基站天線的優(yōu)化選擇和設置技術

摘要　闡述了天線對移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡性能的重要性，介紹了目前國內(nèi)移動通信系統(tǒng)中常見天線種類和性能指標，并結(jié)合工程實踐，分析了天線選擇設置不當對網(wǎng)絡性能的影響，給出了移動通信系統(tǒng)天線使用的幾種典型環(huán)境下，基站天線優(yōu)化選擇和設置的注意事項和方法。

天線是移動通信系統(tǒng)的重要組成部分，直接關系到移動通信網(wǎng)絡的覆蓋范圍和服務質(zhì)量。例如呼損率、掉話率、切換成功率等。網(wǎng)絡營運的指標均與無線覆蓋密切相關，而天線的選擇和設置作為控制無線網(wǎng)絡覆蓋的基本手段，對于改善網(wǎng)絡性能至關重要。

我國現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)中常見的基站天線主要分室外基站天線和室內(nèi)分布天線兩種。室外基站天線主要有機械全向天線、預制電下傾全向天線、單極化定向機械天線、雙極化定向機械天線、雙極化定向預制電下傾天線和雙極化定向電調(diào)天線：室內(nèi)分布天線主要有吸頂天線、壁掛天線、八木天線等。此外，還有一些用于特殊情況下的天線。如用于覆蓋地鐵和隧道的泄漏電纜、無線直放站施主天線常用的柵格拋物面天線，等等。天線的性能指標分電氣性能指標和機械性能指標，其中電氣性能指標包括增益、波瓣寬度、極化方向、電壓駐波比、端口隔離度、上旁瓣抑制、前后比、功率容量、三階交調(diào)、頻率范圍等；機械指標包括天線的尺寸、重量、調(diào)整范圍、溫度、最大風速、接頭型式、天線抱桿、安裝和下傾輔件、防雷等，決定了天線的工作環(huán)境和安裝要求。

1、天線的選擇和設置[1]

由于天線的選擇和設置與地形、地物以及話務量分布緊密相關，可以將天線使用環(huán)境大致分為5種類型：一般城區(qū)、密集城區(qū)、農(nóng)村地區(qū)、郊區(qū)、交通干線等。

1.1　一般城區(qū)基站天線

城區(qū)基站密度較高，站距一般為500～1 000m，為合理覆蓋基站周圍500m左右的范圍，選擇基站天線時應考慮以下幾方面：

1）為減少干擾，應選用水平半功率角接近于60°的天線。這樣的天線所構(gòu)成的輻射方向圖接近于理想的三葉草型蜂窩結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)網(wǎng)適配性較好，有助于控制越區(qū)切換。

2）城區(qū)基站一般不要求大范圍覆蓋。而更注重覆蓋的深度。由于中等增益天線的有效垂直波束比高增益天線寬，覆蓋半徑內(nèi)有效的深度覆蓋范圍較大，可以改善室內(nèi)覆蓋效果，所以選用中等增益天線較好。

3）由于城區(qū)基站天線安裝空間往往有限。采用±45°極化方式的天線較為可行，并且由于±45°為正交極化，有效保證了分集接收的良好效果。

4）在不采用分層網(wǎng)的情況下，同一基站密度區(qū)域內(nèi)，各基站天線有效掛高應該大致相等；基站越密，天線有效掛高應該越低。城區(qū)新建站天線高度為30 m左右，非城區(qū)新站天線高度為50 m左右。

1.2　密集城區(qū)基站天線

密集城區(qū)基站天線的選擇與一般城區(qū)基站類似。但由于密集城區(qū)基站站距往往只有400～600m，在使用水平半功率角為65°的15 dBi雙極化天線，且天線有效掛高35 m的情況下，天線下傾角可能設置在14.0°～11.5°之間。此時如果單純采用機械下傾的方式。傾角過大將引起水平波束變寬，干擾增大，同時上副瓣也會引入較大干擾；而采用電子式傾角天線。則可以較好地解決波形畸變的問題，產(chǎn)生的干擾相對較小。所以密集城區(qū)基站選用電調(diào)下傾的水平半功率角為65°左右的中等增益雙極化天線較為合適。

1.3　農(nóng)村地區(qū)基站天線

在農(nóng)村地區(qū)。鑒于話務量較小，預期覆蓋面積較大的特點，選擇基站天線時應考慮以下幾方面。

1）對于CDMA網(wǎng)絡而言，為提高定向基站兩扇區(qū)天線服務交疊區(qū)間的通信質(zhì)量（交疊區(qū)內(nèi)有宏觀分集的效果），增大交疊區(qū)面積，宜選用水平半功率角較大的天線。例如水平半功率角為90°的天線。

