多頻多波束龍伯透鏡天線在海域覆蓋場(chǎng)景下的應(yīng)用

鄭洪振，高黎明

（佛山市粵海信通訊有限公司，廣東 廣州 528132）

0 海域無(wú)線通信的覆蓋距離

無(wú)線電波在海平面?zhèn)鞑r(shí)，傳播信號(hào)主要有通過(guò)空間傳播的直達(dá)波和經(jīng)過(guò)海面反射的反射波。由于傳播損耗很小，信號(hào)可以傳播到很遠(yuǎn)的地方，此時(shí)，地球表面不能再看作是平面，而應(yīng)看作球面，需要考慮地球曲率對(duì)信號(hào)傳播的影響。另外，處于傳播路徑上的島嶼等也會(huì)對(duì)信號(hào)傳播產(chǎn)生陰影效應(yīng)，因此總體上無(wú)線傳播環(huán)境與農(nóng)村開(kāi)闊地近似。根據(jù)Jhong Sam Lee 和Leonard E.Miller 的觀點(diǎn)，在超高頻和甚高頻頻段無(wú)線電波地對(duì)地傳播模型中，地球?qū)﹄姴▊鞑ビ绊懙拇笮∪Q于傳播路徑的長(zhǎng)短。傳播路徑越長(zhǎng)，影響越大，反之則越小[3]。無(wú)線視距與基站天線高度和移動(dòng)臺(tái)天線高度密切相關(guān)，其關(guān)系如圖1 所示。

圖1 視距覆蓋示意圖

如圖1 所示，R0為地球半徑；HT為基站天線掛高，HR為移動(dòng)臺(tái)天線掛高，則視距d（m）可由式(1)表示：

由于R0>>HT，且R0>>HR，所以式(1)可以簡(jiǎn)化為式(2)：

考慮地球半徑R0=6 370 km，由式(2)可得：

由于空氣的壓力、溫度、濕度隨著高度而變化，介電常數(shù)也隨高度的增加而減小。由于高空中空氣稀薄，介電常數(shù)隨高度的增加而逐漸趨于1，這使得無(wú)線電波在對(duì)流層中的傳播軌跡不是直線而是沿地球曲率方向的曲線，即無(wú)線電波在對(duì)流層中傳播時(shí)出現(xiàn)折射。在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射下，修正后得到的視距公式為：

其中，HT為基站天線掛高，單位為m；HR為移動(dòng)臺(tái)高度，單位為m；d為基站覆蓋半徑，單位為km。

對(duì)于海面覆蓋，由于無(wú)線電波傳輸?shù)膿p耗很小，因此無(wú)線信號(hào)傳播距離很遠(yuǎn)。此時(shí)還需考慮地球曲率對(duì)海面?zhèn)鞑サ挠绊?，不能繼續(xù)把海面視作平面。如圖2 所示：

圖2 地球曲率影響

如圖2 所示，可以將海面?zhèn)鞑キh(huán)境按距離分為A、B、C 三段。

A 段：從基站到基站可視為點(diǎn)到點(diǎn)，距離設(shè)為d1；

B 段：從基站可視點(diǎn)到基站和終端合并可視點(diǎn)之間距離設(shè)為d2；

C 段：超過(guò)基站和終端合并可視點(diǎn)的地球陰影區(qū)域。相當(dāng)于地球曲率增大到原來(lái)的4/3，這樣，就相當(dāng)于在一個(gè)半徑為Re=6375×4/3=8 500 km 的球體上進(jìn)行的直線傳播。

經(jīng)過(guò)分析，A 段的長(zhǎng)度d1（km）與天線掛高H（m）的關(guān)系為：。

同樣，B 段的長(zhǎng)度d2（km）與終端的天線掛高Hr（m）的關(guān)系為：。

由于d=d1+d2為等效球體上直線可視的距離，這部分稱為視距。

為了得到更遠(yuǎn)的覆蓋，需要使天線的掛高盡量高。但若天線掛高太高，會(huì)造成基站的越區(qū)覆蓋和鄰近小區(qū)的導(dǎo)頻污染，因此沿海覆蓋時(shí)必須考慮天線掛高的問(wèn)題。視距與天線掛高的關(guān)系，如表1 所示。

