高铁场景下高增益天线的应用分析.docx

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高铁场景下高增益天线的应用分析

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：

高铁；穿透损耗；高增益天线；

【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】：

一、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。

二、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

1.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

2.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

三、链路预算确定边缘场强

1.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。

2.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

3.边缘场强计算

功率分别以40W、60W、80W为例，PA&PB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

四、高增益天线适用场景分析

1.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。

2.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化。

不同站轨距的链路预算结果如下：

、

图17不同站轨距的链路预算结果

上图中3种场景的铁轨覆盖距离均在2.2KM左右，站轨距分别为100米、200米、400米，掠射角分别为5度、10度、20度。

由链路预算结果可以看出，三者的自由空间衰耗相差不大，几乎可以忽略不计，但穿透损耗相差甚远，是导致边缘场强差异的最主要因素。

究其原因，前文已经提及：

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。

另一方面，站间距过小意味着基站数量的上升，因此从规划的角度来看，并不建议高铁场景下全部使用高增益天线，其为了达到连续覆盖需缩小站间距，继而会增加建设成本，得不偿失。

【解决方法】

一、测试结果对比

根据设定的射频参数进行天线替换，然后进行测试对比。

注意，更换前后需选择相同类型的高铁进行测试，且座位位置尽量相同。

1.更换前后总体对比

更换前RSRP图

更换后RSRP图

图18更换前后总体对比图

2.合武线8_50和独山淠联村_51之间高铁路段

两者均已替换为高增益天线，测试情况如下：

更换前RSRP图

更换后RSRP图

图19路段1替换前后测试对比

由上图可以看出，两站中间有一段弱覆盖区域（左图红圈位置），在替换高增益天线过后有所改善。

然而，基站下方铁轨处（右图红圈位置），在替换高增益天线过后却有所恶化。

3.六安狮子岗乡_50与六安界牌石村01F机房_52之间高铁路段

两者均已替换为高增益天线，测试情况如下：

更换前RSRP图

更换后RSRP图

图20路段2替换前后测试对比

与路段1测试情况类似，两站中间区域改善明显，覆盖有效提升，但狮子岗乡正对铁轨处，覆盖略有恶化。

4.六安狮子岗乡_51与六安405乡道_50之间，以及六安405乡道_51西侧路段

三者均已替换为高增益天线，测试情况如下：

更换前RSRP图

更换后RSRP图

图21路段3替换前后测试对比

由上图可以看出，相邻站点中间位置的覆盖有明显提升，并且六安405乡道正对铁轨处并无明显恶化，究其原因主要有以下两点：

1.六安405乡道站轨距较小，只有60米。

2.该处铁轨正处于弯道处，两根天线夹角较小，覆盖空洞区域较少。

5.六安刁台子_50小区西侧高铁路段

测试对比情况如下：

更换前RSRP图

更换后RSRP图

图22路段4替换前后测试对比

由上图可以看出，原弱覆盖区域有明显改善，但基站正对铁轨处，RSRP有所下降，主要原因是刁台子站轨距过大，大约300米，导致天线夹角过大，空洞区域较多。

二、解决站下空洞区域

由前文分析可知，现网中65度定向天线替换成高增益天线后，中间覆盖区域信号会增强，但基站下方铁轨处会出现覆盖空洞。

为此，最理想的办法是在中间位置额外增加一个扇区，以此弥补高增益天线的不足，如下图所示：

更换前RSRP

更换后RSRP

图23界牌石村更换高增益天线前后对比

由上图可以看出，虽然界牌石村52小区也替换了高增益天线，但由于其为三扇区站点，且51小区正对着铁路覆盖，弥补了高增益天线的覆盖空洞，因此替换效果显著。

除此之外，由六安405乡道的替换结果来看，如果铁轨正处于弯道处，且基站处于弯道外侧，则天线夹角会变小，覆盖空洞区域会变少。

三、穿透损耗问题

前文分析已经得出结论：

从规划的角度看，高增益天线适用于站轨距较小或站间距较小的站点，过小的站轨距会导致过小的掠射角，继而使得穿透损耗急剧上升，信号反而可能出现恶化。

为此，本文另外选取了高速场景进行验证，高速场景对于穿透损耗并不敏感，与日常DT测试相差不大，可以忍受较小的掠射角，适合使用高增益天线进行规划、覆盖。

本次替换高速冯老店站点51、52小区天线，验证效果如下图示：

更换前RSRP

更换后RSRP

更换前SINR

更换后SINR

更换前下行速率

更换后下行速率

图24高速站点替换高增益天线前后对比

由上图可以看出，高增益天线替换后，虽然站下较短道路还是有所恶化，但其它各项指标改善明显，覆盖距离大为增加，覆盖强度大为提升。

因此，高速场景应比高铁场景更适合运用高增益天线。

【经验教训或建议与总结】：

本文从高增益天线的特性出发，详细介绍了高铁场景下如何设定射频工参及链路预算，方法值得借鉴。

在测试验证的基础上，对高增益天线的适用场景进行分析，最终得出如下结论：

1.从优化的角度看，对于现网的高铁站点，如果进行高增益天线替换，则两站中间区域信号改善明显，而基站正对铁轨处覆盖会恶化。

如果替换位置处于铁轨弯道处，则情况有所缓解，彻底解决方案需增加一个扇区，弥补覆盖空洞。

2.从规划的角度看，高增益天线要求的站轨距或者站间距较小，而小的站轨距代表着小的掠射角，使得穿透损耗大幅增加，相比于65度天线，反而可能导致覆盖恶化。

如果站间距较小，无疑又代表着建设成本的增加。

因此，不建议新建铁路全部采用高增益天线覆盖。

3.高速场景由于对穿透损耗不敏感，可以忍受较小的掠射角，比较适合运用高增益天线进行规划与优化，效果令人满意。