高铁场景下高增益天线应用分析.docVIP

高铁场景下高增益天线的应用分析 摘要：由于用户行为的关系，高铁场景下的4G覆盖显得尤为重要，然而由于多普勒频移现象严重、穿透损耗大、切换带设置困难等因素，使得高铁覆盖成为4G建设、优化工作的难点。本文选取六安合武高铁8个站点进行高增益天线替换，在理论分析的基础上对测试结果进行评估，最后给出高增益天线的一般适用场景，对日后高速、高铁的优化工作具有一定借鉴意义。 关键字； 【故障现象】： 在合武高铁测试过程中发现，六安8个站点覆盖不理想，功率已达最大，射频参数无优化空间，拟通过替换高增益天线改善覆盖，减少建设投资。各站点路测情况如下图所示： 图1 天线替换前各站点路测情况 如上图所示，红圈位置存在明显弱覆盖区域，需加强覆盖，提升用户感知。 【原因分析】： 高增益天线简介 高增益天线又叫窄波瓣天线，它的特点是水平波瓣宽度小，增益高，覆盖面积集中且容易控制。普通定向天线水平波瓣角大，覆盖面积广，增益较低。两类天线参数对比如下： 图2 两类天线参数对比 由上图可以看出，高增益天线水平波瓣角为32度，增益比65度定向天线高3db，垂直半功率角为6度，比普通定向天线少1度。 确定高增益天线射频工参 合武高铁8个沿线站点信息如下表所示： 图3高铁沿线站点信息 确定方位角 结合前期省公司高铁规划的经验，这里将切换带设置为200米，如下所示： 图4 高铁切换带示意图 方位角确定的准则：将水平波瓣的外旁瓣对准边缘覆盖位置。如下图所示： 图5 方位角确定准则 确定下倾角 下倾角确定的准则：将垂直波瓣的上旁瓣对准边缘覆盖位置，综合考虑海拔相对高度以及天线挂高，确定天线下倾角，如下图所示： 图6 下倾角确定准则 如上图所示，下倾角 其中H为天线相对挂高，D为基站到切换边缘点的水平距离，B为垂直波瓣宽度。 按照上述规则，各站点射频工参设置如下： 图7 各站点射频工参对照表 链路预算确定边缘场强 自由空间损耗 采用Cost231-Hata模型进行链路预算，公式如下： 图8 链路预算模型 其中，终端高度统一设置为1.5米，天线高度为两者海拔差值加上天线挂高，高铁CM设置为-15db，中心频率为1867.5MHz，简化后的公式如下： 按照上述公式，各站点自由空间损耗计算如下： 图9 各站点自由空间损耗 如果只考虑自由空间损耗，3dB的增益提升可以使得覆盖范围增大多少？这里假设更换天线前后的覆盖范围分别为d和d1，计算公式如下： 如果天线相对挂高为40米，则，即更换高增益天线后，覆盖范围是更换前的1.22倍。 高铁穿透损耗 高铁列车材质一般为不锈钢或者铝合金，密闭性较高，不同列车的车型及材质相异，导致穿透损耗相差较大，一般为10-30dB。 穿透损耗、频偏均与掠射角θ相关，如下图所示： 图10 高铁掠射角示意图 掠射角越大，多普勒频移和穿透损耗越小；掠射角越小，多普勒频移和穿透损耗越大，下图给出了掠射角和穿透损耗的变化趋势图： 图11 掠射角与穿透损耗变化趋势 由上图可以看出，高速列车穿透损耗随着掠射角的减小而增大，并且这种趋势并不平缓，掠射角越小穿透损耗越是急剧增长。由于穿透损耗对无线覆盖能力影响很大，所以在进行无线网络规划时，需要特别注意掠射角对高速列车穿透损耗的影响。 结合各站点位置信息，边缘位置的掠射角和穿透损耗计算如下： 图12 各站点掠射角和穿透损耗 边缘场强计算 功率分别以40W、60W、80W为例，PAPB设置为(-3,1)，下表给出了高增益天线的边缘场强，65度波瓣宽度天线在此基础上减3db： 图13 各站点边缘场强 高增益天线适用场景分析 高增益天线覆盖效果分析 由于水平波瓣宽度减少，因此当外旁瓣位置对准同一个边缘覆盖点时，相对于65度天线，高增益天线的铁轨覆盖距离会有所减少，尤其是基站正下方的位置，如下图所示： 图14 两种天线的覆盖距离对比 当然，由于32度波瓣天线增益要高，因此铁轨中间位置处的覆盖会有所改善，但基站下方形成了一段空洞区域，覆盖变弱。 高增益天线规划分析 以上分析得出的结论，是在站间距和站轨距已知的条件下，那么究竟什么样的站间距和站轨距适合使用高增益天线呢？ 首先来看站轨距，如下图所示： 图15 站轨距对高增益天线的影响 由上图可以看出，当边缘覆盖点相同时（即站间距相同），距离铁轨越近，铁路覆盖范围越大，站下空洞区域越小。 如果站间距过大，情况又会如何呢？如下图所示： 图16 站间距对高增益天线的影响 由上图可以看出，当站轨距相同时，站间距越大，边缘覆盖点距离基站越远，站下空洞区域越大。 综合以上各点考虑，高增益天线波瓣宽度小，能量较为集中，适用于站轨距较小或者站间距较小的站点。但由于高铁穿透损耗和信号掠射角负相关，较小的站轨距会导致较小的掠射角，继而会增大信号的穿透损耗，与天线带来的增益相互抵消，甚至不够抵消而导致恶