2）對于GSM網(wǎng)絡而言，為提高覆蓋質(zhì)量，在平原地區(qū)使用水平半功率角較大的天線效果較好，但同時會產(chǎn)生切換區(qū)域增大的問題；而在山區(qū)和丘陵地帶由于天線掛高比較高，使用水平半功率角較小的天線易于控制覆蓋方向和范圍，效果較好；同時要兼顧到周圍覆蓋，就要考慮垂直半功率角比較大的天線。下傾角度也要作重點考慮，既要覆蓋到計劃范圍，同時不能對遠處的基站造成干擾。

3）為保證覆蓋半徑，應選擇高增益天線。

4）由于極化分集依賴于移動臺周圍反射體和散射體的分布，對于地物分布相對較稀疏的農(nóng)村地區(qū)，極化分集效果不如空間分集。因此在安裝條件具備的情況下，使用單極化天線可以獲得更大的上行分集增益，但與雙極化天線相比對安裝空間和施工技術要求較高，也不利于后期工程天線的調(diào)配。

5）如果基站周圍各方向上都沒有明顯阻擋，話務需求和預期覆蓋范圍也較小，且均勻分布在基站周圍，可以選用11 dBi的全向天線。對站址較高或用戶分布距站址過近的情況，為避免出現(xiàn)“塔下黑”，應選擇預制電下傾全向天線。

1.4　郊區(qū)基站天線

郊區(qū)的情況介于城區(qū)和農(nóng)村之間。對于站距較大的基站，可以參照農(nóng)村基站天線的選用原則；反之則參照城區(qū)基站天線的選用原則。

1.5　交通干線基站天線

如果覆蓋目標僅為高速公路或鐵路等交通干線，由于話務量較低，而覆蓋區(qū)成長帶狀分布，天線宜采用高增益定向天線加功分器方式組成雙扇區(qū)基站，兩天線相背放置，最大輻射方向與高速公路或鐵路的方向一致。在穿過城鎮(zhèn)，旅游點的地區(qū)可以采用三向、全向小區(qū)配以高增益定向天線實現(xiàn)覆蓋。另外，如果道路呈直線且沿路方向話務量很低，既考慮覆蓋又考慮設備成本，可采用雙向天線，由于該天線是全向天線的變形，因此無需采用功分器，避免了采用功分器引入的插入損耗（約3.5 dB），采用一根天線代替兩扇區(qū)天線，成本也較低。

對于大型的購物中心、辦公樓、醫(yī)院、娛樂中心，通常室內(nèi)結(jié)構(gòu)復雜、有一定話務需求，直接通過室外覆蓋損耗較大，易造成室內(nèi)信號弱、覆蓋不均勻、容量不足的問題，建議采用信號源加室內(nèi)分布系統(tǒng)方式分布，天線可選用室內(nèi)吸頂天線、壁掛天線等小增益天線。

此外，考慮到分集及不同系統(tǒng)天線共址問題，同一小區(qū)分集接收天線間距應大于3 m，全向天線水平間距應大于4 m，定向天線水平隔離間距應大于2.5 m，不同平臺天線垂直隔離間距應大于1 m。

2、天線優(yōu)化案例分析

基站天線除了其類型和參數(shù)指標會影響無線覆蓋效果之外，安裝的位置、高度、方向角、下傾角對于無線網(wǎng)絡覆蓋性能也至關重要。在實際工程中，由天線選擇設置不當造成無線網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量下降的情況很多，例如：

1）天線選擇及方位角設置不當導致覆蓋問題。

在某GSM網(wǎng)絡基站A（配置為S（1/1/1）的覆蓋范圍內(nèi)，農(nóng)場的覆蓋不好，部分型號的手機能夠上網(wǎng)打電話（手機接收信號顯示有1、2格），部分手機處于上網(wǎng)的臨界狀況（手機接收信號顯示有1格或沒有或下網(wǎng)），打電話很容易掉話。測試過程中發(fā)現(xiàn)，在去農(nóng)場的路上一直是3小區(qū)的頻點。在接近農(nóng)場時，切換（重選）為相鄰基站B（相距約10km）的某一頻點，而在農(nóng)場區(qū)域，TCH（業(yè)務信道）一直是基站B的該頻點，接收電平為-100dBm左右。當離開農(nóng)場一段距離時，切換為基站A的2小區(qū)。也就是說：在農(nóng)場的覆蓋區(qū)域內(nèi)，沒有采用較近的基站A作為服務區(qū)，而是采用了更遠基站B。經(jīng)分析，其原因在于天線的主瓣方向沒有正對農(nóng)場，而天線的半功率角為65°，農(nóng)場處于2、3小區(qū)兩個天線旁瓣區(qū)域內(nèi)；另一方面，半功率角65°的天線在郊區(qū)覆蓋范圍較大的情況下，旁瓣的覆蓋不如在市區(qū)覆蓋好。將天線更換為半功率角90°的天線，并調(diào)整天線的方位角，使2小區(qū)的天線主瓣正對農(nóng)場后，故障排除。

