（电磁场与微波技术专业论文）wcdm系统中天线参数对容量影响的分析.pdf

摘要 天线是w c d m a 系统的重要部件，其增益、方向图、高度、方位角及下倾角等参数都 会直接影响到无线信号的场强分布，从而影响整个系统的性能。本文在介绍了天线基本参 数基础上，分析了天线参数对于系统容量的影响，其中重点分析了下倾角的影响提出了 一种简易的动态下倾角调整方案，这种方案根据不断变化的业务分布，自动调整扇区基站 天线的下倾角，把负载较重的扇区一部分业务转移到负载相对较轻的扇区中，达到负载平 衡的作用。计算表明，固定下倾角方案相比，这种方案可以提供更多的系统容量。最后， 本文利用等效圆近似方法，分析了在宏小区微小区系统中基站天线下倾角对反向链路容量 的影响。我们定义干扰折衷因子和宏小区对微小区接收功率比，仿真结果表明，通过控制 宏小区对微小区接受功率比，可以使干扰折衷因子达到最小，系统的容量达到最大值，对 应的天线基站下倾角就是最佳下倾角。 a b s t r a c t t h ea n t e n n ai so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si nw c d m a s y s t e m ，t h e 踟1 t e 啪 p a r a m e t e r s ，s u c ha sd o w nt i l ta n g l e ，h e i g h t ，a n t e n n ag a i n ，a z i m u t ha n g l e ，a f f e c t st h es i g n a l d i s t r i b u t i o na n ds y s t e mp e r f o r m a n c e d i r e c t l y o ni n t r o d u c i n gt h ea n t e n n ap a r a m e t e r s ，t h ee f f e c t s o f t h ea n t e n n ap a r a m e t e r so nt h ec a p a c i t ya r ea n a l y z e d ，e s p e c i a l l yt h ed o w nt i l ta n g l e ad y n a m i c a n t e n n a - t i l t e dm e c h a n i s mi sp r o p o s e di nw h i c ht i l t i n gt h ea n t e n n ao f t h eh o ts p o ta n di t sa d j a c e n t c e l ls e c t o r si sb a s e do nv a r y i n gt h es i g n a l - t o i n t e r f e r e n c er a t i o ( s i r ) ，t h ed y n a m i cm e c h a n i s m c a na u t o m a t i c a l l yt i l tt h ea n t e n n ac o r r e s p o n d i n gt ot h ev a r i a t i o no ft r a f f i c t h ee f f e c to ft h e a n t e n n ad o w nt i l ta n g l eo nt h em a c r o m i c r o c e l lc e l l u l a rs y s t e mi sa n a l y z e da tl a s t ，b yd e f i n i n g t h ep o w e rr a t i oa n di n t e r f e r e n c et r a d e o f ff a c t o r i ti ss h o w nt h a t ，t h eo p t i m a lt i l ta n g l ei so b t a i n b ym i n i m i z i n gt h ei n t e r f e r e n c et r a d e o f ff a c t o rw i t hp o w e rr a t i oc o n t r o l ，w h i c hm a x i m i z e st h e s y s t e mc a p a c i t y 南京邮电学院学位论文独创性声明 y - 7 6 5 2 2 7 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谓| 意。 研究生签名：导啦日期：兰型 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名：墓叁苎日期：丛 l 铽京i i l l l i u 学院坝l 科j 生学位论文 第一章绪论 w c d m a 系统中天线参数对容量影响的分析 1 1 前言 第一章绪论 w c d m a 系统是一种可以提供大容量、高品质和多业务服务的第三代无线移动通信系 统，与第二代t d m a 系统比较，它具有更高的频谱利用率。