龍勃透鏡天線在高容量場景的應用研究

李在勇　雷振

【摘要】? ? 本文主要應用龍勃透鏡天線，利用其具有多波束、方向性強等特點實施高密度小區覆蓋方案，提升單個宏站的容量和用戶感知，減少新增站址資源，達到“降本增效”的目的，解決學校等業務熱點區域LTE網絡無線資源利用率高，上網速率慢，用戶感知差，擴容困難的問題。

【關鍵詞】? ? 龍勃透鏡天線? ? 高容量場景? ? 校園場景? ? 高密度組網

一、概述

隨著國家“提速降費”政策的實施，電信運營商不斷的降低移動通信流量價格，移動網絡的流量業務高速發展，網絡直播、網絡短視頻、網絡游戲等大量數據應用涌現，LTE網絡的容量問題日益明顯;另一方面5G網絡尚未普及，5G用戶終端的占比還比較低，5G網絡分流量較小。因此解決高校等熱點區域的LTE網絡的容量問題仍是近期提升用戶感知的重點。

而從網絡側來看，為提高LTE網絡容量一般采用室分小區分裂、宏站增加異頻小區擴容或增加物理站址的方式。隨著移動通信網絡組網密度的增加，通過上述組網方式來提升容量的瓶頸也越來越明顯。特別是宏站擴容方式面臨著運營商頻段有限、基站干擾嚴重、物理站址協調困難等問題。

隨著龍勃透鏡天線技術成熟，其具有更適合多波束，輻射單元更少，饋電網絡更簡單，可靠性更高，用電更少，功耗更低，重量更輕等特點。本文基于龍勃透鏡天線多波束的特點，研究高密度小區覆蓋方案，提升單點宏站的容量和用戶感知，減少新增站址資源，達到“降本增效”的目的。

二、龍勃透鏡天線介紹

龍勃透鏡，也叫龍伯透鏡，英文名Luneburg lens。這種透鏡的模型最早由美國數學家魯道夫·卡爾·盧納伯格（Rudolf Karl Luneburg）在1944年提出。龍勃透鏡工作原理與光學透鏡聚焦原理相似，利用多層介質球體的折射特性，將單個天線單元的低增益、寬波束的電磁波信號匯集成高增益、窄波束的電磁波信號。不同于普通透鏡寬頻的焦點不在同一物理位置上，龍伯透鏡滿足超寬頻的焦點都在同一個位置。接收信號時，把平面波通過透鏡層層折射后聚焦為一點，被饋源接收;發射信號時，在透鏡焦點處置一信源發射電磁波后，通過透鏡折射后變成平面波。

龍勃透鏡天線采用低介電常數的輕質發泡材料，在發泡材料之間填充特殊人工合成材料，使球體的介電常數由內向外漸變，其特點體積小，重量輕，帶寬寬，極化特性好，輻射單元簡單，損耗小，天線整體效率高，安裝簡單便捷。與常規板狀天線比較，總體上來講，龍勃透鏡天線具有設計簡單，重量輕，體積小，風阻小的特點。

目前龍勃透鏡天線有單波束天線、 多波束天線、賦形天線三種。

單波束天線具有增益高，在3.5G頻段可達25dBi的特點。與板狀天線相比，同等增益的龍勃透鏡天線有效覆蓋距離增加50%以上;同等增益下垂直波寬比板狀天線寬2.5倍以上，有利于強信號深度覆蓋，特別適用于狹長的地帶縱深覆蓋，如橋梁，隧道，高鐵等場景。

多波束天線具有端口隔離度高;方向圖邊緣滾降陡，水平旁瓣低，波束間的干擾小;容易實現立體多波束，所有波束的增益一致，覆蓋更均勻;天線整體損耗小，效率高;水平波束指向在整個頻段內固定不變;每個單元形成一個波束，設計簡單，天線可靠性高;天線重量輕等特點。特別適合場館、車站、廣場、高校、應急通信車等場景。

賦形天線易于實現特殊場景覆蓋的賦形方向圖具有饋電網絡簡單;天線整體損耗小;天線效率高;天線的體積小，重量輕的特點。特別適用于高鐵，高速公路 ，場館等特殊場景覆蓋。

三、龍勃透鏡天線在高容量場景的應用驗證

3.1應用環境

河南科技職業大學占地1200多畝，建筑面積38萬多平方米，擁有專任教師800多人，全日制在校生11000余人，校內有教學樓、宿舍樓、食堂、操場等多個場景，是典型的熱點區域、高容量場景。校內LTE網絡覆蓋方式為：以6個宏站做廣覆蓋、每棟宿舍樓做室內分布吸熱的形式部署。目前校內LTE網絡覆蓋良好，室內分布系統以小區分裂的形式做了擴容，網絡利用率基本正常，用戶感知良好。部分宏站目前雖已做了帶外擴容，但網絡利用率仍然居高不下，用戶感知較差，急需改善容量問題。