表1 天線掛高與覆蓋距離關(guān)系

1 多頻多波束龍伯透鏡天線實(shí)現(xiàn)海域廣覆蓋技術(shù)方案設(shè)計(jì)

1.1 龍伯透鏡原理

龍伯透鏡天線最早是由RK-Luneberg 于20 世紀(jì)40 年代根據(jù)幾何光學(xué)法提出的，它是一種球?qū)ΨQ的介質(zhì)透鏡天線，是由一個(gè)介電常數(shù)連續(xù)變化的電介質(zhì)球體構(gòu)成的[2]，如圖3 所示。介質(zhì)球內(nèi)的相對(duì)介電常數(shù)沿球體半徑呈球?qū)ΨQ分布，由于龍伯透鏡在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，因此，在其表面上任意一點(diǎn)放置饋源，都可以形成高增益定向波束，非常適合多頻多波束天線設(shè)計(jì)。

圖3 龍伯透鏡原理

1.2 龍伯透鏡天線與板狀天線性能對(duì)比

龍伯透鏡天線支持超寬頻率范圍，可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模應(yīng)急通信保障、網(wǎng)絡(luò)大容量擴(kuò)容改造及5G 移動(dòng)通信大容量、高話務(wù)場(chǎng)景。與現(xiàn)網(wǎng)使用的海域覆蓋天線相比，龍伯透鏡天線具有以下幾個(gè)性能特點(diǎn)：

（1）龍伯透鏡天線可以支持0.5—2.7 GHz 頻段，基本涵蓋了當(dāng)前所使用的全部頻段，例如4G 的D/E/F 等頻段，同時(shí)也支持5G 當(dāng)前所使用的2.6 G 頻段。

（2）在1 710 MHz 頻率，垂直波束3 dB 瓣寬接近18°，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)天線（15 dBi 板狀天線典型值7°）。垂直波束很寬因此可以得到良好的站下覆蓋效果，深度覆蓋效果更加理想。

（3）球形龍伯透鏡天線垂直波寬、交叉極化比對(duì)比傳統(tǒng)板狀天線有明顯優(yōu)勢(shì)。

（4）同等體積下龍伯透鏡天線更容易構(gòu)成更多數(shù)量及維度的多波束。

對(duì)于海域覆蓋，不僅需要做到對(duì)海面的連續(xù)覆蓋和深度覆蓋，有時(shí)候還需要考慮重點(diǎn)區(qū)域的覆蓋，如旅游景區(qū)、港口、捕魚(yú)作業(yè)區(qū)、海產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)、油井的覆蓋等。這些區(qū)域不僅需要解決覆蓋率的問(wèn)題，還需要保證有足夠的話務(wù)容量和話音質(zhì)量。透鏡天線和現(xiàn)網(wǎng)海域覆蓋天線的比較如表2 所示。

表2 透鏡天線和現(xiàn)網(wǎng)海域覆蓋天線性能比較

1.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

圖4 為一般無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，網(wǎng)絡(luò)仿真是規(guī)劃流程的重要組成部分。通過(guò)仿真，能更精確地預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)容量、覆蓋和性能，能提供比手動(dòng)規(guī)劃更詳細(xì)的分析結(jié)果。通過(guò)仿真，可以了解網(wǎng)絡(luò)建成后的大致情況，從而更合理估計(jì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和投資規(guī)模。目前，幾乎所有的主流設(shè)備商都會(huì)在建網(wǎng)前后對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真調(diào)整。

圖4 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃流程

本次仿真采用Aircom 公司的Enterprise（3G）軟件，仿真流程包括仿真準(zhǔn)備和仿真過(guò)程兩部分。不同軟件在細(xì)節(jié)上有所不同，但是一些基本信息的建立都是必需的。圖5 是以Enterprise 軟件為例顯示仿真的流程示意圖。

圖5 仿真流程圖

仿真預(yù)測(cè)中，用戶容量的分配采用離散移動(dòng)臺(tái)蒙特卡羅（Monte-Carlo）分析方法，仿真移動(dòng)話務(wù)量分布，并對(duì)上行鏈路及下行鏈路進(jìn)行分析，整個(gè)預(yù)測(cè)過(guò)程要迭代進(jìn)行，直到發(fā)射功率達(dá)到穩(wěn)定值。在多次系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。通過(guò)分析覆蓋、干擾、反向功率和切換狀況等輸出結(jié)果，評(píng)估規(guī)劃方案。如果覆蓋質(zhì)量等未能滿足要求，需進(jìn)行站點(diǎn)優(yōu)化，常用的優(yōu)化措施包括調(diào)整基站位置、數(shù)量、發(fā)射功率、天線方向的高度等，然后重新進(jìn)行仿真運(yùn)算，這是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，直至滿足各項(xiàng)需求。

