特型天线在LTE多层组网中的应用
特型天线在4GLTE多层组网中的应用
上海邮电设计咨询研究院有限公司钱小康
摘要：首先提出4G LTE多层组网特点及对特型天线的需求，其次分两方面介绍了目前主要的特型天线的性能和运用方法。并通过居民区场景和大型校区场景两个案例，介绍了特型天线在4G LTE多层网络中的规模应用。最后对特型天线的应用局限性和前景进行了总结和展望。
关键词：LTE，特型天线，多层组网
1.引言
4G LTE网络目前正处于规模规划、建设阶段，LTE支持百兆的高速数据业务确实给运营商带来了新的业务增长机遇，但与此同时也给规划、建设带来了一系列的挑战。从目前LTE网络部署频率来看，按国家对无线通信频段资源的相关规划，4G LTE网络FDD、TDD 两种制式都部署在2GHz左右及以上的较高频点，该频点的无线信号绕射能力较差，尤其在密集市区需要进行大规模基站部署。在目前基站建设资源有限、大众对无线辐射敏感的大环境下，势必对基站的天线形式提出了更高的要求。从LTE系统特性来看，新系统引入OFDMA 多址技术和MIMO等关键技术[1]，对天线性能的要求也从单纯的分集接收提高了对多入多出的支持。从LTE提供的服务来看，4G网络初期主要满足手机及上网卡的高速数据业务需求，既要满足对广域移动对象的覆盖，又要对局部数据热点进行有效的业务吸收。此外，建网初期，4G网络与2G、3G网络是一种并存的局面，怎样利用好现有的2G、3G资源，促进多网协同发展也是一项艰巨的挑战。最后，如本文开头所提，4G LTE网络部署在较高频段，无线传播能力有限，在无线环境复杂的市区、密集市区，单靠一层网络难以满足覆盖需求，需要构建一个多层次网络。当然，随着无线技术的不断发展，应对以上种种挑战的方法也有很多种选择。本文希望从4GLTE网络关键的网元基站的天线切入，谈谈如何在LTE 多层组网建设中通过对一些特型天线的应用来应对上述诸多挑战。从而为后期大规模规划、部署4G LTE网络提供参考。
2.LTE多层组网特点
根据国家对LTE频段的规划，4G LTE 网络频率部署在1.8G、2.1G、2.6GHz的高频段，根据无线传播特性，无线信号频率越高，无线绕射能力越差，即克服阴影衰落的性能越低。
而基站的覆盖范围主要由阴影衰落损耗决定。如图2-1所示，2.6G频段要比700MHz频段增加近12dB左右的差异，而3dB辐射能力就要差一倍。在链路损耗要求没有比2G、3G 有大幅提高的前提下，4GLTE如果部署在高频段，基站部署就要求相当密集。在密集市区，基站距离要求可能小于200m。再如引言中描述，目前4GLTE提供客户的主要业务是数据业务，数据业务的特点是室内固定应用较多，所以4G网络对室内深度覆盖也提出了更高的要求。针对一些大型的热点小区，需要进行专项覆盖。所以，LTE网络必定是一张立体的网络、一张多层的网络。即传统意义上的宏站（站高25～45米）主要提供广域的城市主要道路、铁路、水域、室外公共区域等场景覆盖，10～25米的基站作为第二层，主要解决城市次要道路、小区道路、工商业区、居民区、学校等室内场景的覆盖需求，10米以下的基站，作为第三层，主要对覆盖盲区、数据热点区域进行补盲、分流。
图2-1不同频率无线信号路径损耗差异
从上述多层网络的布局要求可见4G LTE的基站建设需求是十分多样的，也更贴近覆盖目标。这就对基站天线提出了一系列的要求：首先需要满足LTE多入、多出的特性要求；其次需要满足形式多样的基站建设方式，有抱杆、塔类、立杆以及其它多样的架设形式；再次，由于基站密集而且又贴近居民，需要对天线有一定的美观要求；最后LTE 是在2G、3G网络上叠加的一个新的网络，在天面资源紧张的基站天线还需要支持多种频段，满足不同运营商、不同网络的接入。所以传统的天线已经越来越不能满足上述要求，需要引入特型天线。
3.特型天线种类及其应用介绍
目前，可以为4G LTE所用的特型天线种类也比较多样，大致可分为两种大类。其一为满足系统性能需求的特型天线，包括满足各种频率接入的宽频天线主要用于2G、3G、4G
不同系统的同时接入，或不同运营商同时接入的需求。在满足频率的同时，天线还需要对LTE MIMO关键技术进行支持。目前网络建设过程中，至少需要满足2T2R(两发两收)要求、后期随着LTE技术的演进，需要满足2T4R(两发四收)、4T4R（四发四收）乃至8T8R（八发八收）的高阶形式。如图3-1所示，是目前用于CDMA2000网络、FDD-LTE网络、TDD-LTE 网络的几种特型天线，频段跨度从800MHz到2.7GHz。这些特型天线带来的优势已经陈述，但同时不可避免会带来较大的局限性。目前技术条件下，天线对各系统支持只能做到下倾角独立可调，同一天线方位角则需一致。这给LTE初期规划和2G、3G、4G网络的后期优化和协同发展带来了一定的挑战，需要予以关注。
图3-1满足不同系统及收发方式的天线举例
