CDMA1X天线倾角规划指导书0915B10.docx
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CDMA1X天线倾角规划指导书0915B10
深圳市华为技术有限公司
无线网络规划部文档中心
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内部公开
产品名称
共13页
CDMA1X天线倾角规划指导书
（V1.0仅供内部使用）
拟制：
李忠东
日期：
2002/07/01
审核：
技术支持组
日期：
yyyy/mm/dd
审核：
日期：
yyyy/mm/dd
批准：
日期：
yyyy/mm/dd
深圳市华为技术有限公司
版权所有XX
修订记录
日期
修订版本
描述
作者
2002/05/01
1.00
初稿完成
何群
2002/07/01
1.00
修改完成
李忠东
目录
1网络布局重要性5
2电波传播基础6
2.1电波传播基本特性6
2.2电波传播模型7
3天线倾角设计9
4天线倾角调整范围的界定13
5实际运用14
6结论15
CDMA1X天线倾角规划指导书
关键词：
天线倾角小区半径越区覆盖
摘要：
在CDMA1X蜂窝移动通信网的规划和优化中，电波无线传播、PN偏置规划、BSS功能算法都基于一个前提，合理有效的蜂窝布局。
而影响蜂窝布局的因素在无线网络规划中主要体现在工程参数的设计上，从无线网络众多基站宏观布局到单个基站位置、天线高度、波瓣宽度、方向、倾角、EIRP等，形成了一个具体的蜂窝状网络。
通常，天线本身性能指标可以根据无线组网的特点，即：
覆盖和容量两方面进行选取；基站位置结合组网要求和外界客观条件确定后，一般也很少改变；而天线高度、方向和倾角就需要根据前面已定参数和单个小区具体覆盖目标来最终确定。
在CDMA1X网络规划中更为强调各个扇区的覆盖范围的控制，消除越区覆盖现象。
本文从确定天线高度、方向、倾角以及覆盖目标（小区半径）入手，分析相互之间关系，并最终给出一定条件下的天线倾角建议值。
缩略语清单：
参考资料清单
名称
作者
编号
发布日期
查阅地点或渠道
移动天线系统手册
杨可忠，井淑华译
1997
天线倾角规划调整指导书
何群、赵其勇
2001
无线网络规划
赵其勇主编
2001
1网络布局重要性
在CDMA1X系统的无线网络规划中，搭建一个健壮的网络结构，或者说网络布局是至关重要的，这一项工作的良好运行，能够将70-80%的网络质量保证了。
基本上无线网络的架构是由以下的基本工作组成的：
（1）根据可用PN，进行组网的PN规划方式；
（2）根据覆盖和容量公式估算网络所需的基站数量和容量（这里指混合业务）；
（3）确定基站的理论位置；
（4）假定基站的有关参数（网络层次结构、信道发射功率配比、天线类型、挂高、方向、下倾角、覆盖目标要求等）。
在确定网络基站布局的基础上，对邻区、搜索窗、RRM算法参数进行规划，再制作完成相关的小区数据，从而完成整个规划过程。
上述提到的各项内容对于无线组网都是很重要，我们将分类进行编写指导书，这里不在赘述。
本文档主要对于天线的倾角设计在无线组网中的考虑和应用进行探讨。
对于目前的CDMA1X系统而言，要求的网络结构非常苛刻，这主要是由目前的手机的RAKE接收机的3支通路造成的。
我们知道，对于一般的GSM网络，我们的站址选择只要是能够满足基本的原则（参看赵其勇编著《无线网络规划》），个别偏离理想网格位置通过调整调整天线方向角、倾角、发射功率等，同时结合频率计划、PBGT切换门限的考虑，可以比较合适地运作。
但是在CDMA20001X系统中，规划过程中的站址选择的不合理，甚至是对于地形考虑的不周全，就会给后面的优化工作带来极大的麻烦。
就目前的CDMA系统来说，系统支持6个软切换分支，而手机仅有3个RAKE接收机接收信号，第四个、五个分支信号不会进入RAKE接收机，也就是不会进入激活集中，从而成为干扰。
如果越区严重，可能在某个局部区域，出现很多过强的无法进入激活集的其他小区信号，形成导频污染。
直接的后果是：
掉话、FER升高和容量降低，而正在通话的手机必须增加发射功率克服这种干扰（满足Ec/Io要求），对于新增加的用户手机又必须增加发射功率克服干扰。
这样的循环，导致整网容量急剧下降。
而且干扰严重情况，掉话同样严重。
因此，在CDMA2000系统中，站址的选择、网络布局的合理性是很严格的，整网在工程建构上，应该处于一个层面上，小区不能越区覆盖，小区信号要很严格地补充，更接近理想蜂窝网格格局，否则导频污染严重，网络质量变差。
因此，在规划时仔细考虑小区蜂窝结构的规则性以及小区覆盖范围和目标，可以为无线网络质量奠定一个十分本质的基础。
在CDMA1X网络规划中，尤其强调这一点。
2电波传播基础
2.1电波传播基本特性
