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淺談移動通信系統(tǒng)的天線

發(fā)布時間:2008-11-01 來源:江蘇移動通信有限責任公司南通分公司

中心議題:

  • 介紹有關(guān)天線的基本知識
  • 淺談天線在日常維護及網(wǎng)絡優(yōu)化中的作用

解決方案:

  • 在日常維護中,用的較多的是駐波比和回波損耗
  • 在移動通信系統(tǒng)中,均采用垂直極化的傳播方式
  • 通過對天線垂直度的調(diào)節(jié),改善小區(qū)覆蓋質(zhì)量
  • 在高話務密度區(qū)采用電調(diào)天線或雙極化天線替換機械天線
  • 天線的安裝應注意4個問題,并注意天線府仰角和方位角的調(diào)整

 

移動通信系統(tǒng)是有線與無線的綜合體,它是移動網(wǎng)絡在其覆蓋范圍內(nèi),通過空中接口(無線)將移動臺與基站聯(lián)系起來,并進而與移動交換機相聯(lián)系(有線)的一個綜合的復合體。而在移動通信系統(tǒng)中,空間無線信號的發(fā)射和接收都是依靠移動天線來實現(xiàn)的。因此,天線對于移動通信網(wǎng)絡來說,起著舉足輕重的作用,如果天線的選擇不好,或者天線的參數(shù)設置不當,都會直接影響到整個移動通信網(wǎng)絡的運行質(zhì)量。尤其在基站數(shù)量多,站距小,載頻數(shù)量多的高話務量地區(qū),天線選擇及參數(shù)設置是否合適,對移動通信網(wǎng)絡的干擾,覆蓋率,接通率及全網(wǎng)服務質(zhì)量有很大影響。本文將向讀者介紹一些有關(guān)天線的基本知識,并聯(lián)系本人實際,談談天線在日常維護及網(wǎng)絡優(yōu)化中的作用。


天線的幾個重要參數(shù)介紹
天線的輸入阻抗
天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接,最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗,這時饋線終端沒有功率反射,饋線上沒有駐波,天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量,使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個參數(shù)來衡量,即反射系數(shù),行波系數(shù),駐波比和回波損耗,四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關(guān)系,使用那一個純出于習慣。在我們?nèi)粘>S護中,用的較多的是駐波比和回波損耗。

駐波比:它是行波系數(shù)的倒數(shù),其值在1到無窮大之間。駐波比為1,表示完全匹配;駐波比為無窮大表示全反射,完全失配。在移動通信系統(tǒng)中,一般要求駐波比小于1.5?;夭〒p耗:它是反射系數(shù)絕對值的倒數(shù),以分貝值表示。回波損耗的值在0dB的到無窮大之間,回波損耗越大表示匹配越差,回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射,無窮大表示完全匹配。在移動通信系統(tǒng)中,一般要求回波損耗大于14dB。


天線的極化方式
所謂天線的極化,就是指天線輻射時形成的電場強度方向。當電場強度方向垂直于地面時,此電波就稱為垂直極化波;當電場強度方向平行于地面時,此電波就稱為水平極化波。由于電波的特性,決定了水平極化傳播的信號在貼近地面時會在大地表面產(chǎn)生極化電流,極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場信號迅速衰減,而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流,從而避免了能量的大幅衰減,保證了信號的有效傳播。因此,在移動通信系統(tǒng)中,一般均采用垂直極化的傳播方式。另外,隨著新技術(shù)的發(fā)展,最近又出現(xiàn)了一種雙極化天線。就其設計思路而言,一般分為垂直與水平極化和±45°極化兩種方式,性能上一般后者優(yōu)于前者,因此目前大部分采用的是±45°極化方式。雙極化天線組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線,并同時工作在收發(fā)雙工模式下,大大節(jié)省了每個小區(qū)的天線數(shù)量;同時由于±45°為正交極化,有效保證了分集接收的良好效果。(其極化分集增益約為5dB,比單極化天線提高約2dB。)


天線的增益
天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力,它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。一般來說,增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度,而在水平面上保持全向的輻射性能。天線增益對移動通信系統(tǒng)的運行質(zhì)量極為重要,因為它決定蜂窩邊緣的信號電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡的覆蓋范圍,或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量。任何蜂窩系統(tǒng)都是一個雙向過程,增加天線的增益能同時減少雙向系統(tǒng)增益預算余量。


