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网络优化中天线参数优化 姚中兴教授西安海天天线科技股份有限公司 目录 一 无线网络系统的组成二 无线覆盖与小区划分三 实现无缝隙覆盖四 无线覆盖与网络营运性能的关系 一 无线网络系统的组成 从结构上 整个网络分成三个子系统 1 网络交换子系统 它是网络的核心 它的主要功能是实现网内交换和已经存在的有线系统和其他无线系统之间的交换及部分运营管理功能 2 基站子系统 它由基站及基站控制器组成 它的主要功能是为大量的基站提供控制和管理 如无线信道分配 建立和拆除无线链路 实现信道切换等 3 无线覆盖及手机子系统 它由基站的天馈线系统及手机组成 它的主要功能是实现用户与网络之间的无线信息交换 从网络性能上也分为三部分 1 无线覆盖 它决定了网络服务的范围 承担着用户与网络之间的无线业务交换的重任 无线覆盖的好坏直接影响着用户的使用效果 是吸引用户的关键因素之一 这部分主要由基站的天馈系统来实现 2 网络的容量 它决定的网络服务的用户数量及所能承担的业务量 主要由基站中的频点的设置和规划来决定的 3 无线控制参数的正确设置与调整 它决定着网络的正确运行及运行的质量 这三部分的性能决定了整个网络的运行及质量 网络优化就是这三部分的优化 这三部分优化的相互关系可以用下面金字塔来表示 由于天馈系统工作环境复杂 面临覆盖地面的条件多种多样 工作量大 运营商及厂家对这部分的缺少经验及手段 因此长期以来 天馈系统的优化被忽略了 造成网络优化中基础与高层脱节 没有真正达到网络优化的目的 天馈优化从无线覆盖入手可以解决由于无线覆盖不好而带来的网络中存在的干扰问题 切换问题 越区覆盖问题 广覆盖问题 边缘覆盖问题 以及特殊地形的专项覆盖问题 使网络资源充分合理的利用起来 2002 2003年海天公司协助中国移动和中国联通对部分省市公司在线基站的天馈子系统进行全面的天馈优化及巡检工作发现由天馈系统中存在的各种问题 使无线覆盖不好 影响网络中的呼损率高 通话保持率低 切换成功率低等指标的原因的80 以上 通过对无线覆盖优化工作为后面网络的优化打下坚实的基础 二 无线覆盖与小区划分 由VHF UHF的电波传播特性可知 一个基站仅能在有效的电波覆盖区内为用户服务 这样的覆盖区称为无线小区 基站区 服务区 业务区 是指移动通信网所能提供的正常业务的范围 业务区通常由若干个无线小区组成 无线小区的划分和服务区的组成应按用户区域分布覆盖区形状及业务要求 并根据地形电波传播特点 话务分布 经济指标等方面 综合考虑确定采用什么样区域划分及组成 无线覆盖 是指在一个事先划定的区域内使业务信号有足够的功率 在目的接收终端达到需要的信干比 无线覆盖区域的性能好坏取决于覆盖区域的合理划分 基站天线的合理选型及架设 1 无线小区的划分 业务区与无线小区的结构 1 带状网 主要应用于覆盖公路 铁路 跨海桥梁 海岸等 2 蜂窝网 在平面区域内划分小区通常采用蜂窝状结构 小区的形状可分为正三角形 正四边形 正六边形 3R2 2R 3R 2R2 2 6R2 可看出 正六边形相邻区域中间间距最大 覆盖面积最大 在业务区域面积一定的情况下 正六边形小区的形状最接近理想的形状 因为它所需的基站数最少 最经济 由于它与蜂窝相同 故称蜂窝网 蜂窝小区根据它的面积大小可分为 微微蜂窝 微蜂窝 宏蜂窝 宏蜂窝小区 小区覆盖半径大约为1 25公里基站功率大于10瓦基站天线架高大于45米主要用于低话务量 郊区适合于高速移动业务容易产生的问题 盲区热点 微蜂窝小区 小区覆盖半径90到1000米基站天线架高小于25米主要用于市区高话务区适合于低速移动业务 微微蜂窝小区 小区覆盖半径小于100米基站天线架高小于15米主要用于高话务区适于市内分布系统 对于蜂窝小区的激励通常为中心激励与顶点激励 在每个小区中基站可设在小区的中央 用全向天线形成圆形覆盖 这就是中心激励 也可将基站设计在每个小区六边形的三个顶点上 每个基站采用三付相同120度上行定向天线实现覆盖 这就是顶点激励 区群的组成 相邻小区不能用相同的信道 相同信道的小区之间应有足够的距离进行隔离 避免出现同频干扰 这些不同信道的小区组成一个区群 只有不同区群的小区才能进行信道再用 区群的组成应满足 1 区群之间可以邻接且无空隙 无重叠的进行覆盖 2 邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间距离相等 满足上述条件的区群内的小区数不是任意的 