在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。
在一个典型的蜂窝移动通信环境中，由于接收机与发射机之间的直达路径被建筑物或其他物体所阻碍，所以，在蜂窝基站与移动台之间的通信不是通过直达路径，而是通过许多其他路径完成的。
所有的信号分量合成产生一个复驻波，它的信号的强度根据各分量的相对变化而增加或减小。
其合成场强在移动几个车身长的距离中会有20～30dB的衰落，其最大值和最小值发生的位置大约相差1/4波长。
大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快衰落。
移动台接收的信号除瞬时值出现快速瑞利衰落外，其场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化，这种变化称为慢衰落。
它是由阴影效应引起的，所以也称作阴影衰落。
当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，就会使接收场强中值的变化。
变化的大小取决于障碍物的状况和工作频率，变化速率不仅和障碍物有关，而且与车速有关。
这种慢衰落的规律，其中值变动服从对数正态分布。
另外，由于气象条件随时间变化、大气介电常数的垂直梯度发生慢变化，使电波的折射系数随之变化，结果造成同一地点的场强中值随时间的慢变化。
此中值变化也服从对数正态分布。
由于信号中值变动在较大范围内随地点和时间的分布均服从对数正态分布，所以它们的合成分布仍服从对数正态分布。
概括地讲，无线通信中的电波传播基本的属性就是多径现象和衰落，我们在组网过程中，基本上就是在克服或者利用这些基本电波特性架构无线网络。
2.2电波传播模型
传播模型是移动通信网小区规划的基础。
模型的价值就是保证了精度，同时节省了人力、费用和时间。
在规划某一区域的蜂窝系统之前，选择信号覆盖区的蜂窝站址使其互不干扰，是一个重要的任务。
利用高精度的预期方法并通过计算机计算，通过比较和评估计算机输出的所有方案的性能，我们就能够很容易地选出最佳蜂窝站址配置方案。
因此，可以说传播模型的准确与否关系到小区规划是否合理，运营商是否以比较经济合理的投资满足了用户的需求。
由于我国幅员辽阔，各省、市的无线传播环境千差万别。
例如，处于丘陵地区的城市与处于平原地区的城市相比，其传播环境有很大不同，两者的传播模型也会存在较大差异。
因此如果仅仅根据经验而无视各地不同地形、地貌、建筑物、植被等参数的影响，必然会导致所建成的网络或者存在覆盖、质量问题，或者所建基站过于密集，造成资源浪费。
一个优秀的移动无线传播模型要具有能够根据不同的特征地貌轮廓，像平原、丘陵、山谷等，或者是不同的人造环境，例如开阔地、郊区、市区等，做出适当的调整。
这些环境因素涉及了传播模型中的很多变量，它们都起着重要的作用。
多数模型是预期无线电波传播路径上的路径损耗的。
所以传播环境对无线传播模型的建立起关键作用，确定某一特定地区的传播环境的主要因素有：
•自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）；
•人工建筑的数量、高度、分布和材料特性；
•该地区的植被特征；
•天气状况；
•自然和人为的电磁噪声状况。
另外，无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动状况的影响。
在相同地区，工作频率不同，接收信号衰落状况各异；静止的移动台与高速运动的移动台的传播环境也大不相同。
一般分为：
室外传播模型和室内传播模型。
常用的模型如表2-1所示。
表2-1几种常见的传播模型
模型名称
适用范围
Okumura-Hata
适用于150-1000MHz宏蜂窝预测
Cost231-Hata
适用于1500-2000MHz宏蜂窝预测
Cost231Walfish-Ikegami
适用于900和1800MHz微蜂窝预测
Keenan-Motley
适用于900和1800MHz室内环境预测
规划软件中使用
适用于150-2000MHz宏蜂窝预测
在450、800M频段中，无线网络规划中实践工作中最为常用的、业界最通用的传播模型是Okumura-Hata模型，该模型由测得的平均测量数据构成，需要注意的是：
这些测试都是在日本的中等城市进行大量测试得来的，应用该模型时需要注意它的适用范围。
在Okumura-Hata模型中，市区的路径损耗中值可以用下面的近似解析式表示：
（2-1）
式中：
——从基站到移动台的路径损耗，单位：
dB；
——载波频率，单位：
MHz；
——基站天线高度，单位：
m；
——移动台天线高度，单位：
m；
——基站到移动台之间的距离，单位：
km；
对于中等城市或大城市修正，
在郊区，传播模型可以修正为
（2-2）
