一種網絡規劃中天線參數取值方法的研究

梁高光，溫正陽，戚帆，李偉然

（中國移動通信集團設計院有限公司河北分公司, 石家莊 050021）

1 引言

LTE是近年來通信技術的熱點之一，隨著LTE運營牌照的發放，各大運營商正在如火如荼地建設LTE網絡。LTE網絡是一個全新的通信網絡，網絡規劃的質量決定了將來的網絡運營效果，因此網絡規劃的重要性不言而喻。

網絡規劃中一個重要的方面是天線的參數設置，主要包括天線的掛高、方位角和下傾角3個要素。按照蜂窩移動通信理論，所有的基站應該是覆蓋相同面積的正六邊形區域。但由于實際條件的限制，通信網絡的結構不是標準的蜂窩結構，各個基站的差異性比較大。這些因素導致天線的設置不可能按照統一參數配置，必須根據各個基站的具體情況加以處理。傳統的網絡規劃一般將所有基站天線采用同一個初始的參數，在此基礎上根據仿真結果逐站進行優化處理，這種做法耗費較多的時間和計算資源。

鑒于傳統方法的弊端，本文提出一種基于基站位置信息的計算基站天線參數的方法。該方法通過計算基站與相鄰基站的位置關系，采用公式計算的方法設置天線的各個參數。從而將整個規劃區內的覆蓋問題轉化成局部地區單一基站的覆蓋問題，再將此過程應用于所有基站達到將整個網絡結構優化的目的。相比傳統的規劃方法，論文提出的方法不僅省時省力，而且具有較高的精準，可控性良好。既能夠保證區域內的覆蓋效果，又能有效地控制小區間的干擾問題。

2 理論分析

本章詳細介紹了天線參數的計算過程。主要分為兩個步驟，第一步是尋找目標基站的3個相鄰基站并且計算出相對于目標基站的具體方位角度和距離，第二步是根據相鄰基站的信息計算出的天線各個參數。

2.1 相鄰基站定位

網絡規劃中一般都以經緯度標志基站的地理位置，通過經緯度可以計算任意兩站之間的距離。現在已經有較多的可以實現距離計算的公式，其中比較精準一種如公式（1）所示：

公式中，R為地球半徑，一般取6 378 km；x0、y0、 x1、y1分別為兩個基站的經緯度。

對于目標基站而言，通過循環使用公式（1）可以得到與其他任何基站的距離。其次，要判定相鄰基站的方向，需要采用如下公式：

公式（2）中λ表示相鄰基站的相對方向，x0、y0為目標基站的經緯度，x1、y1為相鄰基站的經緯度。

相鄰基站的關系就是記錄3個不同扇區方向的最近基站的距離和方向。由公式（1）和公式（2）可以得到其他所有基站的距離和方向，然后從這些基站中找出3個相鄰基站。實現方法是循環檢查3個備選相鄰基站是否存在于同一扇區內，判定方法為與中心基站做直線連接，兩個夾角不超過90°則認為在同一扇區內。首先采用最近的3個基站作為備選相鄰基站進行判定，如存在于同一扇區內則繼續尋找次近基站替換同一扇區內較遠基站。對新的備選相鄰基站再次進行判定，以此類推。最終得到目標基站的相鄰基站。

此外，有一些邊界基站只有一個或兩個相鄰基站，需要特殊對待。

2.2 天線掛高計算

為達到網絡覆蓋要求同時避免基站越區覆蓋造成干擾，基站天線的掛高需要根據基站站間距進行設置。天線的掛高沒有準確的計算公式，但根據仿真和測試經驗可以有一些參考數值，根據覆蓋場景的不同可以有幾種不同的掛高范圍。根據電磁波傳播衰減模型，LTE在密集城區的覆蓋半徑約為300～400 m，天線掛高設置在30～35 m左右；在郊區及縣城的覆蓋半徑可達500 m以上，天線掛高可在密集城區的基礎上適當增加5 m左右為宜。

受到實際條件的限制，天線掛高大多不能夠設置在理想的位置。多數情況下基站選址完成后天線的掛高可調整范圍很小。因此，通常在規劃中一般不對天線掛高進行調整，而是將掛高控制在一定的范圍之內即可。市區一般不低于20 m，最高不超過50 m。本文的方法只對掛高進行檢查而不做改變。

2.3 天線方位角計算

天線的另一個重要參數是天線的方位角。現代蜂窩基站一般采用定向天線分3個小區進行覆蓋，3個天線主瓣所指向的方向即為該小區的方位角。方位角決定該小區的覆蓋范圍，因此合理設置方位角非常重要。

