龍勃透鏡天線在高鐵場景下的應用研究

刁楓，劉航，符凱，趙明峰

（1.中國移動通信集團四川有限公司，四川 成都 610000；2.中國移動通信集團設計院有限公司四川分公司，四川 成都 610045）

0 引言

當前，4G經過多輪投資建設后逐步邁入尾聲，4G網絡已是較為成熟的網絡。根據工信部發布的2020年通信業數據統計，4G用戶總數達到12.89億戶，4G終端滲透率達到80.8%。而當前5G作為新基建重要組成部分已上升為國家戰略，處于大規?？焖俳ㄔO階段，導致投資建設重點轉移到5G方向，但移動4G業務發展仍然迅猛，不限流量套餐持續推廣帶來數據流量呈爆發式增長，4G資源需求依舊旺盛，尤其新增的高速/高鐵等干線場景資源缺口較大，現有的匹配資源難以滿足不斷涌現的需求。因此，在新增投資及資源極度短缺的現實情況下，如何利用新技術、新產品低成本、高效地解決當前新增高速/高鐵等干線場景覆蓋、以及已有高鐵干線場景弱覆蓋需求，就成為網絡規劃建設亟需解決的問題[1-3]，也是未來很長一段時間內整個網絡優化與規劃領域最為重要的工作之一。

由于龍勃透鏡天線目前有單波束和多波束兩大類較為成熟的產品，多波束主要解決容量、廣域覆蓋場景，單波束主要解決高速/高鐵等干線場景覆蓋，目前應用較為廣泛的是單波束。為此，本文主要討論單波束龍勃透鏡天線在高鐵場景下的應用，結合大量現場測試驗證與分析，給出龍勃透鏡天線在高鐵場景下的具體應用建議，為低成本、高效解決當前高鐵干線場景覆蓋提供技術參考。

1 龍勃透鏡天線簡介

龍勃透鏡（Luneburg lens）最早是由德裔美國數學家魯道夫·卡爾·盧納伯格（Rudolf Karl Lüneburg）于1944年提出[4-5]。該透鏡天線的原理為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。該工作原理與光學透鏡聚焦原理相似，其優點主要體現在五個方面：1）焦點、圓心、平面波方向在一條直線上，更易實現窄波束高增益，滿足線狀場景覆蓋；2）不同位置波束形狀相同，更加容易實現多波束；3）無極化特性，滿足單極化、雙極化±45/HV、圓極化；4）波束陡降，多波束時波束之間的干擾較小，交疊帶窄，大容量場景擴容能力較好；5）在相同增益下，垂直波寬約是板狀天線的3～4倍，有效提升覆蓋的深度。傳統天線與龍勃透鏡天線的信號輻射效果如圖1所示。

圖1 傳統天線與龍勃透鏡天線的信號輻射效果對比

現有廠商生產的單波束龍勃透鏡天線主要以2/4/6/8端口四類型號為主，由于受專利保護等限制，當前外形主要以圓柱體和球形為主，共同滿足的主要電氣性能參數如表1所示。

表1 單波束龍勃透鏡天線電氣性能參數

2 高鐵場景下的龍勃透鏡天線應用策略

2.1 龍勃透鏡天線覆蓋能力與選型策略

當前，高鐵車體主要分為和諧號和復興號兩種類型，車速以最高250 km/h考慮，結合龍勃透鏡天線高鐵試點應用情況和分析結論，綜合考慮地形地貌、站軌距、天線相對鐵軌掛高和入射角，以及小區間切換重疊帶預留等因素，我們將高鐵場景以不同頻率覆蓋（1 800 M/(F/A)/D）為基礎，并結合劃分的密集城區、一般城區、郊區和農村等四類場景，采用Cost-231 HATA為高鐵鏈路預算的傳播模型，通過鏈路預算得出天線主瓣方向小區覆蓋半徑SPM，再結合站址到鐵軌垂直距離L，根據三角公式計算出極限最小入射角θ和小區投影到鐵軌最大覆蓋距離D，從而結合站間距計算出小區重疊覆蓋區距離M，如圖2所示。

