特型天線在LTE多層組網(wǎng)中的應(yīng)用

1、特型天線在4G LTE多層組網(wǎng)中的應(yīng)用上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司 錢(qián)小康摘要：首先提出4G LTE多層組網(wǎng)特點(diǎn)及對(duì)特型天線的需求，其次分兩方面介紹了目前主要的特型天線的性能和運(yùn)用方法。并通過(guò)居民區(qū)場(chǎng)景和大型校區(qū)場(chǎng)景兩個(gè)案例，介紹了特型天線在4G LTE多層網(wǎng)絡(luò)中的規(guī)模應(yīng)用。最后對(duì)特型天線的應(yīng)用局限性和前景進(jìn)行了總結(jié)和展望。關(guān)鍵詞：LTE，特型天線，多層組網(wǎng)1.引言4G LTE網(wǎng)絡(luò)目前正處于規(guī)模規(guī)劃、建設(shè)階段， LTE支持百兆的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)確實(shí)給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)機(jī)遇，但與此同時(shí)也給規(guī)劃、建設(shè)帶來(lái)了一系列的挑戰(zhàn)。從目前LTE網(wǎng)絡(luò)部署頻率來(lái)看，按國(guó)家對(duì)無(wú)線通信頻段資源的相關(guān)規(guī)劃，4G L

2、TE網(wǎng)絡(luò)FDD、TDD兩種制式都部署在2GHz左右及以上的較高頻點(diǎn)，該頻點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)繞射能力較差，尤其在密集市區(qū)需要進(jìn)行大規(guī)?；静渴?。在目前基站建設(shè)資源有限、大眾對(duì)無(wú)線輻射敏感的大環(huán)境下，勢(shì)必對(duì)基站的天線形式提出了更高的要求。從LTE系統(tǒng)特性來(lái)看，新系統(tǒng)引入OFDMA多址技術(shù)和MIMO等關(guān)鍵技術(shù)1，對(duì)天線性能的要求也從單純的分集接收提高了對(duì)多入多出的支持。從LTE提供的服務(wù)來(lái)看，4G網(wǎng)絡(luò)初期主要滿足手機(jī)及上網(wǎng)卡的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，既要滿足對(duì)廣域移動(dòng)對(duì)象的覆蓋，又要對(duì)局部數(shù)據(jù)熱點(diǎn)進(jìn)行有效的業(yè)務(wù)吸收。此外，建網(wǎng)初期，4G網(wǎng)絡(luò)與2G、3G網(wǎng)絡(luò)是一種并存的局面，怎樣利用好現(xiàn)有的2G、3G資源，促進(jìn)多

3、網(wǎng)協(xié)同發(fā)展也是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。最后，如本文開(kāi)頭所提，4G LTE網(wǎng)絡(luò)部署在較高頻段，無(wú)線傳播能力有限，在無(wú)線環(huán)境復(fù)雜的市區(qū)、密集市區(qū)，單靠一層網(wǎng)絡(luò)難以滿足覆蓋需求，需要構(gòu)建一個(gè)多層次網(wǎng)絡(luò)。 當(dāng)然，隨著無(wú)線技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)對(duì)以上種種挑戰(zhàn)的方法也有很多種選擇。本文希望從4G LTE網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵的網(wǎng)元基站的天線切入，談?wù)勅绾卧贚TE多層組網(wǎng)建設(shè)中通過(guò)對(duì)一些特型天線的應(yīng)用來(lái)應(yīng)對(duì)上述諸多挑戰(zhàn)。從而為后期大規(guī)模規(guī)劃、部署4G LTE網(wǎng)絡(luò)提供參考。2.LTE多層組網(wǎng)特點(diǎn) 根據(jù)國(guó)家對(duì)LTE頻段的規(guī)劃，4G LTE 網(wǎng)絡(luò)頻率部署在1.8G、2.1G、2.6GHz的高頻段，根據(jù)無(wú)線傳播特性，無(wú)線信號(hào)頻率越高，無(wú)線繞

