梁高光，溫正陽，戚帆，李偉然

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司河北分公司, 石家莊 050021）

1 引言

LTE是近年來通信技術(shù)的熱點(diǎn)之一，隨著LTE運(yùn)營牌照的發(fā)放，各大運(yùn)營商正在如火如荼地建設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)。LTE網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)全新的通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的質(zhì)量決定了將來的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營效果，因此網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重要性不言而喻。

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中一個(gè)重要的方面是天線的參數(shù)設(shè)置，主要包括天線的掛高、方位角和下傾角3個(gè)要素。按照蜂窩移動(dòng)通信理論，所有的基站應(yīng)該是覆蓋相同面積的正六邊形區(qū)域。但由于實(shí)際條件的限制，通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不是標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩結(jié)構(gòu)，各個(gè)基站的差異性比較大。這些因素導(dǎo)致天線的設(shè)置不可能按照統(tǒng)一參數(shù)配置，必須根據(jù)各個(gè)基站的具體情況加以處理。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃一般將所有基站天線采用同一個(gè)初始的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)仿真結(jié)果逐站進(jìn)行優(yōu)化處理，這種做法耗費(fèi)較多的時(shí)間和計(jì)算資源。

鑒于傳統(tǒng)方法的弊端，本文提出一種基于基站位置信息的計(jì)算基站天線參數(shù)的方法。該方法通過計(jì)算基站與相鄰基站的位置關(guān)系，采用公式計(jì)算的方法設(shè)置天線的各個(gè)參數(shù)。從而將整個(gè)規(guī)劃區(qū)內(nèi)的覆蓋問題轉(zhuǎn)化成局部地區(qū)單一基站的覆蓋問題，再將此過程應(yīng)用于所有基站達(dá)到將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。相比傳統(tǒng)的規(guī)劃方法，論文提出的方法不僅省時(shí)省力，而且具有較高的精準(zhǔn)，可控性良好。既能夠保證區(qū)域內(nèi)的覆蓋效果，又能有效地控制小區(qū)間的干擾問題。

2 理論分析

本章詳細(xì)介紹了天線參數(shù)的計(jì)算過程。主要分為兩個(gè)步驟，第一步是尋找目標(biāo)基站的3個(gè)相鄰基站并且計(jì)算出相對(duì)于目標(biāo)基站的具體方位角度和距離，第二步是根據(jù)相鄰基站的信息計(jì)算出的天線各個(gè)參數(shù)。

2.1 相鄰基站定位

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中一般都以經(jīng)緯度標(biāo)志基站的地理位置，通過經(jīng)緯度可以計(jì)算任意兩站之間的距離。現(xiàn)在已經(jīng)有較多的可以實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算的公式，其中比較精準(zhǔn)一種如公式（1）所示：

公式中，R為地球半徑，一般取6 378 km；x0、y0、 x1、y1分別為兩個(gè)基站的經(jīng)緯度。

對(duì)于目標(biāo)基站而言，通過循環(huán)使用公式（1）可以得到與其他任何基站的距離。其次，要判定相鄰基站的方向，需要采用如下公式：

公式（2）中λ表示相鄰基站的相對(duì)方向，x0、y0為目標(biāo)基站的經(jīng)緯度，x1、y1為相鄰基站的經(jīng)緯度。

相鄰基站的關(guān)系就是記錄3個(gè)不同扇區(qū)方向的最近基站的距離和方向。由公式（1）和公式（2）可以得到其他所有基站的距離和方向，然后從這些基站中找出3個(gè)相鄰基站。實(shí)現(xiàn)方法是循環(huán)檢查3個(gè)備選相鄰基站是否存在于同一扇區(qū)內(nèi)，判定方法為與中心基站做直線連接，兩個(gè)夾角不超過90°則認(rèn)為在同一扇區(qū)內(nèi)。首先采用最近的3個(gè)基站作為備選相鄰基站進(jìn)行判定，如存在于同一扇區(qū)內(nèi)則繼續(xù)尋找次近基站替換同一扇區(qū)內(nèi)較遠(yuǎn)基站。對(duì)新的備選相鄰基站再次進(jìn)行判定，以此類推。最終得到目標(biāo)基站的相鄰基站。

