多頻多波束龍伯透鏡天線在海域覆蓋場景下的應(yīng)用

鄭洪振，高黎明

（佛山市粵海信通訊有限公司，廣東 廣州 528132）

0 海域無線通信的覆蓋距離

無線電波在海平面?zhèn)鞑r(shí)，傳播信號(hào)主要有通過空間傳播的直達(dá)波和經(jīng)過海面反射的反射波。由于傳播損耗很小，信號(hào)可以傳播到很遠(yuǎn)的地方，此時(shí)，地球表面不能再看作是平面，而應(yīng)看作球面，需要考慮地球曲率對信號(hào)傳播的影響。另外，處于傳播路徑上的島嶼等也會(huì)對信號(hào)傳播產(chǎn)生陰影效應(yīng)，因此總體上無線傳播環(huán)境與農(nóng)村開闊地近似。根據(jù)Jhong Sam Lee 和Leonard E.Miller 的觀點(diǎn)，在超高頻和甚高頻頻段無線電波地對地傳播模型中，地球?qū)﹄姴▊鞑ビ绊懙拇笮∪Q于傳播路徑的長短。傳播路徑越長，影響越大，反之則越小[3]。無線視距與基站天線高度和移動(dòng)臺(tái)天線高度密切相關(guān)，其關(guān)系如圖1 所示。

圖1 視距覆蓋示意圖

如圖1 所示，R0為地球半徑；HT為基站天線掛高，HR為移動(dòng)臺(tái)天線掛高，則視距d（m）可由式(1)表示：

由于R0>>HT，且R0>>HR，所以式(1)可以簡化為式(2)：

考慮地球半徑R0=6 370 km，由式(2)可得：

由于空氣的壓力、溫度、濕度隨著高度而變化，介電常數(shù)也隨高度的增加而減小。由于高空中空氣稀薄，介電常數(shù)隨高度的增加而逐漸趨于1，這使得無線電波在對流層中的傳播軌跡不是直線而是沿地球曲率方向的曲線，即無線電波在對流層中傳播時(shí)出現(xiàn)折射。在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射下，修正后得到的視距公式為：

其中，HT為基站天線掛高，單位為m；HR為移動(dòng)臺(tái)高度，單位為m；d為基站覆蓋半徑，單位為km。

對于海面覆蓋，由于無線電波傳輸?shù)膿p耗很小，因此無線信號(hào)傳播距離很遠(yuǎn)。此時(shí)還需考慮地球曲率對海面?zhèn)鞑サ挠绊懀荒芾^續(xù)把海面視作平面。如圖2 所示：

圖2 地球曲率影響

如圖2 所示，可以將海面?zhèn)鞑キh(huán)境按距離分為A、B、C 三段。

A 段：從基站到基站可視為點(diǎn)到點(diǎn)，距離設(shè)為d1；

B 段：從基站可視點(diǎn)到基站和終端合并可視點(diǎn)之間距離設(shè)為d2；

C 段：超過基站和終端合并可視點(diǎn)的地球陰影區(qū)域。相當(dāng)于地球曲率增大到原來的4/3，這樣，就相當(dāng)于在一個(gè)半徑為Re=6375×4/3=8 500 km 的球體上進(jìn)行的直線傳播。

經(jīng)過分析，A 段的長度d1（km）與天線掛高H（m）的關(guān)系為：。

同樣，B 段的長度d2（km）與終端的天線掛高Hr（m）的關(guān)系為：。

由于d=d1+d2為等效球體上直線可視的距離，這部分稱為視距。

為了得到更遠(yuǎn)的覆蓋，需要使天線的掛高盡量高。但若天線掛高太高，會(huì)造成基站的越區(qū)覆蓋和鄰近小區(qū)的導(dǎo)頻污染，因此沿海覆蓋時(shí)必須考慮天線掛高的問題。視距與天線掛高的關(guān)系，如表1 所示。

表1 天線掛高與覆蓋距離關(guān)系

1 多頻多波束龍伯透鏡天線實(shí)現(xiàn)海域廣覆蓋技術(shù)方案設(shè)計(jì)