關于天線方位角的設置，有幾個重要的原則：一是所有小區應能夠將基站的覆蓋區域全部包括；二是避免同基站之間小區干擾，3個小區之間必須保證60°以上的夾角。另外，為避免相鄰基站干擾和保證覆蓋，方位角設置應使小區相鄰基站方向錯開，避免相互對打。

在2.1節中已經計算出目標基站在3個不同方向上的相鄰基站距離和角度，由此可以根據上述幾種原則確定目標基站3個天線的方位角。計算方法為將相鄰基站的角度兩兩取平均值即可，公式如下：

公式（3）中λ1、λ2、λ3分別是3個相鄰基站的相對角度；α1、α2、α3分別為目標基站的3個方位角。

另外，如果α1計算結果為負數，則將該值加上360°作為α3，另外兩個角度依次上延作為α1、α2。

2.4 天線下傾角計算

最后一個參數是天線下傾角，也是網絡結構中最重要的參數。合理的下傾角可以控制基站的覆蓋范圍，增大基站站的覆蓋區域的信號強度，同時減少與相鄰小區的干擾。

關于下傾角，計算公式如下：

公式（4）的計算是將天線的上半功率波瓣對準小區邊緣時所得到的，這樣保證小區內的都能夠在天線半功率角內。其中h為發射天高度；R為小區的覆蓋半徑；θ0.5為垂直平面內的半功率波瓣寬度。

根據2.1節計算出的相鄰基站數據，可以得出3個小區的覆蓋半徑R。小區的覆蓋半徑R應為與同一方向相鄰基站距離的1/2多一點，具體參數可根據具體情況進行適當調整。再由公式（4）可以計算出該小區天線的下傾角。

2.5 小結

本章中詳細介紹了天線參數的計算過程，通過簡單的公式計算可以精準地計算出來。另外，通過大量的仿真和測試驗證，有一些較為普遍的參數可以采用，這樣可以更進一步簡化參數設置的過程，避免了公式計算。但基本原理還是基于基站的鄰區關系。經驗參數如表1所示。

表1 天線設參數經驗值

3 仿真驗證

網絡規劃工作常借助于網絡規劃仿真軟件，這些軟件一般都支持地理信息的導入，能夠模擬電磁波的傳播并顯示基站的覆蓋效果圖。本文采用的ANPOP仿真軟件，通過對比傳統方式和本文中的方法兩種天線參數設置方法的仿真結果進行理論驗證。

3.1 仿真原理介紹

論文提出的方法采用某城市的LTE規劃進行仿真驗證。城市規劃區面積約為20 km2，采用F頻段進行覆蓋。按照初步規劃采用了102個基站，306個小區進行仿真。

對比方案采用傳統方法，將基站天線統一設置方位角和下傾角，3個方位角設置為60°/180°/300°，下傾角設置為10°。采用ANPOP軟件進行仿真，結果作為對比依據。

實驗方案按照論文提出的方法進行方位角和下傾角的設置。其他仿真參數與傳統方法的設置完全一樣，進行第二次仿真。

3.2 仿真數據對比

LTE仿真中主要的兩個指標是參考接收信號功率RSRP和信噪比SINR。其中RSRP是衡量基站覆蓋信號強弱的標志，而SINR是衡量各個基站之間干擾水平的標志。

兩種仿真方案的結果對比如圖1和圖2所示，左側為對比方案仿真結果，右側為實驗方案仿真結果。

圖1 RSRP仿真結果對比

圖2 SINR仿真結果對比

從規劃區內找到典型的區域進行分析，可以看到對比方案明顯存在覆蓋盲區干擾情況，如圖3所示。

圖3 典型區域對比

從仿真結果可以看出，傳統天線參數設置方法由于沒有考慮與相鄰基站的位置關系而采用統一的參數設置，最終導致一些區域出現弱覆蓋或無覆蓋的情況，信號較差；而另一些區域基站越區覆蓋，干擾嚴重。采用論文提出的方法進行天線參數設置可以有效的避免上述兩種情況。整體效果上明顯優于傳統設置方法。

4 結論

論文提出了一種LTE網絡規劃中天線參數的設置方法，采用了基于地理位置分析周邊基站關系的方法確定基站天線參數。論文細致地闡述了天線各個參數的計算方法，并通過實際案例進行操作和驗證，采用該方法實現了很好的效果。該方法可以實現快速的規劃和優化，節省大量時間和計算資源。本文提出的方法對于仿真有很大幫助，同時也可以指導實際建站方案。網絡優化中也能夠起到實際作用。論文中天線參數的具體計算公式需要根據具體場景進行優化和論證，但基本方法值得肯定。

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