w c d m a 的一个显著特点是： 稆邻扇区河可以复用相同的频率，使频谱的利用率大大提高，并使软切换技术得以实现。 与此同时，如何在保证服务质量的前提下，合理配置基站参数，设计出合适的覆盖交叠区， 获得最大的小区容量，将是w c d m a 网络的一项重要而复杂的工作。 天线是无线通信系统的重要部件，其增益、方向图、高度、方位角及下倾角等参数都 会直接影响到无线信号的场强分布。在实际工程中，天线参数的调整，尤其是对于天线下 倾角的调整，对于整个系统性能的影响都至关重要，在初期设计和后期优化中都占有重要 的地位。研究天线参数对w c d m a 网络容量的影响，可保证系统在建网初期即可获得良好 的质量并可保证后期优化有的放矢。 在第二章中，我们首先介绍了天线的一些基本参数并且结合天线下倾，分析了其他 一些基站参数，例如负载固子、基站天线波束宽度、扇区化增益以及扇区化效率对于系统 容量的影响，并详细介绍了在实际网络规划和优化工作中，如何对这些参数进行调整，并 提出了一些建设性的意见。 整个移动通信系统生命周期是一个不断演进的过程，随着用户数目以及环境因素的不 断变化。运营商需要不断对网络进行调整优化，对于网络的天线部分，特别是天线下倾角， 耍在网络优化过程中不断调整这样就给网络优化工作带来了很大的工作负担，为此，我 们在文章笫三章qr 提出了一种动态下倾角调整方案，这种方案以移动用户信干比值( s 1 r ： s i g n a lt oi n t e r f e r e n c e r a t i o ) 为参考参数，判断每个小区或者扇区的负载情况，针对不断变 化的业务负载情况，动念调整基站下倾角度，把严重负载小区或者扇区的业务分配到负载 相对较轻的小区或者扇区中去，往得整个系统容量效率始终保持最大。仿真结果表明，相 比与天线下倾角固定情况下，动念下倾角调整方案对整个系统性能的提升是非常有效的。 由于在实际网络运营过程中，业务分布的不均匀性，在热点地区、阴影地区和人口密 度较高的城区，宏小区上叠加微小区是人们通常使用的增加系统容量的方法。相比于普通 堕塞墅皇兰堕堡主堡塞生竺堡丝苎 一 苎：兰篁丝 小区，微小区具有许多优点，例如，能显著增加系统的容量，对于移动速度不高或者静止 的用户能够简化信号处理过程，减少移动台设备体积和功率消耗【1 】。在未来通信系统设计 中，节约使用频谱资源将是设计者们需要重点考虑的问题，而采用多层蜂窝结构且频谱复 用系数为l 的c d m a 系统则是选择方案之一。功率控制，即控制所有移动用户的发射功 率，使其到达移动基站的功率保持相等，是c d m a 系统中一个非常重要的技术。在宏小 区，微小区系统中，宏小区和微小区需要不同的接收功率，即使微小区重叠在宏小区上层覆 盖，这两个系统也需要不同的功率电平。在本文中，我们通过几个系统参数，例如负载情 况、小区半径和天线下倾角等，推导出最佳的宏小区微小区接收功率比。微小区霰要越高 的接收功率，那么微小区内的移动用户就要提高发射功率，也就是提高了移动设备的电力 消耗。我们发现，如果将微小区基站天线下倾一定角度，不仅在前向链路中减少能量传播 到其他小区中，而且可以在反向链路中减小宏小区用户对微小区的干扰，从而解决上述问 题。天线下倾分为机械下倾和电下倾两种，两者的比较在本文后面说明，在第四章中，我 们重点考虑全向微小区天线的电下倾对系统容量的影响，为了得到使系统容量达到最大的 下倾角，我们定义干扰均衡因子作为性能衡量参数。我们分析的对象就是使用同频的宏小 区微小区c d m a 系统，利用宏小区基站接收的功率对微小区基站接收功率之比和微小区 基站天线下倾角来控制系统的容量。 c d m a 作为典型的自干扰系统，小区容量对邻区的干扰十分敏感。在宏小区微小区 c d m a 蜂窝系统中，存在四种形式的外小区干扰： i 宏小区对宏小区干扰； i i微小区对微小区干扰： i i j 宏小区对微小区干扰； i v 微小区对宏小区干扰。 在以往的文献中，对于上述几类干扰都有详细计算分析。但是对于越层干扰( i i i 类和 i v 类) 过于近似，没有考虑到宏小区用户分布在宏小区和微小区边界情况下第1 1 1 种形式 的干扰所造成的影响。本文中，我们定义干扰因子，这是一个对于用户数日和所需接收功 率归一化的干扰，本文将利用几何近似法分别计算四种类别的干扰因子，计算结果也同样 表明，由于宏小区用户分布在宏小区微小区边界处造成了较大的宏小区对微小区干扰。 1 2 本文内容分布 本文内容分布情况如下，在第二章中，我们介绍了一些基本的天线参数和无线资源管 堕塞墅皇兰堕堡主望塞生兰垡堡茎兰二兰塑堡 理参数，并且分析了这些参数的变化对系统容量的影响，给出了在实际工作中如何对这些 参数进行调整。在第三章中，我们提出了一种动态下倾角调整方案，并在仿真结果上，验 证了这种方案的理论有效性。在第四章里，我们建立了c d m a 宏小区微小区模型，并仿 真分析了下倾角和宏小区对微小区干扰比对系统性能的影响。最后，在第五章我们对整个 文章做了总结。 