基于特性天線的高鐵覆蓋場景應用研究*

付 康，沙乾坤，高宗杰

（中國移動通信集團新疆有限公司 哈密市分公司，新疆 哈密 839000）

0 引言

目前，我國已經建成了全世界最長的高速鐵路網絡。高鐵乘坐人數眾多，已經成為民眾出行的首選交通工具，因此解決高鐵場景的覆蓋具有非常重要的意義。新疆維吾爾自治區內高鐵途徑地貌復雜多樣，有隧道、路塹、防風墻、戈壁、沙漠以及草地，站點資源獲取困難，信號損耗快速。部分高鐵線路存在覆蓋不足、用戶感知差的問題。

通過研究基于特性天線的高鐵站點覆蓋增強方案，提升單站點的覆蓋范圍和用戶感知，減少新增站址資源，能達到“降本增效”的目的。通過高鐵增強覆蓋方案的研究、典型場景的測試驗證以及方案修正等，形成了高鐵場景的覆蓋方案和方法，用于指導后續的高鐵5G 網絡覆蓋規劃建設。

1 透鏡天線原理

透鏡天線是根據光學理論引入“鏡片”概念，在各種形狀的電磁輻射器前加裝介質透鏡，使得電磁波經過“鏡片”作用后可以轉變成平面波，以得到錐形或圓柱形波束。透鏡介質折射率不均勻，把饋源（信源）放到焦點處。它的折射率與位置距球心的距離有關，滿足，式中ε(r)為相對介電常數，n(r)為折射系數，2 為選擇材料的介電常數，r為當前位置到球體中心的距離，R為球體的半徑。當平面電磁波射向“鏡片”時，通過“鏡片”作用被匯聚到與此平面電磁波相垂直的直徑的另一端。這樣在此處（通常是焦點）設計放置一個饋源，就能在球天線口面上轉換成平面電磁波達到匯聚的作用。整個球面上的任意位置都可以是焦點[1]，如圖1 所示。

龍伯球透鏡是一種比較實用的透鏡天線，是由介質材料做成的圓球體，作用是將不同角度傳播的電磁波聚到“鏡片”表面的一點，在球的正對不同方向來波球面焦點設置小增益接收天線，通過透鏡輻射將發射功率密度提高10 倍以上，天線效率高于90%，如圖2 所示。

圖1 透鏡天線原理1

圖2 透鏡天線原理2

2 透鏡天線與板狀天線對比

2.1 特性對比

如表1 所示，人工介質透鏡天線與板狀天線相比，具備垂直波瓣寬、結構簡單、底噪小、輻射效率高以及風阻小等特點。

2.2 覆蓋范圍對比

如表2 所示，透鏡天線不用電調，±3 dB 垂直波束覆蓋距離范圍為44～1 313 m。傳統板狀天線采用電調技術，覆蓋距離范圍為145～753 m。在遠距離覆蓋上，透鏡天線的距離是板狀天線的1 倍，覆蓋范圍更遠。

表1 人工介質透鏡天線與板狀天線的性能對比

表2 ±3 dB 覆蓋距離比較（塔高25 m）

3 龍伯球天線應用驗證

3.1 應用環境

蘭新高鐵是連接甘肅蘭州與新疆烏魯木齊的高速鐵路，全長1 773 km，新疆境內710 km，其中烏魯木齊段長112 km，吐魯番段長228 km，哈密段長370 km，高鐵設計時速250 km/h，實際運行時速為200 km/h。大風區段線路達462.4 km，占新疆段線路總長的65.1%。尤其是高鐵北側建設的防風墻，幾乎貫穿全程。高速列車車體穿透損耗大，再加上防風墻的阻擋，極大地縮小了基站的覆蓋范圍。1.2 km 的站間距很難保證連續覆蓋[2]。