可以证明 区群内的小区数应满足N i2 in j2 式中ij均为正整数 j N i 小区分裂 在整个服务区中 每个区的大小可以是相同的 这适用于用户密度均匀分布的情况 对于用户密度不均匀的情况 在高密度区可使小区面积小一些 在低密度区小区面积大一些 对于已规划好的蜂窝网随着城市建设的发展 原来低密度用户区可能变成高密度用户区 这需要扩充小区容量 其中一个重要方法是使小区面积变小 增加新的基站 这就叫小区分裂 三 实现无缝隙覆盖 1 一般城市市区的蜂窝网的小范围覆盖 2 城市郊区 县城 乡镇 风景点 公路 铁路等低话务量地区广度覆盖 3 城市室内 商场 地铁 地下停车场等深度覆盖 对于不同业务区采用不同的覆盖要求 1 公路 铁路 基站应用环境具有话务量低 用户高速移动的特点 必须重点解决覆盖问题 一般可采用带状覆盖 采用双向小区在穿过乡镇 县城时可采用三扇区体制或全向体制 在覆盖中天线的选择很重要 天线的方向图应和覆盖地区相匹配 2 途径郊区 村镇的道路覆盖此时对话务量及覆盖均具一定的需求 可采用01 02 S111 O S型基站 天线的选择主要考虑覆盖距离 选择不带内置电下倾天线 如基站附近有覆盖要求时 应考虑避免塔下黑 可采用内置电下倾天线或赋形天线 3 郊区覆盖若接近城区 基站数量不少 频率复用较为紧密 此时应注意控制覆盖及干扰 若接近农村 则覆盖为主 建议不采用全向站 要采用定向站 可采用65度 90度的定向天线 天线下倾角由垂直波束与主要覆盖区的距离 天线挂高来决定 天线挂高由覆盖区大小及下倾角共同决定 4 覆盖区内功率强度预测 由于覆盖区内地理特征 自然特征差别较大 这些严重影响了覆盖效果 在网络设计阶段 必须对一些典型结构做一些预测 1 信号强度的表示方法 接收机有一定的灵敏度范围 也就是最小接收信号的强度 接收信号的强度必须高于此灵敏度 接收机才能正常工作 发射机的发射功率一般是固定的 但信号在传播过程中产生衰耗 大大影响了信号的接收 我们关心的是在给定发射机的发射功率和接收机的位置后 计算接收机接收信号强度有以下计算公式 接收机接收信号强度 发射机的发射功率 信号在传播中的衰耗工程上通常用分贝的形式来表示及计算10lgpr 10lgpt 10lgL衡量信号强度有两种物理量 电平和功率 接收信号强度一般用电平测量 dBuv是衡量电平的单位 计算公式为 dBuv 20lg电平值 uv 16dbuv对应于6 4uv 发射信号强度一般用功率测量 dBm是衡量功率的单位 dBm 10lg功率值 mw 46dBm对应于40WdBm与dBuv之间有如下换算公式 在阻抗为50 的情况下 dBm dBuv 107因此16dBuv相当于 91dBm 有效幅射功率 有效接收功率 路损定义为或L dB PTdB GTdB GRdB PRdB LTdB LRdB例 基站发射功率为10w 馈线损耗10dBi GT 15dBi GR 2 15dBiPR 104dBmLT 10dBLR 2dB求最大可接受路损 解 所有量必须为同一单位PT 10w 40dBmGT 15dBiLT 10dBLR 2dBGR 2 15dBiPR 104dBm则L PT GT GR PR LT LR 149 15dB 3 宏蜂窝的理论型覆盖预测公式 A 自由空间传播 单射线型 Lf 10lgPR PT 20log 4 d GT GR 32 44 GT GR 20logF MHz 20logd Km 例 室内分布系统中计算吸顶天线输出功率与距离为R处的室内覆盖的场强关系 设 PR 72dBmR 18m 0 018kmGT 3dBiGR 1 5dBi天线装在天花板 石膏板 上 损耗5dB 求天线口的功率PT解 PT PR 32 44 GT GR 20logF 20logd 72dBm 32 44 3 1 5 20log900 20log0 018 20dBm考虑到石膏板的损耗 天线口的实际功率共为PT 20dBm 5dB 15dBm 例2 在单射线模条件下 路损变化对覆盖距离的关系 可算出 例3 等高架设的天线之间隔离度计算 由于有直接波相互作用 故Lh 20log 4 d GT GR 22 20log d GT GR若有两根全向天线GT GR 11dBi d 10 计算之间的隔离度LH 20dB 对800MHZ 0 375d 3 75米对900MHZ 0 333d 3 33米 B 平面反射传播 双射线型 Lf 10lgPR PT 20logHT m 20logHR m GT GR 40logd m 