1.1 龍伯透鏡原理

龍伯透鏡天線最早是由RK-Luneberg 于20 世紀(jì)40 年代根據(jù)幾何光學(xué)法提出的，它是一種球?qū)ΨQ的介質(zhì)透鏡天線，是由一個(gè)介電常數(shù)連續(xù)變化的電介質(zhì)球體構(gòu)成的[2]，如圖3 所示。介質(zhì)球內(nèi)的相對介電常數(shù)沿球體半徑呈球?qū)ΨQ分布，由于龍伯透鏡在結(jié)構(gòu)上完全對稱，因此，在其表面上任意一點(diǎn)放置饋源，都可以形成高增益定向波束，非常適合多頻多波束天線設(shè)計(jì)。

圖3 龍伯透鏡原理

1.2 龍伯透鏡天線與板狀天線性能對比

龍伯透鏡天線支持超寬頻率范圍，可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模應(yīng)急通信保障、網(wǎng)絡(luò)大容量擴(kuò)容改造及5G 移動(dòng)通信大容量、高話務(wù)場景。與現(xiàn)網(wǎng)使用的海域覆蓋天線相比，龍伯透鏡天線具有以下幾個(gè)性能特點(diǎn)：

（1）龍伯透鏡天線可以支持0.5—2.7 GHz 頻段，基本涵蓋了當(dāng)前所使用的全部頻段，例如4G 的D/E/F 等頻段，同時(shí)也支持5G 當(dāng)前所使用的2.6 G 頻段。

（2）在1 710 MHz 頻率，垂直波束3 dB 瓣寬接近18°，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)天線（15 dBi 板狀天線典型值7°）。垂直波束很寬因此可以得到良好的站下覆蓋效果，深度覆蓋效果更加理想。

（3）球形龍伯透鏡天線垂直波寬、交叉極化比對比傳統(tǒng)板狀天線有明顯優(yōu)勢。

（4）同等體積下龍伯透鏡天線更容易構(gòu)成更多數(shù)量及維度的多波束。

對于海域覆蓋，不僅需要做到對海面的連續(xù)覆蓋和深度覆蓋，有時(shí)候還需要考慮重點(diǎn)區(qū)域的覆蓋，如旅游景區(qū)、港口、捕魚作業(yè)區(qū)、海產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)、油井的覆蓋等。這些區(qū)域不僅需要解決覆蓋率的問題，還需要保證有足夠的話務(wù)容量和話音質(zhì)量。透鏡天線和現(xiàn)網(wǎng)海域覆蓋天線的比較如表2 所示。

表2 透鏡天線和現(xiàn)網(wǎng)海域覆蓋天線性能比較

1.3 無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

圖4 為一般無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程。在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，網(wǎng)絡(luò)仿真是規(guī)劃流程的重要組成部分。通過仿真，能更精確地預(yù)測網(wǎng)絡(luò)容量、覆蓋和性能，能提供比手動(dòng)規(guī)劃更詳細(xì)的分析結(jié)果。通過仿真，可以了解網(wǎng)絡(luò)建成后的大致情況，從而更合理估計(jì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和投資規(guī)模。目前，幾乎所有的主流設(shè)備商都會(huì)在建網(wǎng)前后對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真調(diào)整。

圖4 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程

本次仿真采用Aircom 公司的Enterprise（3G）軟件，仿真流程包括仿真準(zhǔn)備和仿真過程兩部分。不同軟件在細(xì)節(jié)上有所不同，但是一些基本信息的建立都是必需的。圖5 是以Enterprise 軟件為例顯示仿真的流程示意圖。

圖5 仿真流程圖

仿真預(yù)測中，用戶容量的分配采用離散移動(dòng)臺(tái)蒙特卡羅（Monte-Carlo）分析方法，仿真移動(dòng)話務(wù)量分布，并對上行鏈路及下行鏈路進(jìn)行分析，整個(gè)預(yù)測過程要迭代進(jìn)行，直到發(fā)射功率達(dá)到穩(wěn)定值。在多次系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。通過分析覆蓋、干擾、反向功率和切換狀況等輸出結(jié)果，評估規(guī)劃方案。如果覆蓋質(zhì)量等未能滿足要求，需進(jìn)行站點(diǎn)優(yōu)化，常用的優(yōu)化措施包括調(diào)整基站位置、數(shù)量、發(fā)射功率、天線方向的高度等，然后重新進(jìn)行仿真運(yùn)算，這是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過程，直至滿足各項(xiàng)需求。