另一种特型天线是从满足特殊的安装要求以及外观美化要求而提出的，这两种需求有时是独立的、有时又是需要同时满足的，所以在本文中归为一类。如上节所述，4GLTE网络往往采用多种建设方式，其中包括10米、15米、20米的立杆站以及5、6左右的立杆站。这些基站站有些是新增的立杆、有些是对原有立杆进行一定的改造，这就对天线提出了非常个性化的安装和外观需求。既要利于安装在立杆上，后期维护也要方便，又要外形美观、小巧。图3-2为两种特型天线，左图采用的集束天线，利用法兰盘安装在美化灯杆上，右图采用只有30cm左右的小型定向天线，通过抱箍，定位在6米监控杆上，从建站后的测试来看，均取得了较好的覆盖效果。
图3-2两种在立杆上应用的特型天线
此外，随着居民环保意识的提升以及对无线辐射缺乏一定的了解，大多对基站抱有敌视情绪，即反对基站在其周边建设，但同时又抱怨甚至投诉无线信号不好。这种现象可称为“垃圾箱效应”。所以从目前工程实践来看，对美化天线的需求量是十分巨大的。图3-3所示的分别是方柱型、小灵通改造型、空调型、排气管型特性天线，此外还有射灯天线、变色龙天线等，都在4GLTE基站建设工程中有大量的应用。它们能满足不同业主的个性化要求，同时也大大降低了建成后被周边居民抗议拆除的巨大风险。但是由于特殊的天线外形要求，这些天线往往不能支持对多系统的支持，带来一定的局限性。
图3-3多种美化型天线
4.特型天线在多层组网中的应用实例
承上文所述，特型天线在多层组网中的应用取决与各种特定需求，一般会对一整块区域进行统一规划，整体输出。这样可以协同不同高度的基站，提升网络的整体效应，降低多层组网带来的干扰因素。下面介绍两个场景的实例。
4.1居民区实例
闵行辖内某大型居民区由于周边建设宏站困难，2G、3G信号本就不好，这给4GLTE 建设提出了更严峻的挑战。经过现场勘察，发现该试点区域内共有14个立杆资源可以利用。为了构建LTE多层网络，规划拟选择其中9个立杆点进行改造升级，其中4个为5米高度，5个为20米高度，均采用了特型天线，如图4-1所示。再加上原有的2个已开通宏站（35米高度），在该区域形成一个整体网络，满足室内、外的通信需求。
表4-1某大型居民区特型天线应用情况
图4-1为上述规划点建设后该区域基于3维地图和射线跟踪模型的[2]覆盖效果（包括建筑物室内），以LTE RSRP≥-115dbm的规划要求（满足下行4Mbps,上行256Kbps业务需求），实施该方案后，该区域95%区域达标，达到了运营商对网络覆盖的要求。
图4-1某居民区覆盖效果（仿真）
4.2 校园区实例
某校区通信业务需求较大。从学校建筑物布局来看，学校内规划有教学楼、行政楼、图书馆、实验室及其它配套设施，建筑物较密集，楼宇外墙对无线穿透影响较大。为了满足学
校内广大教职员工和学生的4G通信业务要求，在该校区规划了11个基站，其中4个备选。结合规划和校方要求，这11个基站中有10个采用了第3节中介绍的特型天线，如表4-2所示：
表4-2 某校区特型天线应用情况
图4-2为上述规划点建设后该区域的覆盖效果（包括建筑物室内），以LTE RSRP≥
-115dbm的规划要求（满足下行4Mbps,上行256Kbps业务需求），实施该方案后，该校区95%区域达标，达到了运营商对网络覆盖的要求。
图4-2某校区覆盖效果（仿真）
5.总结与展望
综上所述，4G LTE 网络多层网络建设需求为特型天线的应用提供了一个巨大的舞台。无论是从满足多系统接入需求、满足4GLTE关键技术，还是从满足多种形式基站安装需求、满足业主美观美化需求出发，特型天线为网络规划者和建设者提供了一个有效的利器，解决了诸多场景的网络覆盖问题。但是随着多层网络建设的深入和LTE技术的向前演进，对特型天线的需求会越来越多样，个性化要求十分突出。首先，目前从前端提出需求到相关厂家开始设计、定型、生产、到货需要经过一个漫长的等待过程，难以满足运营商快速布网需求。其次，某些特型天线个性化特征明显，采购数量不会很多，这样价格因素就会成为一个影响到天线厂家和运营商双方积极性的一个重要因素。最后，如上文提及的目前使用的特型天线暴露出来的局限性，如多系统方向角不能独立可调、天线尺寸与多入多出支持的矛盾等需要天线厂家进行进一步研究研发，智能天线的成熟应用也是今后特型天线的发展方向。相信在运营商、天线厂家、规划设计单位多方合力努力下，特型天线一定会在LTE 多层网络规划、建设中发挥越来越重要的作用。
参考文献
[1] Stefania Sesia, Issam Toufik, and Matthew Baker. LTE, The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice. Wiley Online Library, FEB 2009.
[2]Galvez M. Ray-tracing model for radiation transport in three-dimensional LTE systems[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2005, 38(17): 3011.