此外，有一些邊界基站只有一個(gè)或兩個(gè)相鄰基站，需要特殊對(duì)待。

2.2 天線掛高計(jì)算

為達(dá)到網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求同時(shí)避免基站越區(qū)覆蓋造成干擾，基站天線的掛高需要根據(jù)基站站間距進(jìn)行設(shè)置。天線的掛高沒有準(zhǔn)確的計(jì)算公式，但根據(jù)仿真和測試經(jīng)驗(yàn)可以有一些參考數(shù)值，根據(jù)覆蓋場景的不同可以有幾種不同的掛高范圍。根據(jù)電磁波傳播衰減模型，LTE在密集城區(qū)的覆蓋半徑約為300～400 m，天線掛高設(shè)置在30～35 m左右；在郊區(qū)及縣城的覆蓋半徑可達(dá)500 m以上，天線掛高可在密集城區(qū)的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加5 m左右為宜。

受到實(shí)際條件的限制，天線掛高大多不能夠設(shè)置在理想的位置。多數(shù)情況下基站選址完成后天線的掛高可調(diào)整范圍很小。因此，通常在規(guī)劃中一般不對(duì)天線掛高進(jìn)行調(diào)整，而是將掛高控制在一定的范圍之內(nèi)即可。市區(qū)一般不低于20 m，最高不超過50 m。本文的方法只對(duì)掛高進(jìn)行檢查而不做改變。

2.3 天線方位角計(jì)算

天線的另一個(gè)重要參數(shù)是天線的方位角?，F(xiàn)代蜂窩基站一般采用定向天線分3個(gè)小區(qū)進(jìn)行覆蓋，3個(gè)天線主瓣所指向的方向即為該小區(qū)的方位角。方位角決定該小區(qū)的覆蓋范圍，因此合理設(shè)置方位角非常重要。

關(guān)于天線方位角的設(shè)置，有幾個(gè)重要的原則：一是所有小區(qū)應(yīng)能夠?qū)⒒镜母采w區(qū)域全部包括；二是避免同基站之間小區(qū)干擾，3個(gè)小區(qū)之間必須保證60°以上的夾角。另外，為避免相鄰基站干擾和保證覆蓋，方位角設(shè)置應(yīng)使小區(qū)相鄰基站方向錯(cuò)開，避免相互對(duì)打。

在2.1節(jié)中已經(jīng)計(jì)算出目標(biāo)基站在3個(gè)不同方向上的相鄰基站距離和角度，由此可以根據(jù)上述幾種原則確定目標(biāo)基站3個(gè)天線的方位角。計(jì)算方法為將相鄰基站的角度兩兩取平均值即可，公式如下：

公式（3）中λ1、λ2、λ3分別是3個(gè)相鄰基站的相對(duì)角度；α1、α2、α3分別為目標(biāo)基站的3個(gè)方位角。

另外，如果α1計(jì)算結(jié)果為負(fù)數(shù)，則將該值加上360°作為α3，另外兩個(gè)角度依次上延作為α1、α2。

2.4 天線下傾角計(jì)算

最后一個(gè)參數(shù)是天線下傾角，也是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中最重要的參數(shù)。合理的下傾角可以控制基站的覆蓋范圍，增大基站站的覆蓋區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)減少與相鄰小區(qū)的干擾。

關(guān)于下傾角，計(jì)算公式如下：

公式（4）的計(jì)算是將天線的上半功率波瓣對(duì)準(zhǔn)小區(qū)邊緣時(shí)所得到的，這樣保證小區(qū)內(nèi)的都能夠在天線半功率角內(nèi)。其中h為發(fā)射天高度；R為小區(qū)的覆蓋半徑；θ0.5為垂直平面內(nèi)的半功率波瓣寬度。

根據(jù)2.1節(jié)計(jì)算出的相鄰基站數(shù)據(jù)，可以得出3個(gè)小區(qū)的覆蓋半徑R。小區(qū)的覆蓋半徑R應(yīng)為與同一方向相鄰基站距離的1/2多一點(diǎn)，具體參數(shù)可根據(jù)具體情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。再由公式（4）可以計(jì)算出該小區(qū)天線的下傾角。

2.5 小結(jié)