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章天线参效和无线资源管理 第二章天线参数和无线资源管理参数 2 1 天线参数 移动通信系统是有线与无线的综合体，它是移动网络在其覆盖范围内，通过空中接口 ( 无线) 将移动台与基站联系起来，并进而与移动交换机相联系( 有线) 的一个综合的复 合体。而在移动通信系统中，空间无线信号的发射和接收都是依靠移动天线来实现的。因 此，天线对于移动通信网络来说，起着举足轻重的作用，如果天线的选择不好，或者天线 的参数设置不当，都会鸯接影响到整个移动通信网络的运行质量。尤其在基站数量多，站 距小，载频数量多的高话务量地区，天线选择及参数设置是否合适，对移动通信网络的干 扰，覆盖率，接通率及全网服务质量有很大影响。本文涉及的几个天线重要参数如下： 2 1 1 天线的增益 天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要 的参数之。一般来说，增益的提高主要依靠减小垂直方向图的波瓣宽度，而在水平面上 保持全向的辐射性能。天线增益对移动通信系统的运行质量极为重要，因为它决定蜂窝边 缘的信号电平，天线增益越大，发射机需要的功率就越低。增加增益就可以在一确定方向 上增大网络的覆盖范围，或者在确定范围内增大增益余量。任何蜂窝系统都是一个双向过 程，增加天线的增益能同时减少双向系统增益预算余量。 2 1 2 天线的波束宽度 波束宽度是天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于主峰值3d b 处 所成夹角的宽度( 天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的个指标，通常以图 形方式表示为功率强度与坐标角度的关系) 。天线的垂直波瓣宽度般与该天线所对应方 向上的覆盖半径有关。 在w c o m a 中，小区的容量与覆盖是相互影响的，前向链路的容量和覆盖在很大程度 上由相邻小区的干扰决定，而相邻小区的干扰又和天线的参数，例如波束宽度，紧密相关， 波束宽度在小区扇区化中占有很重要的作用，选择合适的波束宽度，可以明显减小由于扇 区化而带来的干扰泄漏，从而提高系统的容量【2 j 。 3 l 中仿真结果表明，对于一个扇区数目 固定的小区，存在一个最佳的水平波柬宽度，使得小区的容量达到最大，而这个虽佳水平 要塞坚皇兰堕堡主婴壅生兰竺笙壅 苎三兰蒌堡叁墼塑重垡塑塑篁型 波束宽度是和正交因子、切换增益和衰减距离因子无关的量。图1 和图2 表示，在不同的 天线方位角情况下，水平波束宽度和前向链路容量的关系： 删 袖 靠 蜊 霍 控 圈1 ( a )图1 ( b ) 图1 ：两种不同的天线方位角布局情况 删 肆 餐 牲 匠 = 甚 图2 ( a )图2 ( b ) 图2 ：3 扇区下两种不同方位角情况下水平波束宽度和前向链路容量的关系 半功率张角【度】 图3 ：6 扇区小区不同天线水平波束宽度和前向链路容量的关系 圈l ( b ) 对应的天线水平方位角是图l ( a ) 旋转3 0 。后形成的。由图2 我们可以看到， 图2 ( a ) 所示的天线最佳波束宽度是6 5 度，而图2 ( b ) 天线的最佳波束宽度是8 0 度。在 5 堕塞堕皇兰坚雯主笪薹皇兰垡笙兰 苎三兰墨垡童墼塑垂丝堑塑笪望 图3 中的6 扇区情况下，最佳水平波束宽度也减小了。 天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。因此，在一定范围 内通过对天线垂直度( 俯仰角) 的调节，可以达到改善小区覆盖质量的目的，这也是我们 在网络优化中经常采用的一种手段。 通常，我们要综合考虑水平波束宽度和垂直波束宽度。水平波束宽度越大在扇区交界 处的覆盖越好，但当提高天线倾角时，也越容易发生波束畸变，形成越区覆盖。水平波束宽 度越窄，在扇区交界处覆盖越差。提高天线下倾角可以在某种程度上改善扇区交界处的覆 盖，而且相对而言，不容易产生对其他小区的越区覆盖。在市中心基站由于站距小，天线 倾角大，应当采用水平波束宽度窄的天线，郊区选用水平波束宽度大的天线。在c d m a 网络规划设计中，主要有四个因素影响天线垂直波瓣角的选择：1 基站的密集程度：2 ，每 个基站的覆盖半径：3 天线的高度；4 覆盖区内的起伏程度、落差大小。垂直波束宽度越 小，偏离主波束方向时信号衰减越快，就越容易通过调整天线倾角准确控制覆盖范围。 2 1 3 天线的下倾角 在实际工程中，天线下倾( d o w n t i l t ) 作为控制小区覆盏范围的重要手段，可以改善 系统的抗干扰性能，一直被认为是降低系统内干扰的最有效方法之，在初期设计和后期 优化中都占有重要的地位。天线下倾主要是改变天线垂直方向图主瓣的指向，使垂直方向 圈的主瓣指向覆盖小区，而垂直方向图的零点或者副瓣对准受其干扰的同频小区。其作用 可阱使小区覆盖范围变小，加强本覆盖区内的信号强度，增加抗同频干扰能力，同时使天 线在干扰方向上的增益下降，降低和其他小区之间的同频干扰，以及相邻小区的邻信道干 扰。