在开阔地，传播模型可以修正为
（2-3）
在实际无线传播环境中，还应考虑各种地物地貌的影响，对传播模型进行改进，从而更好的保证了覆盖预测结果的准确性，这些就涉及到规划软件平台问题，可见另外的文档。
此外，常用的传播模型还有COST231-Hata模型，只是适用频段范围在2G左右。
在传播模型中我们可以发现，在频段一定的情况下，路径损耗受基站天线高度的影响最大，在实际的开局工作中，我们在路测中也可以非常明显地发现这一结论。
3天线倾角设计
在CDMA1X无线网络规划中，蜂窝结构下的每一扇区都要求具有具体的覆盖目标（就是一定覆盖概率下的小区半径）。
对于具有软覆盖和软容量特点的CDMA1X系统而言，就是更好地控制载干比，发掘系统的容量。
在控制载干比方面，就是更为有效地控制各个扇区的覆盖范围。
一般的业界通用方法就是：
天线高度、方向角、下倾角和前向功率配比的综合考虑和调控。
功率方面有专门的文档《前向功率分配指导书》，这里不详述。
下面主要考虑天线下倾角的规划设计。
在设计天线倾角时必须考虑的因素有：
天线的高度、方位角、增益、垂直半功率角，以及期望小区覆盖范围。
一般来说，在天线增益一定的情况下，天线的水平半功率角与垂直半功率角成反比，其关系可以表示为：
G
=32600/（
）（3.1）
其中，Ga为天线增益（为倍数，计算时要换算成dB值），
为垂直半功率角，
为水平半功率角。
需要说明的是：
天线波束宽度与增益的关系中有一个经验系数，范围为27000-33000，对于基站天线选择32000-33000之间是合适的。
而实际上，通过天线供应商提供的天线方向图量出对应型号的天线的垂直半功率角是最为准确的，建议实际工程应用中，最准确的是查天线手册确定垂直半功率角，而尽量不是依据（3.1）式的经典公式，因为该公式仅仅是给我们一个大概的范围，而天线厂家提供的是最准确的。
对于分布在郊区的基站，一般情况都是天线无倾角或倾角很小，各小区的服务范围取决于天线高度、方位角、增益、发射功率，以及地形地物等，此时覆盖半径可以采用Okumura-Hata或COST231-Hata公式直接进行估算即可。
当然，如果在开局过程中没有得到天线厂家提供的天线方向图，就需要利用（3.1）式进行估计了。
对于市区情况，基站的站间距都比较小，为了更好有效控制扇区覆盖范围，需要通过上述的（3.1）式计算出天线的垂直半功率角，结合天线垂直半功率角和倾角大小按三角几何公式，以及Okumura-Hata或COST231-Hata公式进行估算。
方法如下：
假设所需覆盖半径为D（m），天线高度为H（m），倾角为
，垂直半功率角为
，则天线主瓣波束与地平面的关系如图1所示：
图1
从上图可以看出，当天线倾角为0度时天线波束主瓣即主要能量沿水平方向辐射；当天线下倾
度时，主瓣方向的延长线最终必将与地面一点（A点）相交。
由于天线在垂直方向有一定的波束宽度，因此在A点往B点方向，仍会有较强的能量辐射到。
根据天线技术性能，在半功率角内，天线增益下降缓慢；超过半功率角后，天线增益（特别是上波瓣）迅速下降，因此在考虑天线倾角大小时可以认为半功率角延长线到地平面交点（B点）内为该天线的实际覆盖范围。
根据上述分析以及三角几何原理，可以推导出天线高度、下倾角、覆盖距离三者之间的关系为：
（H/D）+
/2（3.2）
上式可以用来估算倾角调整后的覆盖距离。
但应用该式时有限制条件：
倾角必须大于半功率角之一半；距离D必须小于无下倾时按公式计算出的距离。
式中垂直波束宽度可以查具体天线技术指标或计算得出。
对于垂直波束宽度为17度，基站天线高度40米的场合，覆盖距离与天线倾角的关系如图2所示。
当垂直波束宽度为6.5度，基站天线高度40米时，覆盖距离与天线倾角的关系如图3所示。
图2覆盖距离与倾角关系（垂直波束宽度17度，天线高度40米）
图3覆盖距离与倾角关系（垂直波束宽度6.5度，天线高度40米）
从以上两图可以看出，在天线高度和倾角一定时，覆盖距离与天线的垂直波束宽度间的关系。
垂直波束宽度越小，覆盖距离越小。
因此为了更好地控制越区覆盖，在规划阶段选择天线时应该选择垂直波束宽度小的天线。
4天线倾角调整范围的界定
在实际的网络规划和优化过程中，需要注意的是：
天线的下倾角的调整是有一定范围的，当下倾角调整的过大以至于超过了一个门限值时，天线的波瓣就会发生畸变，这时候可能发生天线的主瓣覆盖的地方信号覆盖反而变差了。
一般地，在未超过下倾角门限值时，随着倾角的下倾，天线的副瓣和主瓣的覆盖距离的收缩比例基本上是一致的；超过门限值时，主瓣会凹陷同时覆盖收缩的比例要比副瓣的大，工程上通常可以考虑2：
1的比例，因此，过度下倾的天线方向图感觉上是变扁了，而且此时副瓣的信号是比较难控制覆盖范围的的。
如下图示：
过度下倾使天线的副瓣的覆盖距离扩展,超出应有的覆盖范围.干扰别的基站.
