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(wú)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(chǎng)景、鄉(xiāng)村場(chǎng)景和密集城區(qū)場(chǎng)景，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，給出了陣列天線不同場(chǎng)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(zhǎng)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(guò)程中會(huì)有對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；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(lái)越寬。

表1 陣元間距對(duì)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(chǎng)是各個(gè)單元輻射場(chǎng)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(wú)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(duì)輻射方向的影響

25

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(chǎng)景的選取和需求分析

對(duì)于陣列天線，由于陣元間距和陣元數(shù)量會(huì)引起覆蓋效果的區(qū)別，根據(jù)傳播特性，不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)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(wú)線環(huán)境的不同影響，導(dǎo)致無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景——高鐵場(chǎng)景、鄉(xiāng)鎮(zhèn)場(chǎng)景和密集城區(qū)場(chǎng)景作為研究對(duì)象[5]。這些場(chǎng)景代表著LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化過(guò)程中典型的案例。本節(jié)將通過(guò)覆蓋分析和容量分析，研究三種場(chǎng)景下對(duì)陣列天線設(shè)計(jì)選型的不同要求。

2.1 高鐵場(chǎng)景

2.1.1 場(chǎng)景描述

高鐵場(chǎng)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(méi)有LTE網(wǎng)絡(luò)。

2.1.2 覆蓋需求

該場(chǎng)景下，僅需要對(duì)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(lái)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(chǎng)景下，對(duì)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(chǎng)景

2.2.1 場(chǎng)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(dòng)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(chǎng)景

2.3.1 場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(tái)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(guò)該平臺(tái)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(chǎng)景、鄉(xiāng)鎮(zhèn)場(chǎng)景以及密集城區(qū)場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)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(chǎng)景仿真

構(gòu)建石武鐵路的一部分，部署一個(gè)高鐵仿真測(cè)試場(chǎng)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(cè)試，查看小區(qū)覆蓋范圍，通過(guò)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(chǎng)景希望有效覆蓋距離盡量遠(yuǎn)。通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)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(chǎng)景下有效覆蓋距離仿真結(jié)果

3.2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)場(chǎng)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(cè)試。通過(guò)測(cè)量規(guī)定區(qū)域內(nèi)LTE信號(hào)覆蓋面積進(jìn)行對(duì)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(chǎng)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(chǎng)景下有效覆蓋面積的仿真結(jié)果

3.3 密集城區(qū)場(chǎng)景仿真

對(duì)武漢青山區(qū)域，按照現(xiàn)網(wǎng)基站位置對(duì)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(cè)試。通過(guò)測(cè)量規(guī)定區(qū)域內(nèi)LTE信號(hào)優(yōu)良覆蓋率來(lái)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)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(chǎng)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(yíng)商在密集城區(qū)的規(guī)劃思路。

表6 密集城區(qū)場(chǎng)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(duì)比在3個(gè)不同場(chǎng)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(huì)變窄，而覆蓋距離會(huì)有所提升；相反，陣元間距增加，主瓣會(huì)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(huì)變窄，而覆蓋距離會(huì)有所提升；相反，陣元數(shù)量減少時(shí)，主瓣會(huì)變寬，覆蓋距離有所降低。

結(jié)合場(chǎng)景屬性的覆蓋需求，給出下面基于場(chǎng)景的陣列天線選型方案：

（1）在高鐵場(chǎng)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(yíng)商基站投資成本。結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，該場(chǎng)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(chǎng)景覆蓋效果的最佳設(shè)計(jì)。

（2）在鄉(xiāng)鎮(zhèn)場(chǎng)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(chǎng)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(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)的優(yōu)良覆蓋率。該場(chǎng)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(duì)陣列天線的設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)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(jiàn)的三種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下，對(duì)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(chǎng)景下的陣列天線選型建議，為不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的陣列天線進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)提供了方向。

[1] 余道華.基站天線陣列設(shè)計(jì)[J].信息通信,2015(01):165.YU Dao-hua.Base Station Antenna Array Design[J].Information Communication,2015(01):165.

[2] 滕飛,李淑穎,盛喆等.LTE基站天線陣列設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,37(11):88-90.TENG Fei,LI Shu-ying,SHENG Zhe,et al.Design of LTE Base Station Antenna Array[J].Modern Electronics Technique,2014,37(11):88-90.

[3] 王曼珠,張喆民,崔紅躍.MATLAB在天線方向圖中的應(yīng)用與研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2004(04):24-27.WANG Man-zhu,ZHANG Zhe-min,CUI Hong-yue.The Application and Study of Antenna Radiation Pattern Based on MATLAB[J].Journal of IEEE,2004(04):24-27.

[4] 吳龍.一種基于陣列天線的無(wú)源RFID混合定位系統(tǒng)[J].信息與電腦(理論版),2016(13):62-63.WU Long.A Passive RFID Hybrid Positioning System Based on Array Antenna[J].China Computer &Communicatio,2016(13):62-63.

[5] 肖清華,汪丁鼎,許光斌等.TD-LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].北京:人民郵電出版社,2013.XIAO Qing-hua,WANG Ding-ding,XU Guang-bin,et al.TD-LTE Network Planning Design and Optimization[M].Beijing:People's post and Telecommunications Publishing House,2013.

[6] 張宵.LTE高速場(chǎng)景下隨機(jī)接入算法的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.ZHANG Xiao.Research on Random Access Algorithm in LTE High Speed Scenario[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2012.