4G高增益天線農村地區覆蓋效果研究

樊正茂++陳亮

【摘 要】為研究4G高增益天線在農村地區的覆蓋效果，為農村地區的網絡建設提供指導和借鑒，選取農村地區的典型場景：高速、平原、丘陵、山區作為現場測試研究對象，通過理論分析和實際測試對比來驗證4G高增益天線與4G普通天線、GSM天線的覆蓋效果差異。研究結果表明，在農村無阻擋高站的情況下使用4G高增益天線能明顯提升中遠場信號強度，近場信號惡化不明顯，覆蓋距離能達到普通天線的1.23倍左右，與GSM天線的覆蓋距離相當，大約能節省15%的建設成本。

【關鍵詞】4G高增益天線 農村地區網絡覆蓋 鏈路預算 覆蓋半徑

1 引言

當前中國移動4G網絡經過多期工程的建設已實現主城區、縣城城區的連續覆蓋，農村地區的網絡覆蓋成為下一步網絡建設的重點。中國移動4G網絡使用頻段較高，覆蓋能力較弱，而農村地區地形廣闊、復雜，用戶需求較為分散；同時，高速場景也廣泛位于農村地區，用戶基本呈線狀分布且不密集。對于這些地區的覆蓋，將有別于城區，必須綜合考慮建網成本，積極探索新型覆蓋技術，提升廣覆蓋能力。

從覆蓋場景看，農村地區地形復雜，大致分為平原、丘陵、山區三種場景，平原和丘陵地區地勢平坦或起伏平緩，山區無線環境遮擋嚴重。高速場景的地理位置大多位于城郊或農村地區，覆蓋面較為狹窄，呈線狀分布。

4G高增益天線相比4G普通天線增益提升2.5 dB～3 dB，增益的提升將帶來覆蓋半徑增大，有利于縮減建設規模，節約成本。

本文主要研究4G高增益天線的應用場景，通過對比4G普通天線，以及GSM天線的覆蓋效果，分析4G高增益天線在高速、平原、丘陵、山區等場景下覆蓋效果的提升差異，從而給下一步農村地區和高速場景的網絡建設提供借鑒。

2 天線對比和覆蓋理論分析

2.1 三種天線基本參數對比

本文對4G高增益天線、4G普通天線和GSM天線進行覆蓋對比測試，三種天線（以某廠家的天線為例）的主要性能參數如下：

（1）4G高增益天線

頻段范圍（MHz）：1880—1920（F）/2010—2025（A）/2500—2690（D）；水平半功率波瓣角：65±5°；垂直半功率波瓣角：4.5°（F）/4.3°（A）/3.5°（D）；天線增益（dBi）：17（F）/17.5（A）/18.5（D）。

（2）4G普通天線

頻段范圍（MHz）：1880—1920（F）/2010—2025（A）/2500—2690（D）；水平半功率波瓣角：65±5°；垂直半功率波瓣角：7°（F）/6.5°（A）/5°（D）；天線增益（dBi）：14（F）/15（A）/16（D）。

（3）GSM天線

頻段范圍（MHz）：880—960；水平半功率波瓣角：90°；垂直半功率波瓣角：6.5°；天線增益（dBi）：16。

本次測試兩種LTE天線均采用F頻段，從參數對比可知，它們的水平半功率波瓣角相同，在垂直半功率波瓣角減小的前提下，4G高增益天線增益相比4G普通天線增益能有3 dB的提升。而4G高增益天線與GSM天線相比，若水平半功率波瓣角和垂直半功率波瓣角均減小，則能帶來1 dB的提升。

2.2 TD-LTE/GSM鏈路預算

（1）TD-LTE鏈路預算結果

1）4G高增益天線

以農村室外場景為例，穿透損耗為10 dB。宏基站的工作頻率為1880 MHz，20 M帶寬（即100 RB），天線發射功率為2×20 W，天線增益為17 dBi，天線安裝高度43 m。

