劈裂天線在無線網建設中的應用

孔力，張遠凱，陶資

（上海郵電設計咨詢研究院有限公司，遼寧 沈陽 110167）

0 引言

近年來移動用戶和智能終端發展迅速，2018 年底，中國移動終端總數達到15.7 億，比上年凈增1.49 億，其中4G 用戶終端數達到11.7 億，全年凈增1.69 億[1]。4G 數據流量也呈現爆發式增長，以某省為例，2018 年底4G 日均流量達6.71 GB/小區，同比增長70%。隨著提速降費政策的進一步落實，4G 網絡將面臨巨大的擴容壓力[2]。傳統的網絡擴容方式主要是新建基站和多扇區組網，但是新建基站投資大、建設周期長，多扇區組網中相鄰扇區的干擾嚴重，天線的增加給緊張的天面資源帶來了更多挑戰，擴容效果不明顯[3]。

劈裂天線通過發射兩束33°水平波寬信號對小區進行分裂，實現在原有三扇區基站基礎上的平滑升級和容量擴容，極大地節省天面空間資源，相較于其他擴容方案，具有投資少、見效快等優點，在提升覆蓋和容量、穩固市場發展方面起著重要作用[4]。

相比其他相關的應用研究，本文總結了劈裂天線的適用場景及天線選型分析，通過實際案例的測試分析，從覆蓋、PRB（Physical Resource Block，物理資源模塊）利用率、流量及其他關鍵指標對比劈裂前后網絡質量，綜合分析劈裂天線應用的優點及局限性。

1 劈裂天線的介紹

1.1 技術指標對比

劈裂天線將兩根雙極化天線集成在一個天線罩內，采用波束賦形技術，實現單天線在水平面兩小區分裂。相比于普通天線，劈裂天線通過發射兩束33°水平波寬信號來支持六個扇區，扇區數量翻倍，大幅度增加了業務容量，實現深度覆蓋[5]。普通65°波束天線與劈裂天線方向圖對比如圖1 所示。

圖1 普通65°波束天線與劈裂天線方向圖對比

使用劈裂天線后，網絡拓撲變化如圖2 所示。

圖2 劈裂后網絡拓撲變化圖

對劈裂天線、普通33°波束天線和普通65°波束天線的主要參數進行分析。由于劈裂天線包含兩幅33°劈裂天線，相對普通天線尺寸更大、質量更大也屬正常。其他性能參數與普通天線差異不大。具體參數對比情況如表1 所示。

表1 天線主要參數對比表

1.2 劈裂天線優勢

通過上述指標比較分析，可以看出劈裂天線在無線網建設及擴容方面具有如下優勢：

（1）相對新建基站進行擴容，在不增加基站數量和天面資源的情況下，劈裂天線可以有針對性的快速、靈活擴容，不會產生獲取站址困難、業主糾紛和進站難等問題，解決了目前大規模建設基站帶來的機房、天面資源緊張的困難，并且投資少，工期短，見效快[6]。相對增加普通天線進行擴容，1 副劈裂天線能代替2 副普通天線，可節約一半的天線鐵塔租金，實現單天線水平面多小區分裂，利用空間分割技術增加信道容量，解決了信道資源緊張的問題[7]。另外，1 副劈裂天線凈重比2 副普通天線總質量要輕10 kg 以上，承重要求更小，施工更容易。

（2）與普通窄波束天線相比，劈裂天線增益下降更快，扇區間的重疊面積更小，它具有更好的旁瓣抑制性能，減少了扇區間干擾，有效提升基站容量和覆蓋區域內的信號質量[8]。

2 劈裂天線建設方案

2.1 適用場景

（1）局部高流量熱點區域

隨著4G 移動用戶數的快速增長和熱點地區流量的不斷增加，網絡擴容已成為運營商面臨的難題。然而，網絡頻點的使用已趨于飽和，運營商追求高效、快速、低成本的容量擴容，多載波和新建基站的增加已經不能滿足擴容需求。采用劈裂天線具有擴容速度快，實施方便、投資低等優點，將大幅提升容量和增強覆蓋，解決高流量熱點地區容量不足的問題[9]。

（2）以容量需求為主的密集城區

近幾年4G 網絡的快速部署，現網基站分布已經十分密集，以某省會城市為例，密集城區最小站間距甚至已經到了100～200 m 左右，而密集城區又是高容量需求區域，新建基站擴容方案已很難實現。使用劈裂天線在原基站基礎上平滑升級、擴容容量，可有效解決城市密集區的容量需求。

（3）站址獲取困難、資源不足區域

基站的快速部署與站址資源不足之間的矛盾已成為網絡建設和優化中重點問題[10]。機房、天面資源的匱乏、鐵塔承重的限制、物業協調困難等因素都導致新建基站、增加普通天線六扇區擴容方案難以實施的這些場景，適用于劈裂天線。

2.2 建設方案

常用的4G 劈裂天線有三種類型，即4 端口雙頻劈裂天線，8 端口雙頻劈裂天線以及4+4 端口三頻天線，詳見圖3 所示。

針對上述幾種劈裂天線，可以采用以下三種建設/擴容方案。

方案一：1.8G+2.1G 雙頻4T4R 射頻單元配合4 端口劈裂天線劈裂為2T2R 六扇區

該方案是將原有1.8G+2.1G 雙頻基站的普通四端口天線替換成四端口雙頻劈裂天線，主要用于局部高流量熱點，且急需擴容區域，劈裂后小區翻倍，容量大幅提升，如圖4 所示。