选择合适的下倾角可以使天线至本小区边界的射线与天线至受干扰小区边界的射线之 间处于垂直方向图中增益衰减变化最大的部分，从而使受干扰小区的同频干扰减至最小。 现在存在很多种下倾角调节方案，最常见的有机械下倾( m e c h a n i c a lt i l t ) 、固定电下倾 ( f e t ：f i x e de l e c t r i c a lt i l t ) ，可变电下倾( 玎：v a r i a b l ee l e c t r i c a lt i l t ) 和远程电下倾( r e t ： r e l l l o t ee l e c t r i c a lt i l t ) 4 。本文后面将提出一种可变电下倾调节方案，远程电下倾调节技术 是目前比较新颖的一种调节方式，这种技术不需要人员到基站实地操作，而是通过网络管 理系统( n m s ) 远程控制下倾角度的变化，是目前研究的热点之一。通常采用机械下倾和 电下倾两种方法实现天线垂直方向图下倾。 所谓机械下倾天线，即指使用机械调整下倾角度的基站天线。基站天线与地面垂直安 装好以后，可以根据网络优化的要求，调整天线背面支架的位置来改变天线的倾角。在调 6 堕室墅皇兰堕堡主竺塞竺堂堡堡塞 篓三兰蒌些兰墼塑差塑塑塑笪堡 整过程中，天线主瓣方向的覆盖距离明显变化，覆盖范围容易变形。例如对于某类基站天 线，机械天线的最佳下倾角度为l 。5 。，当下倾角度在5 。l o 。变化时，其覆盖范围稍有变 形但变化不大，当下倾角度在1 0 。1 5 。变化时，其覆盖范围变化较大，当机械天线下倾1 5 。 后，覆盖范围改变很大，有可能在相邻基站扇区内也会收到该基站的信号，从而造成严重 的系统内干扰。另外，在日常维护中，如果要调整机械天线下倾角度，整个系统要关机， 不能在调整天线倾角的同时进行监测；机械天线调整天线下倾角度非常麻烦，一般需要维 护人员爬到天线安放处进行调整；机械天线的下倾角度是通过计算机模拟分析软件计算的 理论值，同实际最佳下倾角度有一定的偏差；机械天线调整倾角的步进度数为r 。 所谓电下倾天线，即指使用电子调整下倾角度的基站天线。电子下倾的原理是通过改 变共线阵天线振予的相位，使天线的垂直方向图下倾，使主瓣方向覆盖距离缩短。采用电 调天线能够降低呼损，减小干扰。另外，电调天线允许系统在不停机的情况下对垂直方向 图下倾角进行调整，实时监测调整的效果，调整倾角的步进精度也较高( 为0l 。) ，因此可 以对网络实现精细调整。电调天线的三阶互调指标为1 5 0 d b ，而机械天线为- 1 2 0 r i b ，有利 于消除邻频干扰和杂散干扰。因此电下倾天线是目前利用比较广泛的天线类型。下图是广 东w c d m a 测试场的电下倾和机械下倾的对比测试图【5 】： 图4 ：机械下倾和电下倾对比图 图4 中红色代表机械下倾时的信号强度绿色代表电下倾时的信号强度。由图可知 机械下倾确实使覆盖范围有明显的变形，在w 网会造成相互干扰。 在下面的分析中，我们重点考虑电下倾。 7 堕室塑皇兰堕翌主里堡兰兰堡! 垒l 一 望三兰墨矍至墼塑垂些壅塑篓望 2 1 4 下倾角和负载因子 2 1 41 下倾角对前向链路负载因子的影响 w c d m a 前向链路容量公式如下【6 1 其中，r d l 为前向链路负载因子，j j 为用户j 的相邻小区干扰困子，口，为信道正交化因 子，墨为用户j 的信号比特速率，匕为用户j 的语音激活因予，( 幺) ，为用户j 的前向 解调门限，w 为码片速率。 相邻小区干扰因子定义为： ，= 蓄黑 天线下倾角影响移动用户接收功率p ，从而影响相邻干扰因子i ，最终影响到本小区的 下行容量。 仿真结果表明【4 】，在w c d m a 系统中，采用机械下倾的小区中，在各种基站配置及业 务情况下，均存在一个最佳下倾角，这个最佳值可以由基站天线高度、垂直方向图的波束 宽度和基站间距来定义。随着天线下倾角增大，下行链路容量也增大，但作为下倾角的函 数，覆盖面积却随之减小了。而且，仿真结果数据表明，当用户业务类型相同情况下，系 统的负载对最佳下倾角取值影响并不明显。同时，软切换概率随着下倾角的增大几乎成线 性减小，相反地，由于下倾角的增大，水平小区覆盖范围发生变化，更软切换概率却相应 增大了。 表1 是【4 】中不同基站配置情况下容量增益仿真结果 基站配置 前向链路容量( k b p s 扇区) ( 容量增益) ( 基站间距天低负载高负载 线高度下倾角)无下倾最佳下倾无下倾最佳下倾 2 2 k m 2 5 m 6 。 4 2 0 4 6 0 ( 1 0 ) 8 0 0 8 4 6 ( 6 ) 15 k m 2 5 m 6 。 4 2 1 4 6 9 ( 1 2 ) 7 9 3 8 7 2 ( 9 ) 15 k m 4 0 m 6 。 3 3 6 4 8 1 0 5 ) 7 1 3 8 8 2 ( 1 1 1 b 吩 咝 表1 ：不同基站配置下前向链路容量增益 214 2 下倾角对反向链路容量的影响 w c d m a 反向链路容量公式如下【6 】： = ( 1 + j ) 羔，_ ( 2 ) ( e n o ) ，b 其中，叼赴为上行负载，尺，为用户j 的信号比特速率，p ，为用户j 的语音激活因子， ( 磊o ) ，为用户j 的反向解调门限，w 为码片速率。 