孔力，張遠凱，陶資

（上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司，遼寧 沈陽 110167）

0 引言

近年來移動用戶和智能終端發(fā)展迅速，2018 年底，中國移動終端總數(shù)達到15.7 億，比上年凈增1.49 億，其中4G 用戶終端數(shù)達到11.7 億，全年凈增1.69 億[1]。4G 數(shù)據(jù)流量也呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，以某省為例，2018 年底4G 日均流量達6.71 GB/小區(qū)，同比增長70%。隨著提速降費政策的進一步落實，4G 網(wǎng)絡(luò)將面臨巨大的擴容壓力[2]。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)擴容方式主要是新建基站和多扇區(qū)組網(wǎng)，但是新建基站投資大、建設(shè)周期長，多扇區(qū)組網(wǎng)中相鄰扇區(qū)的干擾嚴重，天線的增加給緊張的天面資源帶來了更多挑戰(zhàn)，擴容效果不明顯[3]。

劈裂天線通過發(fā)射兩束33°水平波寬信號對小區(qū)進行分裂，實現(xiàn)在原有三扇區(qū)基站基礎(chǔ)上的平滑升級和容量擴容，極大地節(jié)省天面空間資源，相較于其他擴容方案，具有投資少、見效快等優(yōu)點，在提升覆蓋和容量、穩(wěn)固市場發(fā)展方面起著重要作用[4]。

相比其他相關(guān)的應用研究，本文總結(jié)了劈裂天線的適用場景及天線選型分析，通過實際案例的測試分析，從覆蓋、PRB（Physical Resource Block，物理資源模塊）利用率、流量及其他關(guān)鍵指標對比劈裂前后網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，綜合分析劈裂天線應用的優(yōu)點及局限性。

1 劈裂天線的介紹

1.1 技術(shù)指標對比

劈裂天線將兩根雙極化天線集成在一個天線罩內(nèi)，采用波束賦形技術(shù)，實現(xiàn)單天線在水平面兩小區(qū)分裂。相比于普通天線，劈裂天線通過發(fā)射兩束33°水平波寬信號來支持六個扇區(qū)，扇區(qū)數(shù)量翻倍，大幅度增加了業(yè)務容量，實現(xiàn)深度覆蓋[5]。普通65°波束天線與劈裂天線方向圖對比如圖1 所示。

圖1 普通65°波束天線與劈裂天線方向圖對比

使用劈裂天線后，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化如圖2 所示。

圖2 劈裂后網(wǎng)絡(luò)拓撲變化圖

對劈裂天線、普通33°波束天線和普通65°波束天線的主要參數(shù)進行分析。由于劈裂天線包含兩幅33°劈裂天線，相對普通天線尺寸更大、質(zhì)量更大也屬正常。其他性能參數(shù)與普通天線差異不大。具體參數(shù)對比情況如表1 所示。

表1 天線主要參數(shù)對比表

1.2 劈裂天線優(yōu)勢

通過上述指標比較分析，可以看出劈裂天線在無線網(wǎng)建設(shè)及擴容方面具有如下優(yōu)勢：

（1）相對新建基站進行擴容，在不增加基站數(shù)量和天面資源的情況下，劈裂天線可以有針對性的快速、靈活擴容，不會產(chǎn)生獲取站址困難、業(yè)主糾紛和進站難等問題，解決了目前大規(guī)模建設(shè)基站帶來的機房、天面資源緊張的困難，并且投資少，工期短，見效快[6]。相對增加普通天線進行擴容，1 副劈裂天線能代替2 副普通天線，可節(jié)約一半的天線鐵塔租金，實現(xiàn)單天線水平面多小區(qū)分裂，利用空間分割技術(shù)增加信道容量，解決了信道資源緊張的問題[7]。另外，1 副劈裂天線凈重比2 副普通天線總質(zhì)量要輕10 kg 以上，承重要求更小，施工更容易。

（2）與普通窄波束天線相比，劈裂天線增益下降更快，扇區(qū)間的重疊面積更小，它具有更好的旁瓣抑制性能，減少了扇區(qū)間干擾，有效提升基站容量和覆蓋區(qū)域內(nèi)的信號質(zhì)量[8]。

