基于LTE網絡場景的陣列天線選型研究*

李一雷

（浙江交通職業技術學院，浙江 杭州 311112）

0 引 言

LTE陣列天線技術是LTE系統的關鍵技術。陣列天線模型算法的優劣和參數的選擇，直接關系LTE系統的覆蓋性能、業務容量和用戶數量等關鍵指標。在工程實踐中，陣列天線的選擇和參數校正也是LTE網絡覆蓋規劃和優化的主要內容和必備環節。陣列天線不同的模型在不同無線環境中的性能和效果都有顯著區別，為陣列天線的設計和選型增加了困難。本文根據陣列天線的傳播模型，結合LTE網絡高鐵場景、鄉村場景和密集城區場景，通過仿真實驗，給出了陣列天線不同場景下選型設計的建議，具有重要的理論意義和實踐意義。

1 陣列天線主要選型參數

根據陣列天線原理[1]，長期演進技術LTE的天線陣列的工作頻段處于2 300～2 700 MHz，極化方式為±45°的交叉極化，最大增益大于15 dBi，天線各端口之間的隔離度小于-20 dB，天線的前后比大于23 dB。陣列天線的主要參數還包含陣列間隔和陣列數量。陣列天線較之于普通天線，更需要在陣元間距和陣列數量上進行選擇。本文實驗中，LTE網絡選用工作頻率2 645 MHz，極化方向為±45°的交叉極化方式，天線增益為12 dBi，不考慮天線端口隔離度。

1.1 陣元間距的選擇

主極化在工作過程中會有對應方向上的方向圖，被稱作主極化方向圖。主極化也有可能產生非預定的極化方向，被稱作交叉極化。交叉極化對應的分量圖被稱作交叉極化分量圖[2]。

式中：d為一維線陣陣元間距；λ通常為中心工作頻率所對應的波長；θmax為最大掃描角。本文所研究的天線陣列不考慮波束掃描情形，因此主瓣波束指向天線陣列的正前方，θ角為0°，陣元的最大間距為λ。此間距d一般取0.7λ～0.9λ。

由表1所示的實驗結果可知，隨著陣元之間的間隔減少，方向圖衰減越慢，主次瓣的差距越小[3]，同時隨著間隔的減少，主瓣越來越寬。

表1 陣元間距對輻射方向的影響

0.9λ

1.2 陣元數量的選擇

陣列天線的輻射電磁場是各個單元輻射場的總和，可以根據輻射實情進行具體調整，使陣列天線具有各種不同的功能，而這些功能是單個天線無法實現的。

本文的陣元數量選擇采用RFID陣列天線的矩陣設計思想[4]。結合實際工程可使用的陣列天線的陣元的數量，范圍為15～25個。

陣列天線在天線陣元配置上采用端射陣，如表2所示的實驗結果。

表2 陣元數量對輻射方向的影響

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隨著陣列個數的增加，方向圖衰減越快，同時主瓣變窄，方向性變好。

1.3 陣元間距和陣元數量組合配置

結合表1和表2，陣元間距較大的輻射方向效果和陣元數量小的輻射方向效果接近；反之，陣元間距較小的輻射方向效果和陣元數量大的輻射方向效果接近。為了比較不同陣列天線，本文選取了3組陣列天線配置，如表3所示。

表3 陣列天線配置

2 網絡場景的選取和需求分析

對于陣列天線，由于陣元間距和陣元數量會引起覆蓋效果的區別，根據傳播特性，不同的無線網絡環境對陣列天線的性能和效果也有著顯著影響。工程實踐中，陣列天線的選擇受無線環境的不同影響，導致無法準確給出選型思路。

在LTE網絡規劃工程中，一般采用三種具備代表的無線網絡場景——高鐵場景、鄉鎮場景和密集城區場景作為研究對象[5]。這些場景代表著LTE網絡規劃和優化過程中典型的案例。本節將通過覆蓋分析和容量分析，研究三種場景下對陣列天線設計選型的不同要求。