4、射能力越差，即克服陰影衰落的性能越低。而基站的覆蓋范圍主要由陰影衰落損耗決定。如圖2-1所示，2.6G頻段要比700MHz頻段增加近12dB左右的差異，而3dB輻射能力就要差一倍。在鏈路損耗要求沒(méi)有比2G、3G有大幅提高的前提下，4G LTE如果部署在高頻段，基站部署就要求相當(dāng)密集。在密集市區(qū)，基站距離要求可能小于200m。再如引言中描述，目前4G LTE提供客戶的主要業(yè)務(wù)是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是室內(nèi)固定應(yīng)用較多，所以4G網(wǎng)絡(luò)對(duì)室內(nèi)深度覆蓋也提出了更高的要求。針對(duì)一些大型的熱點(diǎn)小區(qū)，需要進(jìn)行專項(xiàng)覆蓋。所以，LTE網(wǎng)絡(luò)必定是一張立體的網(wǎng)絡(luò)、一張多層的網(wǎng)絡(luò)。即傳統(tǒng)意義上的宏站（站高2545米）

5、主要提供廣域的城市主要道路、鐵路、水域、室外公共區(qū)域等場(chǎng)景覆蓋，1025米的基站作為第二層，主要解決城市次要道路、小區(qū)道路、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、學(xué)校等室內(nèi)場(chǎng)景的覆蓋需求，10米以下的基站，作為第三層，主要對(duì)覆蓋盲區(qū)、數(shù)據(jù)熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)盲、分流。圖2-1 不同頻率無(wú)線信號(hào)路徑損耗差異從上述多層網(wǎng)絡(luò)的布局要求可見(jiàn)4G LTE的基站建設(shè)需求是十分多樣的，也更貼近覆蓋目標(biāo)。這就對(duì)基站天線提出了一系列的要求：首先需要滿足LTE多入、多出的特性要求；其次需要滿足形式多樣的基站建設(shè)方式，有抱桿、塔類、立桿以及其它多樣的架設(shè)形式；再次，由于基站密集而且又貼近居民，需要對(duì)天線有一定的美觀要求；最后 LTE 是在2

6、G、3G網(wǎng)絡(luò)上疊加的一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，在天面資源緊張的基站天線還需要支持多種頻段，滿足不同運(yùn)營(yíng)商、不同網(wǎng)絡(luò)的接入。所以傳統(tǒng)的天線已經(jīng)越來(lái)越不能滿足上述要求，需要引入特型天線。3.特型天線種類及其應(yīng)用介紹目前，可以為4G LTE所用的特型天線種類也比較多樣，大致可分為兩種大類。其一為滿足系統(tǒng)性能需求的特型天線，包括滿足各種頻率接入的寬頻天線主要用于2G、3G、4G不同系統(tǒng)的同時(shí)接入，或不同運(yùn)營(yíng)商同時(shí)接入的需求。在滿足頻率的同時(shí)，天線還需要對(duì)LTE MIMO關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行支持。目前網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中，至少需要滿足2T2R(兩發(fā)兩收)要求、后期隨著LTE技術(shù)的演進(jìn)，需要滿足2T4R(兩發(fā)四收)、4T4R（四發(fā)

7、四收）乃至8T8R（八發(fā)八收）的高階形式。如圖3-1所示，是目前用于CDMA2000網(wǎng)絡(luò)、FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)、TDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的幾種特型天線，頻段跨度從800MHz到2.7GHz。這些特型天線帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)陳述，但同時(shí)不可避免會(huì)帶來(lái)較大的局限性。目前技術(shù)條件下，天線對(duì)各系統(tǒng)支持只能做到下傾角獨(dú)立可調(diào)，同一天線方位角則需一致。這給LTE初期規(guī)劃和2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)的后期優(yōu)化和協(xié)同發(fā)展帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)，需要予以關(guān)注。圖3-1 滿足不同系統(tǒng)及收發(fā)方式的天線舉例另一種特型天線是從滿足特殊的安裝要求以及外觀美化要求而提出的，這兩種需求有時(shí)是獨(dú)立的、有時(shí)又是需要同時(shí)滿足的，所以在本文中歸為一類。如上節(jié)