圖3 常用的三種4G劈裂天線

圖4 4端口劈裂天線方案

方案二：1.8G+2.1G 雙頻4T4R 射頻單元配合8 端口劈裂天線劈裂為4T4R 六扇區

該方案是將2 個1.8G+2.1G 雙頻4T4R 射頻單元連接到一副8 端口劈裂天線，主要用于新建基站困難的高價值、高流量密集區域，如圖5 所示：

圖5 8端口劈裂天線方案

方案三：1.8G+2.1G 雙頻4T4R 和800M 2T4R 射頻單元配合4+4 端口劈裂天線

該方案是新增一副4+4 端口三頻劈裂天線，整合L800M 基站天線和1.8G+2.1G 雙頻基站天線于一體，在天面資源嚴重不足，容量又急需擴容時，可采用此方案進行天面整合，同時提升容量，具體如圖6 所示：

圖6 4+4端口劈裂天線方案

3 驗證案例

3.1 劈裂天線案例

沈陽理工大學校園占地面積113 萬平方米，校舍建筑面積44.4 萬平方米，在校師生1.8 萬余人。流量高峰期時現網小區PRB 利用率高達98%以上，用戶感知較差。其中F_H_渾南熱電站1 扇區覆蓋學校教學樓、圖書館，業務量巨大，擁塞情況最為嚴重，一周內PRB 利用率最大值達到98%～99%。

LTE 1.8G 室外基站F_H_渾南熱電站1 扇區劈裂前方向角為40°，通過對1 扇區現網1.8G 基站進行疊加2.1G 二載波分流，并通過1.8G+2.1G 負載均衡參數調整，優化擁塞問題，使小區最大限度均衡網絡資源，但是由于用戶太多，參數修改完成后，問題改善不明顯，下行PRB 利用率依然高達70%以上，擁塞問題依舊，忙時小區仍出現擁塞告警。

現嘗試采用劈裂天線方案，在不增加天線的情況下，將1 扇區1.8G 天線替換成4 端口劈裂天線，在原有1.8G 和2.1G 兩個小區的基礎上劈裂兩個1.8G+2.1G小區，方向角由40°劈裂成方向角25°和方向角55°，原有2 個小區覆蓋變成4 個小區覆蓋，以此來進行分擔流量，解決擁塞問題。劈裂前后方向角變化如圖7所示：

圖7 渾南熱電站1扇區劈裂前后方向角對比

3.2 劈裂前后網絡指標對比

（1）覆蓋指標對比

在F_H_渾南熱電站1 扇區進行天線劈裂前后的DT測試。劈裂方案采用前，平均RSRP 為-82.76 dBm，擴容后平均RSRP 為-76.38 dBm，提升了6 dBm。劈裂方案擴容前平均SINR 值為7.35 dB，擴容后平均SINR 值為7.45 dB，擴容前后變化不大。具體如圖8所示。

（2）下行PRB 利用率對比

劈裂天線擴容方案前后通過大數據平臺提取三個時間段小區測試指標值，下行PRB 利用率比劈裂前平均下降23.98%，小區擁塞情況得到較大改善。詳見表2。

圖8 劈裂前后覆蓋指標對比

表2 劈裂前后下行PRB利用率對比

（3）平均用戶數對比

劈裂天線擴容方案后平均用戶數比劈裂前平均提升28.18%，漲幅明顯。詳見表3。

表3 劈裂前后平均用戶數對比

（4）下行數據流量對比

劈裂天線擴容方案后下行數據流量比劈裂前平均提升41.23%，從擴容后小區平均用戶數和下行數據流量增長情況來看，基本實現了提升容量、吸收更多流量的目的，有效緩解了資源壓力，釋放用戶流量。下行數據流量劈裂前后數據對比詳見表4。

表4 劈裂前后下行數據流量對比

（5）其他關鍵指標對比

劈裂天線擴容方案后其他關鍵指標保持穩定，干擾可控。詳見表5。

3.3 效果小結

根據上述測試分析，可以看出劈裂天線方案能有效解決站址資源不足情況下4G 網絡擴容問題。

（1）網絡覆蓋情況：擴容后無線覆蓋信號強度有所提升，整體覆蓋效果與干擾水平無明顯變化，保持了原始小區的覆蓋半徑，滿足了網絡優化覆蓋一致性的要求。

表5 劈裂前后其他關鍵指標對比

（2）容量變化情況：扇區劈裂后有效解決了小區PRB 利用率高的問題，同時提升覆蓋區域內的容量，增加小區用戶數，對小區的分流起到明顯作用。

（3）劈裂天線局限性：從劈裂天線的下傾角、方向角以及掛高等參數的調整優化上來看，劈裂天線不如單獨使用兩幅普通天線靈活，其優化更為困難；同時，劈裂天線在擴容過程中需要替換原有天線，勢必要將原有基站中斷服務，勢必影響業務使用；并且在原主瓣覆蓋范圍內存在小區重疊干擾問題，使用時需密切關注原天線中心區域用戶需求，如中心用戶較多時需調整天線方向；另外劈裂天線比原有替換的普通天線質量大5kg左右，這對天面及鐵塔抱桿的承重提出更高要求，需重新評估風險。

4 總結與展望

劈裂天線技術為無線網的建設和網絡的擴容提供了新思路，有效解決站址資源匱乏、容量不足和成本高等問題，在容量和性能方面能夠實現顯著改進，宜作為無線網“精準投資”建設的有效手段推廣應用。同時，劈裂天線需進行設備和天線替換，且存在優化不夠靈活等局限，需要在今后建設過程中進一步完善和改進。