2.1 高鐵場景

2.1.1 場景描述

高鐵場景主要指高鐵周圍，此時可能周邊缺乏LTE基站而導致高鐵列車上用戶沒有LTE網絡。

2.1.2 覆蓋需求

該場景下，僅需要對鐵路進行覆蓋，同時一個小區在同樣的射頻功率內發射距離最遠，以減少切換次數，降低切換風險[6]。在保證容量一致的情況下，不僅可以減少切換帶來的掉話風險，還能減少基站，節省投資成本。要求一個高鐵基站最遠有效覆蓋距離越大越好（RSRP大于-100 dBm的覆蓋距離）。因此，高鐵場景下，對陣列天線的覆蓋距離是重要的選型考慮參數。

2.2 鄉鎮場景

2.2.1 場景描述

農村鄉鎮包含集鎮和農耕區，在集鎮存在部分的用戶，而農耕區是用戶活動范圍。所以，鄉鎮需要進行廣覆蓋。

2.2.2 覆蓋需求

農村鄉鎮整體話務量較低，但是覆蓋區域要求比較廣。因此，要求在同樣基站數量情況下，陣列天線的有效覆蓋面積（RSRP大于-100 dBm的面積）越大越好。

2.3 密集城區場景

2.3.1 場景描述

在密集的城區存在大量的用戶，且整個密集城區都是用戶活躍范圍。

2.3.2 覆蓋需求

在密集城區存在大量用戶，為了避免擁塞，基站間距比較近，基站一般覆蓋3個小區，需要完成周圍一圈的完全覆蓋，避免盲區存在。同時，因為城區存在阻擋，所以需要天線對區域內覆蓋整體強度較高，以吸納普通社區的話務量。在LTE網絡中，PRB利用率越高，網絡容量越高。

3 不同場景下陣列天線的仿真選型

將陣列天線模型納入武漢凌特電子技術有限公司的LTE網絡優化仿真平臺UltraRF，工作頻率、極化方向、天線增益仍采用第2節中的參數。

通過該平臺可以獲得基站有限覆蓋范圍、基站有效覆蓋率、良好覆蓋率和PRB占用比例。這些指標是衡量LTE網絡在高鐵場景、鄉鎮場景以及密集城區場景的網絡指標。通過對比這些網絡指標。衡量不同陣列天線下的網絡性能，從而為陣列天線的天線選型提供依據。

3.1 高鐵場景仿真

構建石武鐵路的一部分，部署一個高鐵仿真測試場景小區，方位角和鐵路保持一致。在保證天線其他射頻參數不變情況下，按照表4中的3種陣元間距和陣元數量組合仿真測試，查看小區覆蓋范圍，通過參數統計查看RSRP大于-100 dBm的最遠覆蓋距離。高鐵場景希望有效覆蓋距離盡量遠。通過仿真結果對比發現，第三種選型組合的陣元間距0.7λ、陣元數量為25時，有效覆蓋距離最遠。

表4 高鐵場景下有效覆蓋距離仿真結果

3.2 鄉鎮場景仿真

仿真環境為武漢市黃陂區域下的一個集鎮，按照現網基站位置部署2個基站，在保證天線其他射頻參數不變的情況下，按照表5的組合調整陣元間距和陣元數量進行仿真測試。通過測量規定區域內LTE信號覆蓋面積進行對比。然后，查看小區覆蓋范圍、RSRP大于-100 dBm的覆蓋面積。表5的覆蓋效果圖中，深色區域為RSRP大于-100 dBm的覆蓋范圍。在鄉鎮場景下，側重有效覆蓋面積即第二種選型組合，采用陣元間距0.8λ、陣元數量為20時的有效覆蓋面積最大。

表5 鄉鎮場景下有效覆蓋面積的仿真結果

3.3 密集城區場景仿真

對武漢青山區域，按照現網基站位置對鋼花街社區周圍的基站進行部署，在保證天線其他射頻參數不變的情況下，按照表6調整陣元間距和陣元數量進行仿真測試。通過測量規定區域內LTE信號優良覆蓋率來進行對比。對比覆蓋效果，深黑色區域是覆蓋偏弱的區域；覆蓋效果上，第一種參數組合的覆蓋效果最好，計算的系統PRB占用率也最高。在密集城區場景應達到較高的PRB，當采用陣元間距0.9λ、陣元數量為15時，PRB占用率最高，符合運營商在密集城區的規劃思路。