下行控制信道類型為PDSCH，目標數據速率2048 kbps，信道模型為ETU3，小區邊緣MCS類型MCS6，天線為雙通道。

基站有效發射功率ERP=天線最大發射功率-饋線

損耗+天線增益-10×lg（12×總RB數） （1）

基站靜態接收靈敏度=-174+10×lg（15000）+目標

SINR值+接收機噪聲系數 （2）

覆蓋門限=基站靜態接收靈敏度+干擾余量+人體

損耗 （3）

最大允許路徑損耗=基站有線發射功率-覆蓋門限-

穿透損耗-陰影衰落+切換增益 （4）

由于不同傳播模型對應的覆蓋距離不同，本文采用2G頻段常用的傳播模型COST 231 Hata模型：

Lu=46.3+33.9×lg（f）-13.82×lg（Hb）-a（Hm）+

[44.9-6.55×lg（Hb）]×lg（d）+Cm （5）

其中：a（Hm）=[1.1×lg（f）-0.7]×Hm-[1.56×lg（f）-0.8]，Lu為基本傳播損耗中值，單位為dB；f為工作頻率，單位為MHz，取值1800 MHz；Hb為發射臺天線有效高度，單位為m；d為接收機到發射機之間的距離，單位為m；Cm為地形修正因子（大城市的密集城區取值為3 dB，一般城市取值為0 dB），Hm為接收臺天線有效高度，單位為m。

4G高增益天線鏈路預算參數配置如表1、表2和表3所示。由表中數據可知，4G高增益天線的覆蓋半徑約為2.5 km。

2）4G普通天線

4G普通天線鏈路預算計算過程同上，計算數據如表4、表5和表6所示。

經過比較，4G高增益天線的覆蓋半徑為2.5 km，普通天線的覆蓋半徑為2.04 km，4G高增益天線的覆蓋半徑約為普通天線的1.23倍，覆蓋半徑得到提高。

（2）GSM鏈路預算結果

GSM的鏈路預算計算方式與4G略有不同，由于不同傳播模型對應的覆蓋距離不同，本文采用900 M頻段常用的傳播模型Hata-Okumura模型。

Lu=69.55+26.16×lg（f）-13.82×lg（Hb）-a（Hm）+

[44.9-6.55×lg（Hb）]×lg（d） （6）

其中：Lu為基本傳播損耗中值，單位為dB；f為工作頻率，單位為MHz，取值900 MHz；Hb為發射臺天線有效高度，單位為m；Hm為接收臺天線有效高度，單位為m；a（Hm）=[1.1×lg（f）-0.7]×Hm-[1.56×lg（f）-0.8]，為移動臺天線高度因子，在本文中取值為0.015 98；d為接收機到發射機之間的距離，單位為m。

GSM天線鏈路預算相關計算數據如表7、表8和表9所示。由表9可得，GSM天線的覆蓋半徑為2.4 km，而4G高增益天線的覆蓋半徑為2.5 km，比較而言，4G高增益天線的覆蓋能力與GSM天線的覆蓋能力相當。

3 實際覆蓋效果對比測試

3.1 4G高增益天線與4G普通天線覆蓋對比測試

（1）測試計劃和步驟

本次測試工器具準備如下：

◆測試設備：MIFI 1個，GPS 1個，逆變器1個，測試筆記本1臺、相機1部；

◆前臺軟件：GENEX Probe 3.5；

◆后臺軟件：GENEX Assistant 3.5；

◆勘測工具：天線姿態儀1個。

本次測試站點選取如表10所示，選取高速（測試站點A）、平原（測試站點B）、山區（測試站點C）、丘陵（測試站點D）4種類型站點各1個，對4種無線覆蓋環境下天線性能進行驗證，并對比不同場景下的天線性能及覆蓋能力。此次選取的4種類型站點當前現網安裝的是4G普通天線，測試需要對更換為4G高增益天線前后的數據做對比。測試站點B覆蓋地形為平原，現網安裝為4G普通天線，做4G高增益天線和4G普通天線最大覆蓋距離對比測試，即單站拉遠測試。

為保證天線更換前后測試具有對比性，本次測試需保證天線更換前后方位角、下傾角等工程參數準確一致。具體測試過程如下：

1）高速場景

◆天線工程參數核查，確認是否符合覆蓋目標，若不符合應要求施工單位現場進行調整。

◆高速測試車速需盡量控制在60 km/h左右。

◆每次鎖定小區進行測試，共分為兩次，第一次去程完成DT（Drive Test，路測）測試直到脫網，第二次返程選取近、中、遠3點進行CQT（Call Quality Test，通話質量測試）定點測試。