本章中詳細(xì)介紹了天線參數(shù)的計(jì)算過程，通過簡單的公式計(jì)算可以精準(zhǔn)地計(jì)算出來。另外，通過大量的仿真和測試驗(yàn)證，有一些較為普遍的參數(shù)可以采用，這樣可以更進(jìn)一步簡化參數(shù)設(shè)置的過程，避免了公式計(jì)算。但基本原理還是基于基站的鄰區(qū)關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 天線設(shè)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值

3 仿真驗(yàn)證

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工作常借助于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真軟件，這些軟件一般都支持地理信息的導(dǎo)入，能夠模擬電磁波的傳播并顯示基站的覆蓋效果圖。本文采用的ANPOP仿真軟件，通過對(duì)比傳統(tǒng)方式和本文中的方法兩種天線參數(shù)設(shè)置方法的仿真結(jié)果進(jìn)行理論驗(yàn)證。

3.1 仿真原理介紹

論文提出的方法采用某城市的LTE規(guī)劃進(jìn)行仿真驗(yàn)證。城市規(guī)劃區(qū)面積約為20 km2，采用F頻段進(jìn)行覆蓋。按照初步規(guī)劃采用了102個(gè)基站，306個(gè)小區(qū)進(jìn)行仿真。

對(duì)比方案采用傳統(tǒng)方法，將基站天線統(tǒng)一設(shè)置方位角和下傾角，3個(gè)方位角設(shè)置為60°/180°/300°，下傾角設(shè)置為10°。采用ANPOP軟件進(jìn)行仿真，結(jié)果作為對(duì)比依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)方案按照論文提出的方法進(jìn)行方位角和下傾角的設(shè)置。其他仿真參數(shù)與傳統(tǒng)方法的設(shè)置完全一樣，進(jìn)行第二次仿真。

3.2 仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

LTE仿真中主要的兩個(gè)指標(biāo)是參考接收信號(hào)功率RSRP和信噪比SINR。其中RSRP是衡量基站覆蓋信號(hào)強(qiáng)弱的標(biāo)志，而SINR是衡量各個(gè)基站之間干擾水平的標(biāo)志。

兩種仿真方案的結(jié)果對(duì)比如圖1和圖2所示，左側(cè)為對(duì)比方案仿真結(jié)果，右側(cè)為實(shí)驗(yàn)方案仿真結(jié)果。

圖1 RSRP仿真結(jié)果對(duì)比

圖2 SINR仿真結(jié)果對(duì)比

從規(guī)劃區(qū)內(nèi)找到典型的區(qū)域進(jìn)行分析，可以看到對(duì)比方案明顯存在覆蓋盲區(qū)干擾情況，如圖3所示。

圖3 典型區(qū)域?qū)Ρ?/p>

從仿真結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)天線參數(shù)設(shè)置方法由于沒有考慮與相鄰基站的位置關(guān)系而采用統(tǒng)一的參數(shù)設(shè)置，最終導(dǎo)致一些區(qū)域出現(xiàn)弱覆蓋或無覆蓋的情況，信號(hào)較差；而另一些區(qū)域基站越區(qū)覆蓋，干擾嚴(yán)重。采用論文提出的方法進(jìn)行天線參數(shù)設(shè)置可以有效的避免上述兩種情況。整體效果上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)置方法。

4 結(jié)論

論文提出了一種LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中天線參數(shù)的設(shè)置方法，采用了基于地理位置分析周邊基站關(guān)系的方法確定基站天線參數(shù)。論文細(xì)致地闡述了天線各個(gè)參數(shù)的計(jì)算方法，并通過實(shí)際案例進(jìn)行操作和驗(yàn)證，采用該方法實(shí)現(xiàn)了很好的效果。該方法可以實(shí)現(xiàn)快速的規(guī)劃和優(yōu)化，節(jié)省大量時(shí)間和計(jì)算資源。本文提出的方法對(duì)于仿真有很大幫助，同時(shí)也可以指導(dǎo)實(shí)際建站方案。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中也能夠起到實(shí)際作用。論文中天線參數(shù)的具體計(jì)算公式需要根據(jù)具體場景進(jìn)行優(yōu)化和論證，但基本方法值得肯定。

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