上式中 没有频率出现时认为 hthr d反射面为理想导体 例3 基站天线的高度对接收信号的影响 为讨论方便 我们令GT GR 1Lf 10logPR PT 20logHT 20logHR 40logd m 或 写成 PR PT HTHM d2 2若PT不变 原来接收PR 110dBm HT 30m现在改变PR 100dBm 求HT 应为多少 解 PR 10logPR 10logPR 20logHT 20logHT10 20logHT HTHT HT101 2 3 16HT 94 8m PT HTHM d2 2 PR PT HT HM d2 2 HT 2 HT2 说明 1 在上述公式中 增加基站天线的有效高度可以改善覆盖电平 我们称为基站天线高度增益因子 从上例可看出 当基站天线有效高度增加近3倍时 覆盖改善10dB 2 由上式可以看出 HT 2HT时 PR dB PR dB 6dB 3 对HR的作用不服从此规律 例 在双射线模中路损变化与覆盖距离的关系 显然 比单射线模情况要小的多 例4 共线架设 无直接波作用LV 28 40logd 若要求LV 45dB计算d 代入d 2 7d 2 7 对800MHZ 0 375米d 0 9977米对900MHZ 0 333米d 0 899米 例5 斜架设Lf LV Lh 90 Lh若DH 2米DV 1米 50oGT GR 11dBi计算隔离度 代入Lh 20dBLV 45dBLf 34dB C 多射线模Lf Lo L diff L mult 式中 LO自由空间单射线损耗L diff 屋顶绕射损耗L mult 环绕基站天线周围建筑物多次反射的损耗 经验公式 okumura HaTa模型Lf 69 55 26 16logF MHz 13 82loghT m hr 44 9 6 55loghT m logd Km 对大城市 hr 3 21 log 11 75hr m 2 4 97对小城市 hr 1 1logF MHz 0 7 hr 1 56logF MHz 0 8上式适用于 1 d 20 Km 30 hT 200 m 150 F 1500 MHz 1 hm 10 m 对于F 900MHz hT 30m hR 1 5m 中等城市 0 上式Lf 126 42 35 22logd Km 与自由空间传播模比较 Lf 91 52 20logd Km 与平面反射型 Lf 86 94 40logd Km 可看出 经验公式比理论公式的路损高 Okumura将环境分为三类 开阔地 郊区 城市分别由不同的相关因子来补偿 开阔地 L0 Lf K0K0 4 78 logF MHz 2 18 33logF MHz 40 94郊区 L0 Lf KsKs 2 logF MHz 28 2 5 4对900MHz K0 28 5dBKs 10dB对1800MHz K0 32dBKs 12dB 例 Okumura HaTa经验公式中可以看出基站天线有效高度增益因子为13 82logHT m 显然小于双射线模 路损变化与覆盖距离的关系较前面两种模式复杂 它与基站的有效高度有关 以HT 30米为例可得如下结果 L PT GT GR PR LT LR 149 15dB例 在上例中 若工作在自由空间且f 900MHz hT 30米 hm 1 5米求此路损的最大覆盖距离1 按单射线模公式 Lf dB 32 4 20logf MHz 20logR km logR 1 20 Lf 32 4 20logf 2 84R 102 84 693km 2 按双射线模公式LPEL 40logR 20loghm 20loghTlogR LPEL 20loghm 20loghT 40 4 53R 104 53 米 35 8km3 按Hata公式中开阔地L0 Lf K0Lf 69 55 26 16logF MHz 13 82loghT m hm 44 9 6 55loghT m logR km 对900MHZK0 28 5dB hm 0 代入Lf 126 5 35 22logR km L0 Lf K0 126 5 35 22logR 28 5db 97 92 35 22logR km logR km 149 5 97 92 35 22R 28km按HaTa公式算出R 4 4Km D 微蜂窝的理论预测公式 双斜率模公式 L L1 10n1lgd1db 式中l1为1米参考距离的路径损耗db 4hbhm 在1800MHz到1900MHz内市区微蜂窝测量表明n1值在2到2 3之间 n2值在3 3到13 3之间 例