8、所述，4G LTE網(wǎng)絡(luò)往往采用多種建設(shè)方式，其中包括10米、15米、20米的立桿站以及5、6左右的立桿站。這些基站站有些是新增的立桿、有些是對(duì)原有立桿進(jìn)行一定的改造，這就對(duì)天線提出了非常個(gè)性化的安裝和外觀需求。既要利于安裝在立桿上，后期維護(hù)也要方便，又要外形美觀、小巧。圖3-2為兩種特型天線，左圖采用的集束天線，利用法蘭盤(pán)安裝在美化燈桿上，右圖采用只有30cm左右的小型定向天線，通過(guò)抱箍，定位在6米監(jiān)控桿上，從建站后的測(cè)試來(lái)看，均取得了較好的覆蓋效果。圖3-2 兩種在立桿上應(yīng)用的特型天線此外，隨著居民環(huán)保意識(shí)的提升以及對(duì)無(wú)線輻射缺乏一定的了解，大多對(duì)基站抱有敵視情緒，即反對(duì)基站在其周邊建設(shè)，但

9、同時(shí)又抱怨甚至投訴無(wú)線信號(hào)不好。這種現(xiàn)象可稱為“垃圾箱效應(yīng)”。所以從目前工程實(shí)踐來(lái)看，對(duì)美化天線的需求量是十分巨大的。圖3-3所示的分別是方柱型、小靈通改造型、空調(diào)型、排氣管型特性天線，此外還有射燈天線、變色龍?zhí)炀€等，都在4G LTE基站建設(shè)工程中有大量的應(yīng)用。它們能滿足不同業(yè)主的個(gè)性化要求，同時(shí)也大大降低了建成后被周邊居民抗議拆除的巨大風(fēng)險(xiǎn)。但是由于特殊的天線外形要求，這些天線往往不能支持對(duì)多系統(tǒng)的支持，帶來(lái)一定的局限性。圖3-3 多種美化型天線4.特型天線在多層組網(wǎng)中的應(yīng)用實(shí)例承上文所述，特型天線在多層組網(wǎng)中的應(yīng)用取決與各種特定需求，一般會(huì)對(duì)一整塊區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，整體輸出。這樣可以協(xié)同不

10、同高度的基站，提升網(wǎng)絡(luò)的整體效應(yīng)，降低多層組網(wǎng)帶來(lái)的干擾因素。下面介紹兩個(gè)場(chǎng)景的實(shí)例。4.1 居民區(qū)實(shí)例閔行轄內(nèi)某大型居民區(qū)由于周邊建設(shè)宏站困難，2G、3G信號(hào)本就不好，這給4G LTE建設(shè)提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，發(fā)現(xiàn)該試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)共有14個(gè)立桿資源可以利用。為了構(gòu)建LTE多層網(wǎng)絡(luò)，規(guī)劃擬選擇其中9個(gè)立桿點(diǎn)進(jìn)行改造升級(jí)，其中4個(gè)為5米高度，5個(gè)為20米高度，均采用了特型天線，如圖4-1所示。再加上原有的2個(gè)已開(kāi)通宏站（35米高度），在該區(qū)域形成一個(gè)整體網(wǎng)絡(luò)，滿足室內(nèi)、外的通信需求。表4-1 某大型居民區(qū)特型天線應(yīng)用情況序號(hào)站號(hào)/站名天線形式立桿原高（m）建議替換高度（m）天線方位角1T

11、1集束天線200/120/2402T2小型定向天線552703T3小型定向天線551804T4小型定向天線553305T5集束天線5200/120/2406T6集束天線5200/120/2407T7小型定向天線551608T8集束天線5200/120/2409T9集束天線5200/120/240圖4-1為上述規(guī)劃點(diǎn)建設(shè)后該區(qū)域基于3維地圖和射線跟蹤模型的2覆蓋效果（包括建筑物室內(nèi)），以LTE RSRP-115dbm的規(guī)劃要求（滿足下行4Mbps,上行256Kbps業(yè)務(wù)需求），實(shí)施該方案后，該區(qū)域95%區(qū)域達(dá)標(biāo)，達(dá)到了運(yùn)營(yíng)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求。圖4-1 某居民區(qū)覆蓋效果（仿真）4.2 校園區(qū)實(shí)例某

