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

        2018-12-04 07:23:32張德樹吉洪武
        江蘇通信 2018年4期
        關(guān)鍵詞:有損現(xiàn)網(wǎng)電平

        汪 鵬 張德樹 吉洪武

        中國移動(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MathWords公司開發(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)有效覆蓋范圍的問題,建議對(duì)LTE智能天線采用無損權(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),通過對(duì)LTE現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)應(yīng)用無損廣播權(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

        選取愛尚寶峰F-1小區(qū)開展有損及無損權(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)開展有損及無損權(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。基于以上分析,在塘沽網(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 無損權(quán)值歸一化推廣效果對(duì)比

        根據(jù)對(duì)比,無損權(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,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

        本文通過對(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MATLAB仿真直觀驗(yàn)證了有損與無損權(quán)值對(duì)廣播波束增益的影響,與理論分析相吻合。

        通過對(duì)現(xiàn)網(wǎng)F頻段、D頻段單小區(qū)LTE智能天線配置無損廣播權(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)一步將無損權(quán)值配置推廣在網(wǎng)格簇區(qū)域內(nèi)全部小區(qū),無損權(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。

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