天線的波瓣寬度
波瓣寬度是定向天線常用的一個很重要的參數(shù),它是指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度(天線的輻射圖是度量天線各個方向收發(fā)信號能力的一個指標,通常以圖形方式表示為功率強度與夾角的關(guān)系)。天線垂直的波瓣寬度一般與該天線所對應方向上的覆蓋半徑有關(guān)。因此,在一定范圍內(nèi)通過對天線垂直度(俯仰角)的調(diào)節(jié),可以達到改善小區(qū)覆蓋質(zhì)量的目的,這也是我們在網(wǎng)絡優(yōu)化中經(jīng)常采用的一種手段。


移動通信系統(tǒng)中幾種天線的比較及選擇
移動通信天線的技術(shù)發(fā)展很快,最初中國主要使用普通的定向和全向型移動天線,后來普遍使用機械天線,現(xiàn)在一些省市的移動網(wǎng)已經(jīng)開始使用電調(diào)天線和雙極化移動天線。由于目前移動通信系統(tǒng)中使用的各種天線的使用頻率,增益和前后比等指標差別不大,都符合網(wǎng)絡指標要求,我們將重點從移動天線下傾角度改變對天線方向圖及無線網(wǎng)絡的影響方面,對上述幾種天線進行分析比較。


機械天線。所謂機械天線,即指使用機械調(diào)整下傾角度的移動天線。機械天線與地面垂直安裝好以后,如果因網(wǎng)絡優(yōu)化的要求,需要調(diào)整天線背面支架的位置改變天線的傾角來實現(xiàn)。在調(diào)整過程中,雖然天線主瓣方向的覆蓋距離明顯變化,但天線垂直分量和水平分量的幅值不變,所以天線方向圖容易變形。實踐證明:機械天線的最佳下傾角度為1°-5°;當下傾角度在5°-10°變化時,其天線方向圖稍有變形但變化不大;當下傾角度在10°-15°變化時,其天線方向圖變化較大;當機械天線下傾15°后,天線方向圖形狀改變很大,從沒有下傾時的鴨梨形變?yōu)榧忓N形,這時雖然主瓣方向覆蓋距離明顯縮短,但是整個天線方向圖不是都在本基站扇區(qū)內(nèi),在相鄰基站扇區(qū)內(nèi)也會收到該基站的信號,從而造成嚴重的系統(tǒng)內(nèi)干擾。另外,在日常維護中,如果要調(diào)整機械天線下傾角度,整個系統(tǒng)要關(guān)機,不能在調(diào)整天線傾角的同時進行監(jiān)測;機械天線調(diào)整天線下傾角度非常麻煩,一般需要維護人員爬到天線安放處進行調(diào)整;機械天線的下傾角度是通過計算機模擬分析軟件計算的理論值,同實際最佳下傾角度有一定的偏差;機械天線調(diào)整傾角的步進度數(shù)為1°,三階互調(diào)指標為-120dBc。


電調(diào)天線。所謂電調(diào)天線,即指使用電子調(diào)整下傾角度的移動天線。電子下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位,改變垂直分量和水平分量的幅值大小,改變合成分量場強強度,從而使天線的垂直方向性圖下傾。由于天線各方向的場強強度同時增大和減小,保證在改變傾角后天線方向圖變化不大,使主瓣方向覆蓋距離縮短,同時又使整個方向性圖在服務小區(qū)扇區(qū)內(nèi)減小覆蓋面積但又不產(chǎn)生干擾。實踐證明,電調(diào)天線下傾角度在1°-5°變化時,其天線方向圖與機械天線的大致相同;當下傾角度在5°-10°變化時,其天線方向圖較機械天線的稍有改善;當下傾角度在10°-15°變化時,其天線方向圖較機械天線的變化較大;當機械天線下傾15°后,其天線方向圖較機械天線的明顯不同,這時天線方向圖形狀改變不大,主瓣方向覆蓋距離明顯縮短,整個天線方向圖都在本基站扇區(qū)內(nèi),增加下傾角度,可以使扇區(qū)覆蓋面積縮小,但不產(chǎn)生干擾,這樣的方向圖是我們需要的,因此采用電調(diào)天線能夠降低呼損,減小干擾。另外,電調(diào)天線允許系統(tǒng)在不停機的情況下對垂直方向性圖下傾角進行調(diào)整,實時監(jiān)測調(diào)整的效果,調(diào)整傾角的步進精度也較高(為0.1°),因此可以對網(wǎng)絡實現(xiàn)精細調(diào)整;電調(diào)天線的三階互調(diào)指標為-150dBc,較機械天線相差30dBc,有利于消除鄰頻干擾和雜散干擾。