圖2 高鐵覆蓋能力測算示意圖

圖中d1表示終端位于待切換的目標小區電平值高于源小區2 dBm對應天線到終端的距離，d2表示終端處于兩個站點中心位置所對應天線到終端的距離。進一步地，當極限最小入射角θ小于10°時，無線信號存在躍變，如圖3所示，我們以近似直線斜率對最大允許路損PL（d）進行修正，得到修正后的PL（d）’=PL(d)-(1-θ/10)×8。

圖3 入射角與損耗值對應關系

根據高鐵網絡規劃要求，小區間切換預留200 m重疊帶。在此基礎上，根據龍勃透鏡天線廠家提供的天線覆蓋能力，并結合省內外龍勃透鏡天線高鐵試點應用情況，因為不同頻率（1 800 M/(F/A)/D）下覆蓋能力受限于頻率高低，我們僅靠考慮D頻段受限下的覆蓋能力評估，采用Cost-231 HATA模型進行覆蓋能力評估。

Cost-231 HATA模型如下：

其中f表示頻率，ht表示基站天線等效高度，hr表示移動臺等效高度，d表示收發間的距離。

通常市區環境修正參數cM在中等規模城市和郊區取值為0 dB，大型城市取值為3 dB。

進一步地，考慮到復興號和和諧號的穿透損耗差異，我們分別列出在不同天線掛高和站軌距下的相應覆蓋能力評估結果，如表2所示。

表2 不同站軌距/天線相對鐵軌掛高的龍勃透鏡天線有效覆蓋鐵軌距離（D頻段）

相對于現有高鐵所采用的傳統高增益天線，龍勃透鏡天線的水平波瓣寬度相對更窄，有效覆蓋鐵軌軌行區的范圍大大收縮。因此，在高鐵場景下，應結合現場環境、站軌距以及天線支持設備能力等多重因素綜合考慮，采用龍勃透鏡天線+傳統板狀天線相結合的方式進行覆蓋，具體的高鐵覆蓋天線選型策略和覆蓋距離評估如圖4所示。

圖4 高鐵場景下的天線選型與覆蓋能力評估流程

線路的彎曲角度是指以天線的主瓣方向覆蓋最遠端連線與天線引出的線路最大彎曲點的切線夾角，基于該評估流程，可有效地將規劃站點位置、天線掛高、站軌距、視通情況、以及待覆蓋軌行區線路情況、小區切換等多重因素結合起來，通過上述流程和步驟綜合判斷龍勃透鏡天線的適用場景。對于無法滿足的場景，可靈活采用傳統的高增益板狀天線進行覆蓋，有效提升整條高鐵線路的規劃質量，達到節約投資的目的。

2.2 實例分析

為驗證龍勃透鏡天線在高鐵場景下的覆蓋能力，我們以某條高鐵線路作為試點驗證，選取“柏合二河村17組”和“柏合二河村24組”作為透鏡天線覆蓋能力測試試點，將中間的站點“柏合二河村16組高鐵專網”閉站進行測試驗證，其中柏合二河村17組和24組兩個站點的掛高為28 m，站間距為1 300 m，站軌距分別為110 m和130 m，采用6端口的龍勃透鏡天線，接入FDD 1 800 M、LTE F和D三個頻段，站點相應示意圖如圖5所示。

圖5 試點驗證站點情況

基于上述的站點方案，我們對采用龍勃透鏡天線替換天線前后進行了對比測試，結合后臺指標，相應指標統計對比結果如表3所示。

表3 龍勃透鏡天線試點測試指標對比分析結果

從試點測試指標對比結果來看，相對于傳統天線，覆蓋、性能等各項指標提升較為明顯，能夠有效提升覆蓋距離，顯著節約站址資源。

3 結束語

隨著材料、工藝各方面的技術成熟，龍勃透鏡天線作為一種新型的天線將在5G網絡建設中扮演重要的角色。本文從龍勃透鏡天線的性能特點出發，給出了該天線在高鐵場景下的覆蓋能力評估，以及相應選型適用條件，并以實例進行了相應驗證，充分論證說明了龍勃透鏡天線的適用價值，能夠有效發揮其優勢，助力運營商節約投資，提升高鐵網絡的覆蓋效果。