透鏡天線在居民小區的應用探討*

查 昊，朱巧玉

（1.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.中國聯合網絡通信有限公司江蘇省分公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

隨著4G 和5G 移動通信技術的普及與業務迭代發展，大型城市的虹吸效應越來越強，以及城市區域的不斷擴大，居民住宅小區的數量持續增多，居民對于移動網絡的需求日益增強，而小區樓宇的覆蓋場景日益復雜，僅依賴室外射燈天線的覆蓋方式無法達到預期效果。而采用傳統的樓內分布式天線系統（Distributed Antenna System，DAS）覆蓋技術，總擁有成本（Total Cost of Ownership，TCO）居高不下。在確保網絡性能的前提下，如何對居民住宅小區進行有效的覆蓋建設，已成為當前運營商關注的核心問題[1]。

在網絡規劃、建設和優化的長期過程中，由于地理位置和無線環境因素的影響，如傳統天線覆蓋能力的有限性等因素，現網中長期存在難以解決的弱覆蓋問題[2]。特別是在通信場景中占據重要地位的城區，網絡結構的不斷完善使得深度覆蓋問題成為當前通信領域最重要的挑戰之一。為此，本文將探討透鏡天線在相同測試條件下，在環境復雜的小區場景中，能否實現對傳統射燈天線更有效、更有深度的區域覆蓋，從而為解決現網中的疑難問題提供一種可選擇的深度覆蓋方案。

1 透鏡天線原理及產品介紹

本文討論的透鏡是當前廣泛應用的Luneburg 透鏡。Luneburg 透鏡天線因其特有的徑向折射率分布結構，可以將天線的球面波轉換為平面波，進而精確控制天線的波束方向[3-5]。

具體而言，天線位于Luneburg 透鏡的焦點位置，其發出的球面波進入透鏡區域后，依據折射定律，會向透鏡中心高折射率的區域折射，透鏡的折射率則從中心向外逐漸降低[6-7]。這種梯度分布的透鏡能夠將各個方向的球面波轉換為具有相同特性的平面波，進而從透鏡表面射出的電磁波形成很窄的平面波束。這種結構不僅避免了天線測向錯誤，還使得天線能夠準確指向目標方向。此外，這種折射率結構還可以讓Luneburg 透鏡天線具有較高的增益[8-9]。相比之下，普通天線的波束較寬，且具有一定的曲率。因此，Luneburg 透鏡天線能夠形成指向性強且寬度較窄的平面波束。

利用Luneburg 透鏡天線的這些特點，可以形成多波束天線和賦形天線。利用Luneburg 透鏡天線形成的多波束天線的特點有：端口隔離度高，方向圖邊緣滾降陡，水平旁瓣低，波束間干擾小；易于實現立體多波束；所有波束的增益一致，覆蓋更均勻；天線損耗小，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，重量輕；特別適合場館、車站、廣場、高校和應急通信車等場景。常規板狀天多波束天線與透鏡多波束天線的方向圖對比如圖1 所示[10]。

圖1 常規板狀天多波束天線與透鏡多波束天線方向圖對比

利用Luneburg 透鏡天線形成的賦形天線的特點有：易實現特殊場景覆蓋的賦形方向圖；饋電網絡簡單，天線整體損耗小、效率高；天線體積小、重量輕；特別適用于高鐵、高速公路、體育館等特殊場景覆蓋。透鏡賦形天線場館覆蓋示例如圖2 所示[10]。