3.2 試點天線選型

本次測試的天線型號是HT300001 和HT380002產品，應用于高鐵覆蓋的介質透鏡天線。整個天線支持寬頻段，水平半功率角和垂直半功率角在30°左右，可以在滿足高鐵遠距離覆蓋的前提下，保證由遠到近的良好覆蓋效果，比傳統板狀天線有更好的覆蓋效果，且質量輕，便于塔上安裝，大大降低了天線體積和重量，使天線的應用更加靈活。HT380002 相比HT300001 增加了2.5 dBm 的增益。它的相關電氣性能參數如表3 所示[3]。

3.3 試點范圍及站點規模

本次試點選擇了蘭新高鐵柳園至哈密、哈密至鄯善路段進行天線替換，并進行覆蓋對比測試（蘭新高鐵哈密全段由FDD1800 站點覆蓋）。

柳園至哈密涉及物理站點140 個、天面280 個；哈密至鄯善涉及物理站點125 個、天面250 個。柳園至哈密平均站間距1 120 m，區間問題站點數量6個；哈密至鄯善平均站間距1 115 m，區間問題站點數量11 個。站點區間分布如表4 所示。

基于機械創新設計大賽的卓越工程師培養模式是一種全新工程師培養模式的探索，它基于大學生機械創新設計大賽這個學科競賽，其目的不僅僅局限于只是比賽，而是要以賽促教、以賽促學。在這種培養模式中，卓越工程師是培養的目的、方向，學科競賽是途徑與方法，兩者互為動力，缺一不可。概括起來有以下幾方面：

表3 透鏡天線電氣性能參數

表4 站點區間的分布情況

3.4 測試驗證情況

3.4.1 連續覆蓋測試效果

如表5 所示，天線替換后，整體指標較替換前均有所提升。VoLTE 測試指標較替換前有明顯的提升，替換后VoLTE 全程呼叫成功率、VoLTE 掉話率均有所改善[4]。

（1）柳園至哈密段平均RSRP 值提升1.34 dBm，SINR較之前提升1.65 dB，綜合覆蓋率（RSRP＞-110 dBm 且SINR＞-3 dB）提升1.80%，下載速率提升1.11 Mb/s。

（2）哈密至鄯善段平均RSRP值提升1.2 dBm，SINR較之前提升1.25 dB，綜合覆蓋率（RSRP＞-110 dBm 且SINR＞-3 dB）提升2.15%，下載速率提升1.51 Mb/s。

3.4.2 掃頻測試效果

如表6 所示，全路段覆蓋測試情況如下：從整體掃頻來看，柳園至哈密、哈密至鄯善在進行天線替換后，覆蓋率和平均SINR基本相當。

如圖3 和圖4 所示，柳園至哈密、哈密至鄯善替換路段，RSRP基本穩定于-110～-75 dBm。SINR與RSRP相關性較大，RSRP ＜-120 dBm 時，出現少量SINR＜-3 dB 的情況。

表5 蘭新高鐵哈密段天線替換后ATU 測試對比

表6 蘭新高鐵哈密段天線替換后掃頻測試對比

圖3 RSRP 采樣點區間統計

圖4 SINR 采樣點分區間統計

如表7 所示，蘭新高鐵替換區域，弱覆蓋占比大于50%的弱覆蓋區域總計23。其中，柳園至哈密段弱覆蓋天線數量13 個，哈密至鄯善段弱覆蓋天面數10 個。替換后，該問題路段弱覆蓋均得到了解決。

如圖5 和圖6 所示，在對蘭新高鐵柳園至哈密、哈密至鄯善段進行透鏡天線替換后，經過前后測試對比，發現5G 網絡接收信號強度和信號質量均得到了明顯改善。

表7 天線替換后弱覆蓋路段問題解決情況

圖5 柳園至哈密天線替換前后RSRP 覆蓋圖對比

圖6 哈密至鄯善天線替換前后RSRP 覆蓋圖對比

4 結語

通過對蘭新高鐵哈密段突出弱覆蓋路段站點進行透鏡天線替換應用，明顯改善了局部覆蓋，使得整體覆蓋率和測試指標均有所提升，后續可應用于高鐵覆蓋場景區域[5]。經過應用試點，透鏡天線相對于常規平板天線能夠有效提升覆蓋水平和網絡質量，改善用戶體驗。