雙極化天線。雙極化天線是一種新型天線技術(shù),組合了+45°和-45°兩副極化方向相互正交的天線并同時工作在收發(fā)雙工模式下,因此其最突出的優(yōu)點是節(jié)省單個定向基站的天線數(shù)量;一般GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)的定向基站(三扇區(qū))要使用9根天線,每個扇形使用3根天線(空間分集,一發(fā)兩收),如果使用雙極化天線,每個扇形只需要1根天線;同時由于在雙極化天線中,±45°的極化正交性可以保證+45°和-45°兩副天線之間的隔離度滿足互調(diào)對天線間隔離度的要求(≥30dB),因此雙極化天線之間的空間間隔僅需20-30cm;另外,雙極化天線具有電調(diào)天線的優(yōu)點,在移動通信網(wǎng)中使用雙極化天線同電調(diào)天線一樣,可以降低呼損,減小干擾,提高全網(wǎng)的服務質(zhì)量。如果使用雙極化天線,由于雙極化天線對架設安裝要求不高,不需要征地建塔,只需要架一根直徑20cm的鐵柱,將雙極化天線按相應覆蓋方向固定在鐵柱上即可,從而節(jié)省基建投資,同時使基站布局更加合理,基站站址的選定更加容易。


對于天線的選擇,我們應根據(jù)自己移動網(wǎng)的覆蓋,話務量,干擾和網(wǎng)絡服務質(zhì)量等實際情況,選擇適合本地區(qū)移動網(wǎng)絡需要的移動天線:在基站密集的高話務地區(qū),應該盡量采用雙極化天線和電調(diào)天線,在邊、郊等話務量不高,基站不密集地區(qū)和只要求覆蓋的地區(qū),可以使用傳統(tǒng)的機械天線。我國目前的移動通信網(wǎng)在高話務密度區(qū)的呼損較高,干擾較大,其中一個重要原因是機械天線下傾角度過大,天線下傾角度過大,天線方向圖嚴重變形。要解決高話務區(qū)的容量不足,必須縮短站距,加大天線下傾角度,但是使用機械天線,下傾角度大于5°時,天線方向圖就開始變形,超過10°時,天線方向圖嚴重變形,因此采用機械天線,很難解決用戶高密度區(qū)呼損高、干擾大的問題。因此建議在高話務密度區(qū)采用電調(diào)天線或雙極化天線替換機械天線,替換下來的機械天線可以安裝在農(nóng)村,郊區(qū)等話務密度低的地區(qū)。


天線調(diào)整在移動通信系統(tǒng)中的應用
天線是無線信號與基站之間的接口,在整個無線網(wǎng)絡中起著很重要的作用。天線的正確安裝,天線參數(shù)的正確調(diào)整(包括天線高度、俯仰角、方位角),對無線網(wǎng)絡的信號質(zhì)量有著很大的影響,能夠較為有效的改善系統(tǒng)的掉話率,接通率。阻塞率等運行質(zhì)量指標,改善無線信號及無線環(huán)境。


天線的安裝
由于移動通信的迅猛發(fā)展,目前全國許多地區(qū)存在多網(wǎng)并存的局面,即A、B、G三網(wǎng)并存,其中有些地區(qū)的G網(wǎng)還包括GSM9000和GSM1800。為充分利用資源,實現(xiàn)資源共享,我們一般采用天線共塔的形式。這就涉及到天線的正確安裝問題,即如何安裝才能盡可能地減少天線之間的相互影響。在工程中我們一般用隔離度指標來衡量,通常要求隔離度應至少大于30dB,為滿足該要求,常采用使天線在垂直方向隔開或在水平方向隔開的方法,實踐證明,在天線間距相同時,垂直安裝比水平安裝能獲得更大的隔離度。


總的來說,天線的安裝應注意以下幾個問題:
(1)定向天線的塔側(cè)安裝:為減少天線鐵塔對天線方向性圖的影響,在安裝時應注意:定向天線的中心至鐵塔的距離為λ/4或3λ/4時,可獲得塔外的最大方向性。