1.4 天線類型、電子地圖及傳播模型選擇

遠(yuǎn)站站間距控制在18 km 以內(nèi)，近站站間距控制在4～8 km，近遠(yuǎn)站站間距在4～6 km。近站距離鄰站在4 km 左右時(shí)，建議選用20.1 dBi/32.5（天線增益20.1 dBi，水平半功率角為32.50，以下同）的天線；近站距離鄰站在4～6 km 時(shí)，建議選用17 dBi/65 的天線；近站距鄰站在6～8 km 時(shí)，建議選用17 dBi/65 或者17 dBi/90 天線。根據(jù)實(shí)際情況，考慮采用雙扇區(qū)或者調(diào)整扇區(qū)方位角以達(dá)到覆蓋目標(biāo)。

電子地圖：本次仿真所使用的電子地圖精度是50 m。

傳播模型：本次仿真，采用Okumura-Hata[4]的通用傳播模型，根據(jù)海域傳播的特點(diǎn)，選用的海域傳播模型如下：K1=139.58，K2=44.90，K3=-2.55，K4=0，K5=-13.82，K6=-6.55，K7=0.7。其中：K1和K2為截距和斜率，它們對(duì)應(yīng)于一個(gè)固定偏移量和基站與移動(dòng)臺(tái)之間距離的對(duì)數(shù)值的復(fù)用因子；K3是移動(dòng)臺(tái)天線的高度因子，通常為天線有效高度；K4是復(fù)用因子；K5是有效基站天線高度的增益因子；K6是Okumura-Hata 模型的復(fù)用因子；K7是衍射系數(shù)，是衍射計(jì)算的復(fù)用因子。

1.5 天線參數(shù)

700 MHz 頻段站點(diǎn)安裝龍伯透鏡天線（EHS1LB063A），天線具體參數(shù)如表3 所示，天線方向圖如圖6 所示，天線實(shí)物圖如圖7 所示。

表3 天線性能參數(shù)

圖6 天線方向圖

圖7 天線實(shí)物圖

此次使用的龍伯透鏡天線增益小于現(xiàn)網(wǎng)的4448 天線，參見(jiàn)表4：

表4 龍伯透鏡天線與4448天線的增益對(duì)比

2 多頻多波束龍伯透鏡天線海域覆蓋驗(yàn)證

703—798 MHz 頻段是為5G 移動(dòng)通信開(kāi)辟的，因空間傳輸損耗低，更有利于遠(yuǎn)區(qū)覆蓋。測(cè)試目的是驗(yàn)證703—798 MHz 頻段在海域場(chǎng)景下的遠(yuǎn)距離覆蓋和擴(kuò)容效果，測(cè)試地點(diǎn)為山東煙臺(tái)。

2.1 測(cè)試工作準(zhǔn)備

由山東煙臺(tái)移動(dòng)市公司協(xié)調(diào)測(cè)試船只（船高29 m，航線滿載3 000 人左右），確認(rèn)測(cè)試日期，盡量考慮風(fēng)小浪小，可出海較遠(yuǎn)距離。測(cè)試設(shè)備清單如下：

（1）GPS 3 個(gè)；

（2）華為CPE PRO 1 個(gè)；

（3）板狀天線（SMA內(nèi)針，SMA口和IPEX轉(zhuǎn)接線）2個(gè)；

（4）Mate 40 pro 手機(jī)5 部；

（5）便攜PC 2 臺(tái)（1 主+1 備）；

（6）輔料：插排2 個(gè)、扎帶若干、膠帶1 卷。

2.2 站點(diǎn)情況

選取GGH050651R_ 救撈局西_ 救撈局作為測(cè)試站點(diǎn)，安裝龍伯透鏡天線，測(cè)試站點(diǎn)高度為169 m（海拔129 m+掛高40 m），機(jī)械角、電子下傾角調(diào)整為0。測(cè)試站點(diǎn)環(huán)境如圖8，測(cè)試站點(diǎn)位置、場(chǎng)景參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 測(cè)試站點(diǎn)的位置、場(chǎng)景參數(shù)