从以上公式可知，下倾角对反向链路容量的影响主要是通过相邻小区干扰因子i 实 现的，与下倾角对前向链路容量的影响原理是相同的。 反向链路负载因子是w c d m a 系统中一个非常重要的参数，在许多接纳控制和拥塞控 制算法中都有广泛的应用。 7 q b 的仿真结果表明，在天线下倾角小于9 。时，随着下倾角的增加，反向链路负载因 子成下降趋势，当下倾角取9 。时达到最小值。当天线下倾角继续变大时，系统性能会由于 大量的其他小区干扰而变得恶化，这是由于随着天线下倾角的增大，天线垂直方向图的旁 瓣指向了相邻小区，从这点也可以看出，天线垂直方向图的旁瓣和第一零点也是系统的重 要参数，因为随着下倾角的变化，他们将直接关系到系统的干扰情况，从而影响系统的容 量。当小区中用户数目较大时，随着下倾角的增大，反向链路负载因子的这种下降趋势会 变得更加明显。【2 7 】中的仿真结果也验证了上述变化趋势。 2 1 5 扇区化增益 扇区化对w c d m a 系统的影响可以从下面几个方面体现出来：首先，由于扇区天线波 束宽度变窄了，所以接收到的干扰也变少了，其次，由于扇区天线增益增大，在最大方向 链路总功率一定的情况下，可以容纳更多的用户，天线波束宽度的减小，使得传播能量更 加集中照射目标用户，对其他小区和用户的干扰也相应减小了，这就相应提高了移动用户 的载干比，从而减小了基站的发射功率，反之亦然。 在理想条件下，通过小区扇区化，小区容量和扇区数目成正比增长，但是，由于扇区 9 堕型! 里兰堕堕圭婴塞圭兰堡堡塞 墨三兰墨些茎塑塑丕塑茎塑笪墨 间的重叠区域的增大，导致小区容量的增长并不和扇区数目成比例，扇区重叠范围的增大 会增加软切换的概率，从而减小系统的容量。而且，环境因素也起到很大作用，如果在天 线附近存在障碍物，使得天线的旁瓣电平增加了，而且主瓣也展宽了，这两种因素都影响 了辐射的干扰数量，以及从其他扇区接收信号，所以减小了扇区化增益。在实际规划中， 要根据实际情况合理配置扇区数目，使其影响达到最小。 一个小区中扇区数目的增加，扇区间重叠区域也随之增大，造成了更多的扇区间干扰， 带来的直接后果就是相应的软更软切换比例和软切换开销也增大了，硬阻塞概率也增大 了。在这种情况下，为了减小扇区化带来的影响，应该选取适当的天线波束宽度，来控制 扇区间重叠区域的范围，从而减小扇区间由于过多的重叠覆盖而带来的干扰，把这种影响控 制在可以接受的水平。例如，仿真数据表明【8 】，在一个3 扇区小区中采用水平波束为6 5 度的基站天线和在一个6 扇区小区中采用水平波束宽度为3 3 。的基站天线相比，由于扇区 数目增加导致的软切换开销仅仅增长了5 ，如果保持水平波束宽度为6 5 。不变，那么软切 换开销将增大1 5 。最小的干扰泄漏发生在三扇区小区、天线水平波束宽度为6 5 9 的条件 下。这就说明，w c d m a 规划中，在扇区数目越多的小区中，越要精细地规划软切换区域。 扇区数目越大时，就应该选用水平波束更小的天线。 理论上，利用干扰表示的扇化增益z 表达式是【7 】： y ：垃塑竺竺 ( 3 ) 肛k 。莨丽 其中，g ( 1 9 ) 是方位角为j 的天线增益，j p ( 口) 是方位角为1 9 的天线前面接收到的功率， 妒：2 畈，是用弧度表示的扇区宽度，叱。是扇区数目。 实际计算中，常常利用平均用户数目来计算扇区化增益： 扇区化小区用户数目 r d 、 “ 全向小区用户数目 利用公式( 3 ) 和相关数据【7 】，可以绘出水平波束宽度为3 3 度、6 5 度和9 0 度时扇区 化增益和扇区数目之间的关系图，如图5 所示，随着扇区数目增加。扇区化增益也增大， 但在扇区数目固定时，窄水平波束宽度的扇区天线能带来更高的扇区化增益。 1 0 量堕塑堕茎墅型堕! ：笙窭! 兰垡丝塞 兰三塞墨堡垒垫塑玉垡塞塑笪垄 媚 雾 s 凶 罾 水平波束宽度= 度 e 一水平技柬宽度= 贷度 水平波束宽度= 度 i ，一一。 o = = 喜一。 j ! 二一 -。 扇区数目 图5 ：基于( 3 ) 式的理论扇区数目和扇区化增益的关系 实际仿真计算结果和理论值对比如表2 所示【8 】 u l 增益d l 增益平均值理论值 三扇区，9 0 9 天线 2 5 72 ，5 6 2 5 6 2 5 】 三扇区，6 5 。天线 2 8 73 o o2 9 42 9 0 三扇区，3 3 。天线 28 22 8 52 8 429 0 四扇区，9 0 。天线 3 1 12 9 73 0 42 8 6 四扇区，6 5 。天线 3 5 93 7 l 36 5 3 ，5 9 六扇区，9 0 。天线 4 o o36 43 8 23 2 2 六扇区，6 5 。天线 4 7 046 246 64 ，4 0 六扇区，3 3 。天线 50 25 1 750 95 6 0 表2 ：扇区增益实际值和理论值之比较 表2 中数据表明，高度的扇区化带来了更高的系统容量，但是由于扇区覆盖范围的重 叠，就如环境对区域形状的影响一样使得控制干扰泄漏到临近的扇区变得非常困难，而通 过仔细选择天线的波束宽度，这种影响可以减小，甚至可以获得理想的扇区化增益。