(2)全向天線的塔側(cè)安裝:為減少天線鐵塔對天線方向性圖的影響,原則上天線鐵塔不能成為天線的反射器。因此在安裝中,天線總應安裝于棱角上,且使天線與鐵塔任一部位的最近距離大于λ。

(3)多天線共塔:要盡量減少不同網(wǎng)收發(fā)信天線之間的耦合作用和相互影響,設法增大天線相互之間的隔離度,最好的辦法是增大相互之間的距離。天線共塔時,應優(yōu)先采用垂直安裝。


(4)對于傳統(tǒng)的單極化天線(垂直極化),由于天線之間(RX-TX,TX-TX)的隔離度(≥30dB)和空間分集技術(shù)的要求,要求天線之間有一定的水平和垂直間隔距離,一般垂直距離約為50cm,水平距離約為4.5m,這時必須增加基建投資,以擴大安裝天線的平臺,而對于雙極化天線(±45°極化),由于±45°的極化正交性可以保證+45°和-45°兩副天線之間的隔離度滿足互調(diào)對天線間隔離度的要求(≥30dB),因此雙極化天線之間的空間間隔僅需20-30cm,移動基站可以不必興建鐵塔,只需要架一根直徑20cm的鐵柱,將雙極化天線按相應覆蓋方向固定在鐵柱上即可。


天線參數(shù)的調(diào)整
天線高度的調(diào)整
天線高度直接與基站的覆蓋范圍有關(guān)。一般來說,我們用儀器測得的信號覆蓋范圍受兩方向因素影響:一是天線所發(fā)直射波所能達到的最遠距離;二是到達該地點的信號強度足以為儀器所捕捉。900MHz移動通信是近地表面視線通信,天線所發(fā)直射波所能達到的最遠距離(S)直接與收發(fā)信天線的高度有關(guān),具體關(guān)系式可簡化如下:


  S=2R(H+h)


  其中:R-地球半徑,約為6370km;


  H-基站天線的中心點高度;


  h-手機或測試儀表的天線高度。


由此可見,基站無線信號所能達到的最遠距離(即基站的覆蓋范圍)是由天線高度決定的。GSM網(wǎng)絡在建設初期,站點較少,為了保證覆蓋,基站天線一般架設得都較高。隨著近幾年移動通信的迅速發(fā)展,基站站點大量增多,在市區(qū)已經(jīng)達到大約500m左右為一個站。在這種情況下,我們必須減小基站的覆蓋范圍,降低天線的高度,否則會嚴重影響我們的網(wǎng)絡質(zhì)量。其影響主要有以下幾個方面:


a話務不均衡?;咎炀€過高,會造成該基站的覆蓋范圍過大,從而造成該基站的話務量很大,而與之相鄰的基站由于覆蓋較小且被該基站覆蓋,話務量較小,不能發(fā)揮應有作用,導致話務不均衡。


b系統(tǒng)內(nèi)干擾。基站天線過高,會造成越站無線干擾(主要包括同頻干擾及鄰頻干擾),引起掉話、串話和有較大雜音等現(xiàn)象,從而導致整個無線通信網(wǎng)絡的質(zhì)量下降。


c孤島效應。孤島效應是基站覆蓋性問題,當基站覆蓋在大型水面或多山地區(qū)等特殊地形時,由于水面或山峰的反射,使基站在原覆蓋范圍不變的基礎上,在很遠處出現(xiàn)“飛地”,而與之有切換關(guān)系的相鄰基站卻因地形的阻擋覆蓋不到,這樣就造成“飛地”與相鄰基站之間沒有切換關(guān)系,“飛地”因此成為一個孤島,當手機占用上“飛地”覆蓋區(qū)的信號時,很容易因沒有切換關(guān)系而引起掉話。


天線府仰角的調(diào)整
天線俯仰角的調(diào)整是網(wǎng)絡優(yōu)化中的一個非常重要的事情。選擇合適的俯仰角可以使天線至本小區(qū)邊界的射線與天線至受干擾小區(qū)邊界的射線之間處于天線垂直方向圖中增益衰減變化最大的部分,從而使受干擾小區(qū)的同頻及鄰頻干擾減至最??;另外,選擇合適的覆蓋范圍,使基站實際覆蓋范圍與預期的設計范圍相同,同時加強本覆蓋區(qū)的信號強度。


