傳統(tǒng)板狀天線有更好的覆蓋效果，且質(zhì)量輕，便于塔上安裝，大大降低了天線體積和重量，使天線的應(yīng)用更加靈活。HT380002 相比HT300001 增加了2.5 dBm 的增益。它的相關(guān)電氣性能參數(shù)如表3 所示[3]。

3.3 試點范圍及站點規(guī)模

本次試點選擇了蘭新高鐵柳園至哈密、哈密至鄯善路段進行天線替換，并進行覆蓋對比測試（蘭新高鐵哈密全段由FDD1800 站點覆蓋）。

柳園至哈密涉及物理站點140 個、天面280 個；哈密至鄯善涉及物理站點125 個、天面250 個。柳園至哈密平均站間距1 120 m，區(qū)間問題站點數(shù)量6個；哈密至鄯善平均站間距1 115 m，區(qū)間問題站點數(shù)量11 個。站點區(qū)間分布如表4 所示。

基于機械創(chuàng)新設(shè)計大賽的卓越工程師培養(yǎng)模式是一種全新工程師培養(yǎng)模式的探索，它基于大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽這個學(xué)科競賽，其目的不僅僅局限于只是比賽，而是要以賽促教、以賽促學(xué)。在這種培養(yǎng)模式中，卓越工程師是培養(yǎng)的目的、方向，學(xué)科競賽是途徑與方法，兩者互為動力，缺一不可。概括起來有以下幾方面：

表3 透鏡天線電氣性能參數(shù)

表4 站點區(qū)間的分布情況

3.4 測試驗證情況

3.4.1 連續(xù)覆蓋測試效果

如表5 所示，天線替換后，整體指標較替換前均有所提升。VoLTE 測試指標較替換前有明顯的提升，替換后VoLTE 全程呼叫成功率、VoLTE 掉話率均有所改善[4]。

（1）柳園至哈密段平均RSRP 值提升1.34 dBm，SINR較之前提升1.65 dB，綜合覆蓋率（RSRP＞-110 dBm 且SINR＞-3 dB）提升1.80%，下載速率提升1.11 Mb/s。

（2）哈密至鄯善段平均RSRP值提升1.2 dBm，SINR較之前提升1.25 dB，綜合覆蓋率（RSRP＞-110 dBm 且SINR＞-3 dB）提升2.15%，下載速率提升1.51 Mb/s。

3.4.2 掃頻測試效果

如表6 所示，全路段覆蓋測試情況如下：從整體掃頻來看，柳園至哈密、哈密至鄯善在進行天線替換后，覆蓋率和平均SINR基本相當。

如圖3 和圖4 所示，柳園至哈密、哈密至鄯善替換路段，RSRP基本穩(wěn)定于-110～-75 dBm。SINR與RSRP相關(guān)性較大，RSRP ＜-120 dBm 時，出現(xiàn)少量SINR＜-3 dB 的情況。

表5 蘭新高鐵哈密段天線替換后ATU 測試對比

表6 蘭新高鐵哈密段天線替換后掃頻測試對比

圖3 RSRP 采樣點區(qū)間統(tǒng)計

圖4 SINR 采樣點分區(qū)間統(tǒng)計

如表7 所示，蘭新高鐵替換區(qū)域，弱覆蓋占比大于50%的弱覆蓋區(qū)域總計23。其中，柳園至哈密段弱覆蓋天線數(shù)量13 個，哈密至鄯善段弱覆蓋天面數(shù)10 個。替換后，該問題路段弱覆蓋均得到了解決。

如圖5 和圖6 所示，在對蘭新高鐵柳園至哈密、哈密至鄯善段進行透鏡天線替換后，經(jīng)過前后測試對比，發(fā)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)接收信號強度和信號質(zhì)量均得到了明顯改善。

表7 天線替換后弱覆蓋路段問題解決情況

圖5 柳園至哈密天線替換前后RSRP 覆蓋圖對比

圖6 哈密至鄯善天線替換前后RSRP 覆蓋圖對比

4 結(jié)語

通過對蘭新高鐵哈密段突出弱覆蓋路段站點進行透鏡天線替換應(yīng)用，明顯改善了局部覆蓋，使得整體覆蓋率和測試指標均有所提升，后續(xù)可應(yīng)用于高鐵覆蓋場景區(qū)域[5]。經(jīng)過應(yīng)用試點，透鏡天線相對于常規(guī)平板天線能夠有效提升覆蓋水平和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，改善用戶體驗。