通过 同样仔细的选择，软切换区域的增加可以控制在一个可以接受的水平。由于更多的软切换 的连接而导致额外的开销，由此可能导致硬阻塞和系统容量的减小。扇区的定位，也就是 说天线的方向也要经过仔细的选择这是因为扇区使用得越多，扇区之问相互瞄准得就越 1 1 壹型! 皇兰堕堕主堑塑生兰焦堡苎 兰三童蒌堡垒墼塑重些窒望笪堡 多。所有得结果都表明，通过高度的小区扇区化，网络性能可以得到很大提高。 扇区化效率r 的表达式为【9 】： 效率f 鬻：警：贬t + f o 一 其中厶，是全向小区干扰因子，凡。是扇区干扰因子。 如果把扇区化效率表示成天线下倾角的函数，所有基站都使用水平波束宽度为8 6 度 的天线，讨论在2 、3 、4 和6 扇区情况下下倾角和扇区化效率之间的变化关系，相关仿真 结果表明【1 0 】，对于扇区数目大的小区，天线下倾的变化对扇区化效率影响很大，对于扇 区数目小的小区，这种影响则显得不太明显，这是因为，对于随着扇区数目增加，扇区化 增益将随之增大，同时，为了减小扇区间的重叠区域，窄波束宽度的天线将会得到使用， 这些因素都是导致扇区化效率下降的原因。同时，低下倾角对于扇区化效率的影响也不大。 天线下倾角的应用减小了来自其他小区和扇区的干扰，但同时也降低了扇区化效率。如图 6 所示【1 0 】： 罾 褂 较 革 盛 鹰 图6 ：扇化效率和天线下倾角的关系 2 2 实际网络规划优化中天线的调整 2 2 1 天线类型的选择 天线是辐射及接收空间电磁波的重要设备，是发信系统的末级、收信系统的初级设 备。天线类型的选择需要考虑以下因素： 1 2 堕塞墅皇兰堕堡主塑塞生茎堡堡苎 塑三兰墨些兰墼塑垂丝塑塑笪翌 水平波束宽度考虑因素：一般用于c d m a 系统中的水平波束宽度为3 3 。、6 5 。、8 5 。 和9 0 。对于三扇区站点应用，一般规定水平波束宽度为8 5 。( 在3 d b 点) ，以便为郊区和 农村地区提供适当的重叠和覆盖面。在密集的城市、市中心地区，天线的波束宽度选择6 5 。 比较好，因为密集城市和城区的小区半径为1 公里至2 公里。为密集的城市和城区部署6 5 。 水平波束宽度天线，扇区之间的多余重叠部分可以减少，从而减少了软切换，因而减少了 冗余信道占用和系统噪声。两个天线背对背安装的双扇区站点一般沿农村地区的公路部 署。6 5 。天线波束宽度通常用于郊区的公路。使用6 5 。而不是8 5 。水平波束宽度可以增加 1 5 d b 链路预算。对于狭长的高速公路，覆盖是一个主要的问题。如果能够使覆盖沿着狭 长的公路延伸越长，那么在硬件( 即b t s ) 上的花费就越少。因此通常使用3 3 。水平波束 宽度的天线。 垂直波束宽度考虑因素：在实际网络规划优化中，垂直波束宽度的选择应遵循以下原 则【2 4 】：当地势比较平坦时，密集城区、城区、郊区、农村，选用垂直波束宽度为7 度的 天线在增加覆盖半径和减少干扰方面均优于1 4 度左右的天线：当地形比较复杂、落差较 大，基站比较密集，基站覆盖的半径较小时，选用垂直波束宽度为7 度的天线，在减少干 扰方面优于1 4 度左右的天线；当地形比较复杂、落差较大，基站比较稀疏，基站覆盖半 径较大，相互之间的干扰比较小的时候，应选用垂直波束宽度比较大的天线。由于市区基 站一般不要求大的覆盖，在较短的覆盖半径内，由于垂直厦波束宽度较大使信号更均匀， 因此建议选用中等增益的天线。建议市区天线增益视基站疏密程度及城区建筑物结构等选 用1 5 1 8 d b i 增益的天线【2 5 】。增益越高，天线的垂直波束就越窄，天线的几何尺寸也越 长。天线的垂直波束宽度最窄不能小于4 。，因为垂直波束宽度小于4 。的天线很难准确地调 准，需要为天线安装一个稳定的结构。而且垂直波束宽度低于4 。的天线还很容易因有风而 改向和振动。密集的城市，一般城市和市中心地区部署垂直波束宽度在7 。l o 。之间的天 线。郊区和农村地区可使用垂直波束宽度在4 。7 。之间的天线。 前后比考虑因素：前后比( f r o n t t o b a c kr a t i o ) 也需要考虑a 一般使用前后比最小为 2 5 r i b 的天线。 上侧旁瓣考虑因素：几乎所有优化后的网络都要求站点天线有下倾，无论是机械的还 是电气的或二者兼有。无上旁瓣抑制的天线会产生不可预测的干扰导频污染，增加系统 嗓音，不必要地软切换到相邻扇区。因此需要主波束上方2 0 。内的所有旁瓣应低于主波束 至少1 9 d b 。 里堕塑堕塑塑型堕主竺壅! 垦兰垡堡苎 苎三兰墨丝叁墼塑垂堡塑塑塑翌 2 2 2 天线高度的调整 在天线挂高选择方面，由于市区建筑物密集，穿透损耗大，无线传播环境复杂，基站 覆盖距离小，因此天线挂高不宜选择太高。根据经验，市区天线宜选择在3 0 m 左右，当然 天线挂高应视当地的无线传播环境而定。由于c d m a 系统的自干扰特性，任何程度的越 区覆盖都会对本系统造成不同程度的干扰增加，因此天线挂高选择的不合适将直接对 c d m a 系统造成不利的影响。具体在选择天线安装位置时，应尽量在小区的覆盖区形状不 被影响的前提下，让小区天线的背向波瓣被天然建筑物所阻挡。 2 2 3 天线方位角的调整 天线方位角的调整对移动通信的网络质量非常重要。