在目前的移動通信網(wǎng)絡中,由于基站的站點的增多,使得我們在設計市區(qū)基站的時候,一般要求其覆蓋范圍大約為500M左右,而根據(jù)移動通信天線的特性,如果不使天線有一定的俯仰角(或俯仰角偏?。┑脑?,則基站的覆蓋范圍是會遠遠大于500M的,如此則會造成基站實際覆蓋范圍比預期范圍偏大,從而導致小區(qū)與小區(qū)之間交叉覆蓋,相鄰切換關(guān)系混亂,系統(tǒng)內(nèi)頻率干擾嚴重;另一方面,如果天線的俯仰角偏大,則會造成基站實際覆蓋范圍比預期范圍偏小,導致小區(qū)之間的信號盲區(qū)或弱區(qū),同時易導致天線方向圖形狀的變化(如從鴨梨形變?yōu)榧忓N形),從而造成嚴重的系統(tǒng)內(nèi)干擾。因此,合理設置俯仰角是保證整個移動通信網(wǎng)絡質(zhì)量的基本保證。一般來說,俯仰角的大小可以由以下公式推算


  θ=arctg(h/R)


  其中:θ--天線的俯仰角


  h--天線的高度


  R--小區(qū)的覆蓋半徑


上式是將天線的主瓣方向?qū)市^(qū)邊緣時得出的,在實際的調(diào)整工作中,一般在由此得出的俯仰角角度的基礎上再加上1-2度,使信號更有效地覆蓋在本小區(qū)之內(nèi)。


天線方位角的調(diào)整
天線方位角的調(diào)整對移動通信的網(wǎng)絡質(zhì)量非常重要。一方面,準確的方位角能保證基站的實際覆蓋與所預期的相同,保證整個網(wǎng)絡的運行質(zhì)量;另一方面,依據(jù)話務量或網(wǎng)絡存在的具體情況對方位角進行適當?shù)恼{(diào)整,可以更好地優(yōu)化現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡。

根據(jù)理想的蜂窩移動通信模型,一個小區(qū)的交界處,這樣信號相對互補。與此相對應,在現(xiàn)行的GSM系統(tǒng)(主要指ERICSSON設備)中,定向站一般被分為三個小區(qū),即:


  A小區(qū):方位角度0度,天線指向正北;


  B小區(qū):方位角度120度,天線指向東南;


  C小區(qū):方位角度240度,天線指向西南。


在GSM建設及規(guī)劃中,我們一般嚴格按照上述的規(guī)定對天線的方位角進行安裝及調(diào)整,這也是天線安裝的重要標準之一,如果方位角設置與之存在偏差,則易導致基站的實際覆蓋與所設計的不相符,導致基站的覆蓋范圍不合理,從而導致一些意想不到的同頻及鄰頻干擾。但在實際的GSM網(wǎng)絡中,一方面,由于地形的原因,如大樓、高山、水面等,往往引起信號的折射或反射,從而導致實際覆蓋與理想模型存在較大的出入,造成一些區(qū)域信號較強,一些區(qū)域信號較弱,這時我們可根據(jù)網(wǎng)絡的實際情況,對所地應天線的方位角進行適當?shù)恼{(diào)整,以保證信號較弱區(qū)域的信號強度,達到網(wǎng)絡優(yōu)化的目的;另一方面,由于實際存在的人口密度不同,導致各天線所對應小區(qū)的話務不均衡,這時我們可通過調(diào)整天線的方位角,達到均衡話務量的目的。當然,在一般情況下我們并不贊成對天線的方位角進行調(diào)整,因為這樣可能會造成一定程度的系統(tǒng)內(nèi)干擾。但在某些特殊情況下,如當?shù)鼐o急會議或大型公眾活動等,導致某些小區(qū)話務量特別集中,這時我們可臨時對天線的方位角進行調(diào)整,以達到均衡話務,優(yōu)化網(wǎng)絡的目的;另外,針對郊區(qū)某些信號盲區(qū)或弱區(qū),我們亦可通過調(diào)整天線的方位角達到優(yōu)化網(wǎng)絡的目的,這時我們應輔以場強測試車對周圍信號進行測試,以保證網(wǎng)絡的運行質(zhì)量。
 

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