1.4 天線類型、電子地圖及傳播模型選擇

遠(yuǎn)站站間距控制在18 km 以內(nèi)，近站站間距控制在4～8 km，近遠(yuǎn)站站間距在4～6 km。近站距離鄰站在4 km 左右時(shí)，建議選用20.1 dBi/32.5（天線增益20.1 dBi，水平半功率角為32.50，以下同）的天線；近站距離鄰站在4～6 km 時(shí)，建議選用17 dBi/65 的天線；近站距鄰站在6～8 km 時(shí)，建議選用17 dBi/65 或者17 dBi/90 天線。根據(jù)實(shí)際情況，考慮采用雙扇區(qū)或者調(diào)整扇區(qū)方位角以達(dá)到覆蓋目標(biāo)。

電子地圖：本次仿真所使用的電子地圖精度是50 m。

傳播模型：本次仿真，采用Okumura-Hata[4]的通用傳播模型，根據(jù)海域傳播的特點(diǎn)，選用的海域傳播模型如下：K1=139.58，K2=44.90，K3=-2.55，K4=0，K5=-13.82，K6=-6.55，K7=0.7。其中：K1和K2為截距和斜率，它們對應(yīng)于一個(gè)固定偏移量和基站與移動(dòng)臺(tái)之間距離的對數(shù)值的復(fù)用因子；K3是移動(dòng)臺(tái)天線的高度因子，通常為天線有效高度；K4是復(fù)用因子；K5是有效基站天線高度的增益因子；K6是Okumura-Hata 模型的復(fù)用因子；K7是衍射系數(shù)，是衍射計(jì)算的復(fù)用因子。

1.5 天線參數(shù)

700 MHz 頻段站點(diǎn)安裝龍伯透鏡天線（EHS1LB063A），天線具體參數(shù)如表3 所示，天線方向圖如圖6 所示，天線實(shí)物圖如圖7 所示。

表3 天線性能參數(shù)

圖6 天線方向圖

圖7 天線實(shí)物圖

此次使用的龍伯透鏡天線增益小于現(xiàn)網(wǎng)的4448 天線，參見表4：

表4 龍伯透鏡天線與4448天線的增益對比

2 多頻多波束龍伯透鏡天線海域覆蓋驗(yàn)證

703—798 MHz 頻段是為5G 移動(dòng)通信開辟的，因空間傳輸損耗低，更有利于遠(yuǎn)區(qū)覆蓋。測試目的是驗(yàn)證703—798 MHz 頻段在海域場景下的遠(yuǎn)距離覆蓋和擴(kuò)容效果，測試地點(diǎn)為山東煙臺(tái)。

2.1 測試工作準(zhǔn)備

由山東煙臺(tái)移動(dòng)市公司協(xié)調(diào)測試船只（船高29 m，航線滿載3 000 人左右），確認(rèn)測試日期，盡量考慮風(fēng)小浪小，可出海較遠(yuǎn)距離。測試設(shè)備清單如下：

（1）GPS 3 個(gè)；

（2）華為CPE PRO 1 個(gè)；

（3）板狀天線（SMA內(nèi)針，SMA口和IPEX轉(zhuǎn)接線）2個(gè)；

（4）Mate 40 pro 手機(jī)5 部；

（5）便攜PC 2 臺(tái)（1 主+1 備）；

（6）輔料：插排2 個(gè)、扎帶若干、膠帶1 卷。

2.2 站點(diǎn)情況

選取GGH050651R_ 救撈局西_ 救撈局作為測試站點(diǎn)，安裝龍伯透鏡天線，測試站點(diǎn)高度為169 m（海拔129 m+掛高40 m），機(jī)械角、電子下傾角調(diào)整為0。測試站點(diǎn)環(huán)境如圖8，測試站點(diǎn)位置、場景參數(shù)見表5。