方面，准确的方位角能保证基 站的实际覆盖与所预期的相同，保证整个网络的运行质量：另一方面，依据话务量或网络 存在的具体情况对方位角进行适当的调整，可以更好地优化现有的移动通信网络。 在c d m a 建设及规划中，我们一般严格按照上述的规定对天线的方位角进行安装及 调整，这也是天线安装的重要标准之一，如果方位角设置与之存在偏差，则易导致基站的 实际覆盖与所设计的不相符，导致基站的覆盖范围不合理，从而导致一些意想不到的同频 干扰。但在实际的c d m a 网络中，一方面，由于地形的原因，如大楼、高山、水面等， 往往弓l 起信号的折射或反射，从而导致实际覆盖与理想模型存在较大的出入，造成一些区 域信号较强，一些区域信号较弱，这时我们可根据网络的实际情况，天线的方位角进行适 当的调整，盼保证信号较弱区域的信号强度，达到网络优化的目的；另一方面，由于实际 存在的人口密度不同，导致各天线所对应小区的话务不均衡，这时我们可通过调整天线的 方位角，达到均衡话务量的目的。当然，在一般情况下我们并不赞成对天线的方位角进行 调整，因为这样可能会造成一定程度的系统内干扰。但在某些特殊情况下，如当地紧急会 议或大型公众活动等，导致某些小区话务量特别集中，这时我们可临时对天线的方位角进 行调整，以达到均衡话务，优化网络的目的；另外，针对郊区某些信号盲区或弱区，我们 亦可通过调整天线的方位角达到优化网络的目的，这时我们应辅以场强测试车对周围信号 进行测试，以保证网络的运行质量。 1 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第= 章天线参数和无线资源管理 2 2 4 导频污染的防治 当移动台的激活集中有四个或者更多导频信号( 这些导频与最佳导频的形值之差小 1 0 于6 d b ，且都比t _ a d d 门限大，而且这其中没有一个信号能强到足以成为真正的主导频) ， 在这些区域，其它不在移动台激活集中的强导频信号的突然出现导致移动台在切换过程中 掉话现象的产生，强导频信号成为潜在的干扰源这就是导频污染概念的由来。导频污染 是c d m a 系统特有的问题，由于全网使用一个频段，主要依靠码域不相干区分多小区信号， 减轻相互干扰，但是，无线信号在空中传播时的折射和反射会导致相位变化减弱不相干 性。导频污染是一个需要重点解决的问题，其结果直接影响着网络性能的改善。 理论和实测结果都表明【5 】，同一地点重叠覆盖的小区越多，信号强度越接近，亡越 o o p 差。u m t s 系统决定网络服务质量的核心指标是。形，因此，对于弱覆盖和导频污染造成 40 r 。形较低的地区，覆盖调整也有两种思路：一是增强覆盖，提升e ，在弱覆盖地区通过 1 0 加站、搬站、升高天线、更换高增益天线、使用t r u n kl p a 、使用直放站等手段提升移动 台接收到的信号电平，可以有效的提高t 改善网络服务质量。二是减小干扰，降低。，在 多小区覆盖区域，来自于邻区的干扰是厶的主要成分，通过调整小区覆盖，在导频污染地 p 区去除不必要的污染信号，可以减轻小区之间的干扰，从而提升。形，改善网络服务质量。 要塞堂皇生堕里圭婴鍪生兰竺堡塞 整三量垄查! 塑鱼塑些查塞 第三章动态下倾角调整方案 在网络规划初期，设计者并不会在建网初期就考虑严重负载的情况，所以固定的下倾 角天线成为设计者一个有效的选择，然而，随着用户数目的不断增长，容量问题就越来越 成为系统性能的瓶颈之，由于小区中业务分布是动态变化的，在某些地区，固定的下倾 角天线可能会导致系统性能的恶化 2 7 1 ，既然通过天线下倾可以改善系统的容量，那么对 于多个微小区或者多扇区的情况下，我们则可以采用一种动态天线下倾方案，即通过判断 几个小区( 扇区，下同) 的业务负载状况，来动态下调其中业务负载最重的一个小区天线 的下倾角，升高相邻业务负载较轻的小区天线下倾角，从而减小严重负载小区的覆盖范围， 增加相邻负载轻微小区的覆盖半径，把负载最严重的小区一部分用户，转移到负载较轻的 小区中去，达到负载平衡的作用，以下，提出一种简易的动态天线下倾算法。 3 1 系统模型 我们建立如下参考模型，三个相邻微小区，每个小区具有三个扇区，每个小区的半径 为r ，扇区天线高度为o 0 1 r 。在这里，我们假设1 号扇区为负载较重的扇区，2 号和3 号 扇区为负载相对较轻的扇区，如图7 所示： 图7 ：相邻微小区模型 相关计算表明【见附录2 1 ，6 9 号扇区对于l 号扇区的干扰很小可以忽略不计，只考 虑2 号和3 号扇区对1 号扇区的干扰对于2 号扇区，同理也忽略4 7 号扇区的干扰。 1 6 量堕苎堕塑塑塑生望蔓墅竺兰堂壅 一 苎三兰垫查! 堡堡塑些查墨 所以。在本文中，只考虑1 3 号扇区间的相互干扰。 3 ，2 固定的下倾角 在本文前面的模型以及先前很多文献中。天线下倾角一般都是固定的，只有在影响到 网络性能时，网络运营商才会根据实际业务状况对其进行调整。在计算动态下倾角方案前， 我们先给出下倾角固定情况下系统的容量数据 1 1 1 ，如表3 所示： 一般小区负载( 2热点小区负载热点小区呼叫阻 下倾角范围( 呼叫 t 1 _ 、 l q _ _ _ t 1 。 # 和3 # 小区)( 1 # 小区)塞概率( 无下倾)阻塞概率小于l ) 0 i 0 11 40 0 0 4o 9 5 02 o 2 1 90 1 2 36 9 5 o3 o 31 1 30 0 0 5 o 9 。5 0 3 0 7 12 0 0 0 50 8 0 3 0 71 30 1 5 02 5 7 03 o 71 7o 1 1 2 5 5 03 0 718o 1 5 15 5 0 7 0 7 1 l00 0 60 7 0 7 0712 00 1 4 2 7 o o 7 0 71 50 0 8 54 5 5 07 o71 6 o1 1 745 5 表3 ：固定下倾角业务负载情况( 容量单位：f u l ll o a d ，倾角单位：度) 注：f u l ll o a d 定义见后面 3 3 算法原理 首先建立无线传播模型，如下式所示 2 8 1 ： p l 。1 0 ，一口 ( 6 ) 其中善表示正态衰落的随机变量，均值为0 ，方差为盯，典型值一般为8 d b ，芦是描 述与传播路径长度有关的衰减指数。大量的实验测量结果表明 1 7 1 ，市区和郊区宏小区环 境中路径损耗指数p 一般在3 4 之间变化，通常接近4 。在市区微小区中，指数范围从4 塑塞塑皇兰堕堡圭堑塞生兰垡堡塞 苎三里垫查! 堡垒塑鳖查壅 左右到9 以上。 假设在理想功率控制情况下，信号到达基站的强度是和移动台位置无关。基于传播模 型，一个移动台接受到的导频信号功率为： p 舯= 只o qo o , p l ( 7 ) g 6 是基站天线增益，g i 是移动台天线增益，只是导频信号功率，凡是路径损耗， 基站天线增益是和天线下倾角相关的量，所以影响接收的导频信号强度的因素只有传播模 型和基站天线下倾角。 信号干扰比( s i r ) 是衡量一个呼叫服务质量的主要参数，当业务负载上升时，s i r 值 就会下降，所以s i r 值也是一个能够反映业务负载变化情况的参数，因此我们选择s i r 作 为动态下倾角方案中衡量小区( 扇区) 负载变化情况的参数。对于图7 所示的模型，三个 扇区中的移动用户s i r 关系可以由下式表示【1 1 】： ( ) ，。瓦i 砭s ( 8 ) 其中，s 是基于理想功率控制情况下扇区天线接收到的信号强度，所以在同一个扇区 内，这个值对于每一个移动台都是相同的；f 是扇区i 中用户的数目；是移动台k 到扇 区i 基站的距离；瓯是扇区i 的基站天线对移动台k 的天线增益，用样，是扇区j 的基 站天线对移动台k 的天线增益；v 是语音激活因子；缸是对于移动台k 到扇区i 的基站天 线，表示阴影效应的正态随机变量。 显然，公式( 8 ) 分母中第一部分代表本扇区内的干扰，第二部分代表来自其他扇区 的干扰。 通常，当一个移动台尝试接入一个小区( 扇区) 基站时，基站就会检测s i r 值，如果 检测值高于s i r , 门限值，就接受这个呼叫请求，反之则拒绝这个呼叫请求。在这里，我们 也引用这种呼叫接入原t 至 1 2 1 1 2 6 1 ，即： r = k 一嗣 ( 9 ) 当有呼叫请求时，就检测r 值，如果r 大于o ，那么就接受接入请求，否则，则拒绝这 堕要墅垦羔竖望兰登塾生兰壁堡苎 差三童塑查! 堡堡塑壁查室 个接入请求。呼叫阻塞概率定义如下，通过动态控制下倾角，我 f 】希望其值小于1 ： 乞，。= e r 0 占( 余量值) ，那么移动交换局就执行步骤3 ，否则就不执行任何动作。其中占是影响天 线下倾角调整的系统参数。 3 移动交换局指令具有s 豫m m 傻的小区基站天线天线以步长为口下倾，而具有s i r 。 的小区基站天线以同样的调整步长上扬，基站天线下倾角度活动范围在o 。9 5 。之间。 利用本章节附录中给出的仿真参数和蒙特卡罗仿真方法 1 3 】，我们可以做下面的分析： 首先，我们考虑三个扇区以同样的角度下倾且业务负载都为最大时的情况。如图8 所 示，对于三个参考扇区基站天线在5 。时呼叫阻塞概率满足在1 ，对应的业务负载为 3 8 7 e b ，我们把这个容量定义为扇区的满负载容量单位( f l ：f u l ll o a d ) 。选择5 。对应的 业务负载作为满负载容量的原因，是因为对于业务负载较重的小区，天线下倾角的范围可 以在5 。到95 之间变化，而对于业务负载较轻的小区或者正常小区基站天线上扬角度范围 可以在0 4 要陟5 之间变化，而5 芷好位于角度范围调整的中点位置。 1 9 量堕堂堕兰堕至主型堂垡笙壅 篷三量垫查! 塑苎塑墨塑壅 卜、! ? 、 卜4 2 e r l 扇区 毋3 87 e r l 扇区 、 一 3 8 e r t l 扇区 k 、 、1 、砖、 一 p 岛纛 、 、_ 一。t 、净、! 、弋 一? 一二 一1 一譬 o12345 67 891 0 下倾角【度l 图8 ：不同容量下的阻塞概率 3 4 仿真及结果分析 仿真时考虑两种情况： 1 1 # 扇区业务负载在1 o 19 f l 之阀变化，2 # 和3 # 扇区负载相同，且都为o 7 f l = 2 1 # 扇区负载情况在10 19 f l 之间变化，2 # 和3 # 扇区负载不同，其中2 #