12、校區(qū)通信業(yè)務(wù)需求較大。從學(xué)校建筑物布局來(lái)看，學(xué)校內(nèi)規(guī)劃有教學(xué)樓、行政樓、圖書(shū)館、實(shí)驗(yàn)室及其它配套設(shè)施，建筑物較密集，樓宇外墻對(duì)無(wú)線穿透影響較大。為了滿足學(xué)校內(nèi)廣大教職員工和學(xué)生的4G通信業(yè)務(wù)要求，在該校區(qū)規(guī)劃了11個(gè)基站，其中4個(gè)備選。結(jié)合規(guī)劃和校方要求，這11個(gè)基站中有10個(gè)采用了第3節(jié)中介紹的特型天線，如表4-2所示：表4-2 某校區(qū)特型天線應(yīng)用情況序號(hào)站號(hào)/站名天線形式天線掛高（m）天線方位角1X1方柱型200/100/1802X2小靈通改造15全向3X3 （備選）小靈通改造18全向4X4 （備選）小靈通改造18全向5X5普通定向天線300/120/2406X6小靈通改造187X7集束天

13、線2030/120/2408X8小靈通改造20全向9X9（備選）集束天線200/120/24010N1方柱型300/120/21011X15 （備選）集束天線200/120/240圖4-2為上述規(guī)劃點(diǎn)建設(shè)后該區(qū)域的覆蓋效果（包括建筑物室內(nèi)），以LTE RSRP-115dbm的規(guī)劃要求（滿足下行4Mbps,上行256Kbps業(yè)務(wù)需求），實(shí)施該方案后，該校區(qū)95%區(qū)域達(dá)標(biāo)，達(dá)到了運(yùn)營(yíng)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求。圖4-2 某校區(qū)覆蓋效果（仿真）5. 總結(jié)與展望綜上所述，4G LTE 網(wǎng)絡(luò)多層網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求為特型天線的應(yīng)用提供了一個(gè)巨大的舞臺(tái)。無(wú)論是從滿足多系統(tǒng)接入需求、滿足4G LTE關(guān)鍵技術(shù)，還是從滿足多種

14、形式基站安裝需求、滿足業(yè)主美觀美化需求出發(fā)，特型天線為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者和建設(shè)者提供了一個(gè)有效的利器，解決了諸多場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題。但是隨著多層網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的深入和LTE技術(shù)的向前演進(jìn)，對(duì)特型天線的需求會(huì)越來(lái)越多樣，個(gè)性化要求十分突出。首先，目前從前端提出需求到相關(guān)廠家開(kāi)始設(shè)計(jì)、定型、生產(chǎn)、到貨需要經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)的等待過(guò)程，難以滿足運(yùn)營(yíng)商快速布網(wǎng)需求。其次，某些特型天線個(gè)性化特征明顯，采購(gòu)數(shù)量不會(huì)很多，這樣價(jià)格因素就會(huì)成為一個(gè)影響到天線廠家和運(yùn)營(yíng)商雙方積極性的一個(gè)重要因素。最后，如上文提及的目前使用的特型天線暴露出來(lái)的局限性，如多系統(tǒng)方向角不能獨(dú)立可調(diào)、天線尺寸與多入多出支持的矛盾等需要天線廠家進(jìn)行進(jìn)一步研究研發(fā)，智能天線的成熟應(yīng)用也是今后特型天線的發(fā)展方向。相信在運(yùn)營(yíng)商、天線廠家、規(guī)劃設(shè)計(jì)單位多方合力努力下，特型天線一定會(huì)在LTE 多層網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。參考文獻(xiàn)1 Stefania Sesia, Issam Toufik, and Matthew Baker. LTE, The UMTS L