图4天线倾角过度下倾
因此，在规划和优化过程中应用天线下倾技术时，一定要仔细分析厂家提供相应天线型号的手册，在手册中查找对于该种型号天线的下倾角可调范围，也就是畸变的临界值，一般我们在常规组网时调整倾角时不要超过该门限值。
比如：
在华为南昌实验局使用的800MCDMA1X的KATHREIN振子型天线的可调范围在0~16度可调。
当然也不排除在组网时能够合理地使用这种过度下倾的主瓣凹陷，更好地保证特殊地形的组网需要，应用时要仔细考虑。
5实际运用
由于（3.1）式、（3.2）式是射线理论计算出来的值，一般我们在应用这两式计算覆盖半径时，要同时结合Okumura-Hata或COST231-HATA模型估计实际的信号覆盖半径。
实际工程中应用时，射线理论计算出来的小区覆盖半径是有一定误差的，一般会比实际的信号覆盖半径要小。
因此，我们在工程中注意对于相应的覆盖距离要增加一定的余量，一般在城区，25-40米左右的基站，可以适当地给出50-100米左右的小区覆盖半径余量。
天线下倾分为机械下倾和电气下倾，对覆盖的影响基本一致，由于电气下倾天线价格较贵并且需要定制，我们通常采取机械下倾方式；一般还认为，天线机械下倾在10度以内是工程中比较常用的做法，如果调整到接近倾角的最大门限值，此时需要注意波瓣变形后出现的其他问题。
另外，采用电气下倾角天线还可以有效防止天线机械下倾后后瓣对后方高层建筑的干扰。
所以，从追求最大合理化目标而言，在密集市区组网，我们希望采用电调天线，一般可以采用出厂预设6～7度电气下倾天线，在网络扩容和优化时结合机械下倾，实现15～20度大下倾角设置。
但是，在小区半径过分小时，天线机械下倾也无法保证能够很好控制覆盖范围，此时只能降低天线高度；如果降低高度存在困难，就需要采取天线电气下倾与机械下倾相结合的方式。
密集市区组网还必须考虑当天线主瓣正对街道而带来的街道效应和意外越区覆盖。
一般情况下，密集市区应避免天线主瓣正对较直的街道。
当小区需要覆盖比天线位置高的区域时，可能还会采取定向天线倒装或者下倾角为负的情况，此时需要注意天线的防水问题。
如果基站位置过高而需要覆盖比基站位置低很多（大于60-70米）的谷地，也需要考虑采用定向天线，因为全向天线倾角是无法调整的。
我们还必须考虑天线后瓣在天线主瓣下倾后的方向情况，因为个别性能差的天线前后比可能仅有20dB左右。
同时还需注意上副瓣的影响。
通常，全向天线垂直功率角是沿水平面上下对称的，倒装和正装效果一样；但是实际工程中还是需要注意具体全向天线的垂直方向图，是否已经具备电气下倾角，此时倒装就要慎重考虑了。
6结论
CDMA1X无线组网中，天线下倾角是规划和优化中一个非常关键的参数，结合其他几个重要的因素：
站址、方向角和前向功率配比等，搭建出合理的网络布局，基本上整个无线网络的规划和优化工作就大局确定了。
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