圖8 測(cè)試環(huán)境

基站天線掛高為169 m，移動(dòng)終端高度估算3 m，用式(4)計(jì)算的視線距離是60.7 km，大于此距離進(jìn)入半陰影區(qū)，加上船體對(duì)電磁波的遮擋，信號(hào)很不穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果會(huì)有很大偏移。因此，超過(guò)60 km 的數(shù)據(jù)僅具有參考意義。

2.3 測(cè)試方案

本次測(cè)試選用各頻段站點(diǎn)的1、2 小區(qū)，共安裝兩個(gè)龍伯透鏡天線，經(jīng)過(guò)對(duì)比RRU 采用4T4R（4 發(fā)4 收），即每個(gè)小區(qū)占用兩個(gè)龍伯透鏡天線一側(cè)波束，與RRU采用2T2R（2發(fā)2 收），即一個(gè)小區(qū)各占用一個(gè)龍伯透鏡天線比較，采用4T4R 同位點(diǎn)RSRP 高2 dB 左右，下載速率提高50 Mbps，上傳速率提高20 Mbps，因此測(cè)試采用4T4R 方案。

每個(gè)小區(qū)占用兩個(gè)龍伯透鏡天線一側(cè)波束，其中1 小區(qū)連接兩個(gè)龍伯透鏡天線的左側(cè)波束，2 小區(qū)連接兩個(gè)龍伯透鏡天線的右側(cè)波束。利用改裝CPE 對(duì)703—798 MHz頻段進(jìn)行拉遠(yuǎn)測(cè)試。

2.4 測(cè)試結(jié)果

（1）龍伯透鏡天線航線拉遠(yuǎn)測(cè)試。對(duì)加載龍伯透鏡天線小區(qū)進(jìn)行拉遠(yuǎn)測(cè)試，在CPE 測(cè)試703—798 MHz 同時(shí)進(jìn)行上傳下載測(cè)試，移動(dòng)700 M 約在75.6 km 處脫網(wǎng)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 龍伯透鏡天線航線拉遠(yuǎn)測(cè)試結(jié)果

（2）703—798 MHz CPE 拉遠(yuǎn)測(cè)試覆蓋距離，測(cè)試路徑如圖9。

圖9 703—798 MHz CPE拉遠(yuǎn)測(cè)試路徑

（3）龍伯透鏡天線與普通天線各頻段覆蓋情況對(duì)比。703—798 MHz 頻段使用龍伯透鏡天線覆蓋特性最遠(yuǎn)可覆蓋75.6 km，邊緣RSRP 值為-113.39 dBm。同RSRP 值時(shí)，普通天線最遠(yuǎn)可覆蓋77.6 km。覆蓋距離為45 km 內(nèi)，龍伯透鏡天線下載速率普遍高于普通天線。龍伯透鏡天線與普通天線測(cè)試路線如圖10，CPE 測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表7。

表7 CPE測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖10 龍伯透鏡天線與普通天線測(cè)試路線

（4）703—798 MHz 龍伯透鏡天線海域覆蓋效果

經(jīng)過(guò)測(cè)試，龍伯透鏡天線在703—798 MHz 頻段的增益與普通天線大致相同，且因龍伯透鏡天線信號(hào)在超遠(yuǎn)距離穩(wěn)定性好，下載速率有明顯提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋的日驅(qū)完善和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)海面信號(hào)覆蓋的日益重視，海面信號(hào)覆蓋的投入勢(shì)必加大。龍伯透鏡天線以其高增益且多頻多波束的特性，使信號(hào)距離海岸線60 km 的航線覆蓋率達(dá)到90% 以上，重點(diǎn)覆蓋區(qū)域移動(dòng)通信信號(hào)可以覆蓋至100 km 以上。隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)的全面應(yīng)用，在海面作業(yè)的移動(dòng)手機(jī)用戶不僅可以和家人、朋友保持暢通無(wú)阻的話音通信，還可以流暢地通過(guò)手機(jī)撥打視頻電話、瀏覽網(wǎng)頁(yè)、欣賞圖片、觀看高清晰的視頻和電視節(jié)目，使枯燥無(wú)味的海上生活變得豐富多彩。