表5 測試站點(diǎn)的位置、場景參數(shù)

圖8 測試環(huán)境

基站天線掛高為169 m，移動(dòng)終端高度估算3 m，用式(4)計(jì)算的視線距離是60.7 km，大于此距離進(jìn)入半陰影區(qū)，加上船體對電磁波的遮擋，信號(hào)很不穩(wěn)定，測試結(jié)果會(huì)有很大偏移。因此，超過60 km 的數(shù)據(jù)僅具有參考意義。

2.3 測試方案

本次測試選用各頻段站點(diǎn)的1、2 小區(qū)，共安裝兩個(gè)龍伯透鏡天線，經(jīng)過對比RRU 采用4T4R（4 發(fā)4 收），即每個(gè)小區(qū)占用兩個(gè)龍伯透鏡天線一側(cè)波束，與RRU采用2T2R（2發(fā)2 收），即一個(gè)小區(qū)各占用一個(gè)龍伯透鏡天線比較，采用4T4R 同位點(diǎn)RSRP 高2 dB 左右，下載速率提高50 Mbps，上傳速率提高20 Mbps，因此測試采用4T4R 方案。

每個(gè)小區(qū)占用兩個(gè)龍伯透鏡天線一側(cè)波束，其中1 小區(qū)連接兩個(gè)龍伯透鏡天線的左側(cè)波束，2 小區(qū)連接兩個(gè)龍伯透鏡天線的右側(cè)波束。利用改裝CPE 對703—798 MHz頻段進(jìn)行拉遠(yuǎn)測試。

2.4 測試結(jié)果

（1）龍伯透鏡天線航線拉遠(yuǎn)測試。對加載龍伯透鏡天線小區(qū)進(jìn)行拉遠(yuǎn)測試，在CPE 測試703—798 MHz 同時(shí)進(jìn)行上傳下載測試，移動(dòng)700 M 約在75.6 km 處脫網(wǎng)。測試結(jié)果見表6。

表6 龍伯透鏡天線航線拉遠(yuǎn)測試結(jié)果

（2）703—798 MHz CPE 拉遠(yuǎn)測試覆蓋距離，測試路徑如圖9。

圖9 703—798 MHz CPE拉遠(yuǎn)測試路徑

（3）龍伯透鏡天線與普通天線各頻段覆蓋情況對比。703—798 MHz 頻段使用龍伯透鏡天線覆蓋特性最遠(yuǎn)可覆蓋75.6 km，邊緣RSRP 值為-113.39 dBm。同RSRP 值時(shí)，普通天線最遠(yuǎn)可覆蓋77.6 km。覆蓋距離為45 km 內(nèi)，龍伯透鏡天線下載速率普遍高于普通天線。龍伯透鏡天線與普通天線測試路線如圖10，CPE 測試結(jié)果對比如表7。

表7 CPE測試結(jié)果對比

圖10 龍伯透鏡天線與普通天線測試路線

（4）703—798 MHz 龍伯透鏡天線海域覆蓋效果

經(jīng)過測試，龍伯透鏡天線在703—798 MHz 頻段的增益與普通天線大致相同，且因龍伯透鏡天線信號(hào)在超遠(yuǎn)距離穩(wěn)定性好，下載速率有明顯提升。

3 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋的日驅(qū)完善和移動(dòng)運(yùn)營商對海面信號(hào)覆蓋的日益重視，海面信號(hào)覆蓋的投入勢必加大。龍伯透鏡天線以其高增益且多頻多波束的特性，使信號(hào)距離海岸線60 km 的航線覆蓋率達(dá)到90% 以上，重點(diǎn)覆蓋區(qū)域移動(dòng)通信信號(hào)可以覆蓋至100 km 以上。隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)的全面應(yīng)用，在海面作業(yè)的移動(dòng)手機(jī)用戶不僅可以和家人、朋友保持暢通無阻的話音通信，還可以流暢地通過手機(jī)撥打視頻電話、瀏覽網(wǎng)頁、欣賞圖片、觀看高清晰的視頻和電視節(jié)目，使枯燥無味的海上生活變得豐富多彩。