2 劈裂天線建設(shè)方案

2.1 適用場景

（1）局部高流量熱點區(qū)域

隨著4G 移動用戶數(shù)的快速增長和熱點地區(qū)流量的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)擴容已成為運營商面臨的難題。然而，網(wǎng)絡(luò)頻點的使用已趨于飽和，運營商追求高效、快速、低成本的容量擴容，多載波和新建基站的增加已經(jīng)不能滿足擴容需求。采用劈裂天線具有擴容速度快，實施方便、投資低等優(yōu)點，將大幅提升容量和增強覆蓋，解決高流量熱點地區(qū)容量不足的問題[9]。

（2）以容量需求為主的密集城區(qū)

近幾年4G 網(wǎng)絡(luò)的快速部署，現(xiàn)網(wǎng)基站分布已經(jīng)十分密集，以某省會城市為例，密集城區(qū)最小站間距甚至已經(jīng)到了100～200 m 左右，而密集城區(qū)又是高容量需求區(qū)域，新建基站擴容方案已很難實現(xiàn)。使用劈裂天線在原基站基礎(chǔ)上平滑升級、擴容容量，可有效解決城市密集區(qū)的容量需求。

（3）站址獲取困難、資源不足區(qū)域

基站的快速部署與站址資源不足之間的矛盾已成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化中重點問題[10]。機房、天面資源的匱乏、鐵塔承重的限制、物業(yè)協(xié)調(diào)困難等因素都導致新建基站、增加普通天線六扇區(qū)擴容方案難以實施的這些場景，適用于劈裂天線。

2.2 建設(shè)方案

常用的4G 劈裂天線有三種類型，即4 端口雙頻劈裂天線，8 端口雙頻劈裂天線以及4+4 端口三頻天線，詳見圖3 所示。

針對上述幾種劈裂天線，可以采用以下三種建設(shè)/擴容方案。

方案一：1.8G+2.1G 雙頻4T4R 射頻單元配合4 端口劈裂天線劈裂為2T2R 六扇區(qū)

該方案是將原有1.8G+2.1G 雙頻基站的普通四端口天線替換成四端口雙頻劈裂天線，主要用于局部高流量熱點，且急需擴容區(qū)域，劈裂后小區(qū)翻倍，容量大幅提升，如圖4 所示。

圖3 常用的三種4G劈裂天線

圖4 4端口劈裂天線方案

方案二：1.8G+2.1G 雙頻4T4R 射頻單元配合8 端口劈裂天線劈裂為4T4R 六扇區(qū)

該方案是將2 個1.8G+2.1G 雙頻4T4R 射頻單元連接到一副8 端口劈裂天線，主要用于新建基站困難的高價值、高流量密集區(qū)域，如圖5 所示：

圖5 8端口劈裂天線方案

方案三：1.8G+2.1G 雙頻4T4R 和800M 2T4R 射頻單元配合4+4 端口劈裂天線

該方案是新增一副4+4 端口三頻劈裂天線，整合L800M 基站天線和1.8G+2.1G 雙頻基站天線于一體，在天面資源嚴重不足，容量又急需擴容時，可采用此方案進行天面整合，同時提升容量，具體如圖6 所示：

圖6 4+4端口劈裂天線方案

3 驗證案例

3.1 劈裂天線案例

沈陽理工大學校園占地面積113 萬平方米，校舍建筑面積44.4 萬平方米，在校師生1.8 萬余人。流量高峰期時現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)PRB 利用率高達98%以上，用戶感知較差。其中F_H_渾南熱電站1 扇區(qū)覆蓋學校教學樓、圖書館，業(yè)務量巨大，擁塞情況最為嚴重，一周內(nèi)PRB 利用率最大值達到98%～99%。

LTE 1.8G 室外基站F_H_渾南熱電站1 扇區(qū)劈裂前方向角為40°，通過對1 扇區(qū)現(xiàn)網(wǎng)1.8G 基站進行疊加2.1G 二載波分流，并通過1.8G+2.1G 負載均衡參數(shù)調(diào)整，優(yōu)化擁塞問題，使小區(qū)最大限度均衡網(wǎng)絡(luò)資源，但是由于用戶太多，參數(shù)修改完成后，問題改善不明顯，下行PRB 利用率依然高達70%以上，擁塞問題依舊，忙時小區(qū)仍出現(xiàn)擁塞告警。