3.2試點龍勃透鏡天線選型

根據龍勃球天線的參數特性，本次測試使用的兩個龍勃透鏡天線是4波束天線，每個波束的水平半功率角30度，垂直半功率角30度，分別替換北操場南基站第一扇區和南操場東基站第三扇區，進行高密度覆蓋。替換后北操場南基站第一扇區采用4個波束每個波束1個1800MhzRRU，另外第一波束合路一個2100Mhz RRU的形式，共使用了5個RRU，總帶寬140M，理論容量是之前1800MhzRRU+2100MhzRRU部署方式的2.8倍;南操場東基站第三扇區采用4個波束每個波束1個2100MhzRRU的形式，共使用了4個RRU，總帶寬80M，理論容量是之前單1800MhzRRU部署方式30M帶寬的2.67倍。

3.3應用效果評估

經過龍勃透鏡天線改造，并對校園的LTE網絡覆蓋進行了一輪優化后，在學校里進行DT掃頻測試，并對改造前后的指標進行了對比分析如下。

3.3.1天線改造前后覆蓋對比

更換龍勃球天線后，通過DT測試，北操場南基站周圍平均RSRP由-78.07DBm提升至-75.04DBm，提升3.03DBm，大于-85DBm采樣點占比由72.7%提升到83.4%，提升10.7%;南操場東基站周圍平均RSRP由-79.15DBm提升至-75.18DBm，提升3.97DBm，大于-85DBm采樣點占比由74.8%提升到81.6%，提升6.8%。;基站周邊的覆蓋明顯改善。

3.3.2天線改造前后干擾對比

更換龍勃球天線后，北操場南基站周圍平均SINR由7.15提升至8.36，提升1.21，SINR大于6采樣點占比由56.4%提升到70.7%，提升14.3%;南操場東基站周圍平均SINR由7.09提升至8.49，提升1.4，SINR大于，6采樣點占比由51.2%提升到60.3%，提升9.1%。;基站小區間的干擾情況得到了有效控制。

3.3.3天線改造前后感知對比

在更換龍勃球天線后，北操場南基站周圍速率由38.83Mbps提升至54.13Mbps，提升15.3Mbps，速率小于5Mbps采樣點占比由15.3%減少到4.5%，降低10.8%;南操場東基站周圍平均速率由20.18Mbps提升至30.57Mbps，提升10.39Mbps，速率小于5Mbps采樣點占比由34.5%減少到16.4%，降低18.1%。。

對天線改造前投訴過上網速度慢、玩游戲卡頓的12名校內用戶進行回訪，用戶全部表示滿意。其中10名用戶表示上網或玩游戲體驗正常，2名用戶表示上網速度有改善。

3.3.4天線改造前后日均流量對比

通過查詢網管指標，天線改造為龍勃透鏡天線前北操場南基站和南操場東基站日均總流量397.6GB，改造后提升為日均649.3GB，提升63.3%。

3.3.5天線改造前后PRB資源利用率對比

天線改造前兩基站的平均PRB資源利用率最大值73.21%，天線改造后兩基站PRB資源利用率變化較平緩，最大值為41.24%，基站資源的整體利用率高的情況得到緩解。同時由于龍勃透鏡天線的覆蓋性能較好，可以對室內流量進行吸收，有效的解決了校園高容量場景的潮汐效應問題。

四、結束語

通過對河南科技職業大學北操場南和南操場東兩個基站的高業務小區進行普通平板天線替換為4波束龍勃透鏡天線改造后的指標對比，表明在高容量場景龍勃透鏡天線相對傳統平板天線具有覆蓋效果好、干擾控制容易、容量大、能有效解決容量潮汐效應等優點，能夠提升網絡覆蓋水平和質量，改善用戶體驗，降低用戶投訴。在實際應用中也要注意到目前龍勃透鏡天線的成本較高，需要綜合考慮多種其他容量解決方案。

參? 考? 文? 獻

[1]曾召華，LTE基礎原理與關鍵技術，西安電子科技大學出版社，2010.

[2]張明和，深入淺出4G網絡—LTE/EPC，人民郵電出版社，2016.

[3]董江波.無線網絡規劃設計類工具實操指南[M].北京：人民郵電出版社，2020：56-62.

[4]劉威.無線網絡技術[M].北京：電子工業出版社，2012：45-51.

[5]周峰，高峰，張武榮，等移動通信天線技術與工程應用[M1.北京：人民郵電出版社，2015：73-76.

[6] Joseph JC.實用天線手冊[M].劉佳琪，張生俊，王明亮，等譯北京：電子工業出版社，2015：61-64.