2）天線下傾角選擇不當造成呼叫建立異常。

某地出現(xiàn)手機顯示接收信號較強（2～3格），但是無法通話的情況：做主叫時，撥號后無反應；做被叫時，可振鈴但不能通話。使用測試手機觀察故障地區(qū)接收信號情況，發(fā)現(xiàn)最強的信號（-85 dBm左右）來自距該地20 km以外的基站，由于GSM系統(tǒng)MS（移動臺）小區(qū)選擇使用的是搜索到的信號強度最高的頻點，而利用此頻點所屬基站離MS過遠，上行信號達到基站時的信號電平低于該基站的接收機靈敏度，因而造成了上述現(xiàn)象。根據(jù)實地勘測，發(fā)現(xiàn)基站所在地的海拔高度比故障區(qū)域約高200m，且之間幾乎沒有任何阻擋，另外該基站的天線下傾角為0°，所以該基站的信號到故障區(qū)域基本上為視距傳播，導致了非常嚴重的越區(qū)覆蓋。采用加大天線下傾角，對干擾小區(qū)的覆蓋范圍進行控制后，故障排除。

3）天線掛高過高，引起切換成功率低、掉話率高。

某GSM網(wǎng)絡切換成功率不足80%，掉話率超過2%，通話質(zhì)量差。通過查看分析話統(tǒng)任務數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)切換原因及不成功主要是由于上、下行電平差造成，且下行質(zhì)量差的次數(shù)大大高于上行質(zhì)量差的次數(shù)。實際路測結(jié)果表明，市區(qū)內(nèi)室外信號強度能達到-80dBm以上，覆蓋沒有問題。但存在比較嚴重的越區(qū)覆蓋問題。如在A基站所在樓內(nèi)，手機所在的服務小區(qū)為與A基站1小區(qū)具有相同BCCH（廣播控制信道）頻點的B小區(qū)，而B小區(qū)位于市郊距A基站6 km處。這樣，就產(chǎn)生兩方面的問題：在A基站1小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，B小區(qū)信號形成同頻干擾，導致下行鏈路質(zhì)量；當選擇B小區(qū)作為服務小區(qū)時，由于它的鄰區(qū)只做了與它地理上有相鄰關系的小區(qū)，而在A基站附近的小區(qū)沒有做成它的鄰區(qū)，這樣當它的信號變得不可用時，它的鄰區(qū)信號也不好，產(chǎn)生孤島效應，就容易發(fā)生切換失敗乃至掉話。經(jīng)實地勘測，B小區(qū)天線掛高為50m，造成嚴重的越區(qū)干擾。因此可采用降低B小區(qū)的天線掛高或者將更換為電調(diào)下傾天線以加大下傾角度，從而減小B小區(qū)的覆蓋范圍，避免對A基站1小區(qū)的干擾。

3、結(jié)束語

天線的選擇和設置，作為天饋優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)，不僅決定了網(wǎng)絡覆蓋性能，還關系到網(wǎng)絡的質(zhì)量指標。隨著天線技術的發(fā)展，各種新型天線的涌現(xiàn)，將使得天線的選擇和設置更加靈活。因此，設計人員必須針對不同的地理環(huán)境、服務要求、現(xiàn)場情況仔細選擇天線類型和電氣性能，優(yōu)化設置天線參數(shù)。以達到控制電磁能的空間分布，改善網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量，均衡網(wǎng)絡話務負荷，避免由于天線選擇和設置不當造成的覆蓋盲區(qū)、干擾、切換、越區(qū)覆蓋等問題，使網(wǎng)絡資源得以充分合理的利用。

參考文獻
　　[1]　張威.GSM網(wǎng)絡優(yōu)化——原理與工程[M].人民郵電出版社，2003