現(xiàn)嘗試采用劈裂天線方案，在不增加天線的情況下，將1 扇區(qū)1.8G 天線替換成4 端口劈裂天線，在原有1.8G 和2.1G 兩個小區(qū)的基礎(chǔ)上劈裂兩個1.8G+2.1G小區(qū)，方向角由40°劈裂成方向角25°和方向角55°，原有2 個小區(qū)覆蓋變成4 個小區(qū)覆蓋，以此來進行分擔流量，解決擁塞問題。劈裂前后方向角變化如圖7所示：

圖7 渾南熱電站1扇區(qū)劈裂前后方向角對比

3.2 劈裂前后網(wǎng)絡(luò)指標對比

（1）覆蓋指標對比

在F_H_渾南熱電站1 扇區(qū)進行天線劈裂前后的DT測試。劈裂方案采用前，平均RSRP 為-82.76 dBm，擴容后平均RSRP 為-76.38 dBm，提升了6 dBm。劈裂方案擴容前平均SINR 值為7.35 dB，擴容后平均SINR 值為7.45 dB，擴容前后變化不大。具體如圖8所示。

（2）下行PRB 利用率對比

劈裂天線擴容方案前后通過大數(shù)據(jù)平臺提取三個時間段小區(qū)測試指標值，下行PRB 利用率比劈裂前平均下降23.98%，小區(qū)擁塞情況得到較大改善。詳見表2。

圖8 劈裂前后覆蓋指標對比

表2 劈裂前后下行PRB利用率對比

（3）平均用戶數(shù)對比

劈裂天線擴容方案后平均用戶數(shù)比劈裂前平均提升28.18%，漲幅明顯。詳見表3。

表3 劈裂前后平均用戶數(shù)對比

（4）下行數(shù)據(jù)流量對比

劈裂天線擴容方案后下行數(shù)據(jù)流量比劈裂前平均提升41.23%，從擴容后小區(qū)平均用戶數(shù)和下行數(shù)據(jù)流量增長情況來看，基本實現(xiàn)了提升容量、吸收更多流量的目的，有效緩解了資源壓力，釋放用戶流量。下行數(shù)據(jù)流量劈裂前后數(shù)據(jù)對比詳見表4。

表4 劈裂前后下行數(shù)據(jù)流量對比

（5）其他關(guān)鍵指標對比

劈裂天線擴容方案后其他關(guān)鍵指標保持穩(wěn)定，干擾可控。詳見表5。

3.3 效果小結(jié)

根據(jù)上述測試分析，可以看出劈裂天線方案能有效解決站址資源不足情況下4G 網(wǎng)絡(luò)擴容問題。

（1）網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況：擴容后無線覆蓋信號強度有所提升，整體覆蓋效果與干擾水平無明顯變化，保持了原始小區(qū)的覆蓋半徑，滿足了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化覆蓋一致性的要求。

表5 劈裂前后其他關(guān)鍵指標對比

（2）容量變化情況：扇區(qū)劈裂后有效解決了小區(qū)PRB 利用率高的問題，同時提升覆蓋區(qū)域內(nèi)的容量，增加小區(qū)用戶數(shù)，對小區(qū)的分流起到明顯作用。

（3）劈裂天線局限性：從劈裂天線的下傾角、方向角以及掛高等參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化上來看，劈裂天線不如單獨使用兩幅普通天線靈活，其優(yōu)化更為困難；同時，劈裂天線在擴容過程中需要替換原有天線，勢必要將原有基站中斷服務，勢必影響業(yè)務使用；并且在原主瓣覆蓋范圍內(nèi)存在小區(qū)重疊干擾問題，使用時需密切關(guān)注原天線中心區(qū)域用戶需求，如中心用戶較多時需調(diào)整天線方向；另外劈裂天線比原有替換的普通天線質(zhì)量大5kg左右，這對天面及鐵塔抱桿的承重提出更高要求，需重新評估風險。

4 總結(jié)與展望

劈裂天線技術(shù)為無線網(wǎng)的建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)的擴容提供了新思路，有效解決站址資源匱乏、容量不足和成本高等問題，在容量和性能方面能夠?qū)崿F(xiàn)顯著改進，宜作為無線網(wǎng)“精準投資”建設(shè)的有效手段推廣應用。同時，劈裂天線需進行設(shè)備和天線替換，且存在優(yōu)化不夠靈活等局限，需要在今后建設(shè)過程中進一步完善和改進。