2）平原、山區、丘陵場景

◆天線工程參數核查，確認是否符合覆蓋目標，若不符合應要求施工單位現場進行調整。

◆每次鎖定小區進行測試，共分為兩次，第一次去程完成DT測試直到脫網，第二次返程選取近、中、遠3點進行CQT定點測試。

3）單站最大覆蓋距離對比測試

◆調整現網4G普通天線總下傾角為2°，鎖定1小區進行DT測試直到電平較弱脫網，得出4G普通天線最大覆蓋距離；

◆更換為4G高增益天線，保證工程參數下傾角、方位角與4G普通天線測試時一致，同樣鎖定1小區進行DT測試直至電平較弱脫網，得出4G高增益天線最大覆蓋距離。

最后根據各覆蓋類型對比測試數據進行總結分析。

（2）測試基站參數

4類測試場景（高速、平原、丘陵、山區）的基站參數如表11所示。

單站拉遠測試選取測試站點E（第1小區）天線，固定方位角35°，總下傾角為2°，具體參數如表12所示。

（3）測試結果

1）DT測試結果如表13和表14所示。

2）CQT定點測試，結果如表15所示。

更換為4G高增益天線后，網絡性能比原4G普通天線有明顯收益，RSRP平均提升4.1 dB以上，SINR平均提升0.3 dB以上，下載速率平均提升3.9 Mbps以上。

3）最大覆蓋距離拉遠測試，結果如圖1所示。

從單站拉遠看，高增益天線覆蓋距離比普通天線遠23.75%，能夠覆蓋6000 m以上。

3.2 4G高增益天線基站與2G天線基站對比測試

（1）測試計劃和步驟

本次測試工器具準備如下：

◆測試設備：MIFI 1個，GPS 1個，逆變器1個，筆記本1部；GSM MS/測試工具、相機1部；

◆前臺軟件：GENEX Probe 3.5/鼎利軟件；

◆后臺軟件：GENEX Assistant 3.5/鼎利軟件；

◆勘測工具：天線姿態儀1個。

本次測試站點選取如表16所示：

表16 測試站點表

序號 基站名稱 覆蓋場景 地形地貌 2G和4G

天線掛高/m 站址屬性

1 測試站點B 行政村 平原 37 2G4G共址

2 測試站點D 行政村 山區 40 2G4G共址

本次測試選取平原（測試站點B）、山區（測試站點D）兩種類型站點各1個，對兩種無線覆蓋環境下的天線性能進行驗證，并對比不同場景下的天線性能及覆蓋能力。此次選取的2個站點均為2G和4G共址站點，現網已安裝4G高增益天線和2G普通天線。

對每類場景站點分別進行2次測試，第一次為4G和2G天線總下傾角均為5°的正常覆蓋方式測試，另一次為天線總下傾角為0°的最大覆蓋距離的極限方式測試。

（2）測試站點參數

兩類測試場景（平原和山區）的基站參數如表17所示。

（3）測試結果

從整體測試結果來看（如表18所示），4G高增益天線基本能達到GSM覆蓋能力，覆蓋距離絕對值差異在0.2 km之內。

4 造價分析

以某省為例，全省行政村總計17 407個，其中城區鎮區范圍內總計1783個行政村，城區鎮區范圍外總計15 624個行政村，平原類型5502個，丘陵類型4888個，山區類型5234個。

參考最新4G主設備集采單價，高增益天線集采單價約2800元，普通天線集采單價約850元，按照當前行政村廣覆蓋原則，行政村按照一村一站覆蓋，采用高增益天線覆蓋相比采用普通天線覆蓋增加投資約9140萬元。

考慮同等基站設備情況下，天饋線系統的差異將導致基站有效覆蓋半徑和有效覆蓋面積發生較大的差異，通過上文的實際測試結果可知，使用高增益天線相比于普通天線，在平原、丘陵、山區覆蓋效果提升約29%、8%、6%，故在這些場景需要建設更多的基站才能達到高增益天線的覆蓋效果，使用普通天線達到高增益天線覆蓋效果增需加投資約55 224萬元。

采用普通天線與高增益天線投資比如表19所示?？梢钥闯觯?G高增益天線相比4G普通天線增益提升2.5 dB～3 dB，增益的提升將帶來覆蓋半徑的增大，按照全省行政村100%覆蓋的目標，在平原、丘陵、山區場景采用高增益天線將大大縮減約15%的建設成本，共計46 084萬元。因此，在4G網絡建設中，建議在農村區域大力推廣高增益天線。

5 結論

綜上分析，建議在農村無阻擋高站的情況下使用4G高增益天線，能明顯提升中遠場信號強度，近場信號惡化不明顯。高增益天線覆蓋距離為普通天線的1.23倍左右，與GSM天線的覆蓋距離相當，能節省約15%的建設成本，對支撐行政村4G的廣覆蓋效果顯著。

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