表6 密集城區場景下的PRB仿真結果

2 0.8λ 2024.66 3 0.7λ 2522.67

3.4 選型方案

對比在3個不同場景下共計9次的實驗，可知：

（1）隨著陣列陣元間距減少，天線波束賦形方面主瓣會變窄，而覆蓋距離會有所提升；相反，陣元間距增加，主瓣會變寬，覆蓋距離有所降低；

（2）隨著陣元數量的增加，天線波束賦形方面主瓣會變窄，而覆蓋距離會有所提升；相反，陣元數量減少時，主瓣會變寬，覆蓋距離有所降低。

結合場景屬性的覆蓋需求，給出下面基于場景的陣列天線選型方案：

（1）在高鐵場景下，期望單個小區覆蓋距離較遠的同時，天線主瓣方向也變窄，在不影響外界網絡的同時，減小切換次數和運營商基站投資成本。結合仿真數據，該場景下陣列天線選型時，建議選取的陣元間距較小、陣元數量較大，如陣元間距0.7λ、陣元數量25是較理想的選型。此外，根據更具體的實際需求，可在該區間附近進一步細化設計，以達到符合具體高鐵場景覆蓋效果的最佳設計。

（2）在鄉鎮場景下，期望小區能夠最大范圍地覆蓋周圍環境。天線主瓣覆蓋的區域范圍越大越好。結合仿真數據，在滿足LTE基本業務的情況下，建議陣元間距和陣元數量都在合理范圍內折中選取。例如，在陣元間距為0.8λ、陣元數量為20的組合附近，尋找滿足鄉鎮陣列天線設計數據。

（3）在密集城區場景下，期望小區能夠最大程度提升覆蓋區域內的覆蓋電平，同時提升系統容量，這需要加強對覆蓋區域內的優良覆蓋率。該場景下，建議選取的陣元間距較大、陣元數量較小，如陣元間距為0.9λ、陣元數量15是較理想的選型。另外，根據具體要求，可在該區間附近細化設計，以滿足具體密集城區對陣列天線的設計需求。

4 結 語

本文通過分析給出了陣列天線的陣元間距、陣元數量之間的三種組合選型類型，并從工程實際出發，在LTE常見的三種網絡場景下，對這三種選型進行了模擬實驗，指出了不同LTE網絡場景下的陣列天線選型建議，為不同網絡場景下的陣列天線進一步細化設計提供了方向。

[1] 余道華.基站天線陣列設計[J].信息通信,2015(01):165.YU Dao-hua.Base Station Antenna Array Design[J].Information Communication,2015(01):165.

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[3] 王曼珠,張喆民,崔紅躍.MATLAB在天線方向圖中的應用與研究[J].電氣電子教學學報,2004(04):24-27.WANG Man-zhu,ZHANG Zhe-min,CUI Hong-yue.The Application and Study of Antenna Radiation Pattern Based on MATLAB[J].Journal of IEEE,2004(04):24-27.

[4] 吳龍.一種基于陣列天線的無源RFID混合定位系統[J].信息與電腦(理論版),2016(13):62-63.WU Long.A Passive RFID Hybrid Positioning System Based on Array Antenna[J].China Computer &Communicatio,2016(13):62-63.

[5] 肖清華,汪丁鼎,許光斌等.TD-LTE網絡規劃設計與優化[M].北京:人民郵電出版社,2013.XIAO Qing-hua,WANG Ding-ding,XU Guang-bin,et al.TD-LTE Network Planning Design and Optimization[M].Beijing:People's post and Telecommunications Publishing House,2013.

[6] 張宵.LTE高速場景下隨機接入算法的研究[D].武漢:武漢理工大學,2012.ZHANG Xiao.Research on Random Access Algorithm in LTE High Speed Scenario[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2012.