圖2 透鏡賦形天線場館覆蓋示例

2 透鏡天線居民小區場景驗證

在3 種類型的典型住宅小區場景下，對新老天線的替換進行深入的測試研究，旨在全面評估網絡覆蓋的全貌和天線性能的優劣。

2.1 場景1：低層覆蓋高層樓宇

2.1.1 測試概述

在某小區的1#棟25F（高度約為75 m），對其對面的2#棟32F（高度約為96 m）的高樓層區域進行覆蓋。兩棟樓之間的距離在50 m 左右。原先的設計方案采用了2.1 GHz，雙發雙收（Two Transmit Two Receive，2T2R）的遠程射頻單元（Remote Radio Unit，RRU），其TX1/RX1 端口與電梯分布系統相連。而TX2/RX2 端口則通過兩個功分器分出，接上射頻纜線，并外接了4 副單極化普通射燈天線，每兩副天線覆蓋一個單元。這個場景主要是驗證RRU 連接單極化射燈天線對密集高層小區的穿透能力。由于樓宇之間的落差較大且結構復雜，計劃將2 個單極化射燈天線3 和4 替換為一面垂直雙波束透鏡天線，以覆蓋2#棟的2 單元。本文將在相同的站址環境下，對比兩種天線的覆蓋效果。具體的實施過程如圖3 和圖4所示。

圖3 低層打高層原射燈天線覆蓋

圖4 1#棟替換透鏡天線

2.1.2 測試比對及評估

本節將對比分析低層覆蓋高層樓宇的場景下，射燈天線與Luneburg 透鏡天線的性能差異。以下是表1 的內容，它詳細列出了在不同樓層測試位置的網絡性能指標，包括物理小區ID（Physical Cell Identities，PCI）占比、平均參考信號接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP）、平均信干噪比（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio，SINR）及覆蓋率等，以便于評估天線在實際應用中的表現。其中，PCI 占比表示在特定區域內，PCI信號覆蓋的百分比，RSRP 衡量接收到的信號強度。SINR 衡量信號質量，覆蓋率表示信號強度超過特定閾值（例如，-105 dBm，3 dB）的區域百分比。

表1 低層打高層射燈天線與透鏡天線指標對比

經觀察，2F、3F、20F 在替代PCI 占比指標后，其結果反而較之前有所下降，與此同時，1F 的RSRP和SINR與替換前相比也有所不足，這種情況可以通過后期的優化策略進行改善。整體而言，透鏡天線和射燈天線的波束指向性和高增益特性在本案例中得到了更加充分的體現。具體的指標提升情況如下文所述。

（1）替換小區PCI 占比由45.95% 提升到57.52%，提升了11.56%。

（2）平均RSRP指標由-101.64 dBm 提升至-97.59 dBm，提升了4.05 dB。

（3）平均SINR指標由11.89 dB 提升至14.04 dB，提升了2.15 dB。

（4）覆蓋率（RSRP＞-105，SINR＞-3）由65.41%提升至91.52%，提升了26.11%。

2.2 場景2：高層覆蓋低層區域

2.2.1 測試概述

本文選擇了某小區74#棟18F（層高55 m）的樓宇作為天線安裝地點，目標是覆蓋對面的低層別墅區域。原先的方案是使用2.1 GHz 2T2R RRU 外接隱蔽天線進行覆蓋，這一場景被視為城區高層覆蓋低層區域的典型。本文的目標是驗證天線定點覆蓋效果，觀察是否存在越區覆蓋，由于低層建筑之間的密集性及樓宇結構的復雜性，這個問題顯得尤為重要。因此，計劃替換原先的2 面垂直雙波束透鏡（使用1 個波束）和1 面射燈天線進行比對。具體的實施方案如圖5 和圖6 所示。

圖5 透鏡天線高層覆蓋低層測試區域

圖6 透鏡天線單波束連接

2.2.2 測試比對及評估

本節將對比分析低層覆蓋高層樓宇的場景下，射燈天線與Luneburg 透鏡天線的性能差異。以下是表2 的內容，它詳細列出了在不同樓層測試位置的網絡性能指標，包括PCI 占比、平均RSRP、平均SINR 以及覆蓋率等，以便于評估天線在實際應用中的表現。表2 中，SINR 未填寫處為鄰區覆蓋體現，隱蔽天線為內置下傾角，其余測試指標一欄填寫度數為預設下傾角。

表2 高層覆蓋低層隱蔽天線、射燈天線、透鏡天線指標對比

別墅小區室外道路的實測數據已證明前兩款天線均為垂直大張角雙極化天線。在測試過程中，測試區域的道路環境空曠無遮擋，因此整體覆蓋性能優異。經過調整透鏡天線的下傾角，單波束透鏡天線強大的波束指向性得到了驗證，這有助于更好地控制其覆蓋范圍，防止出現越區覆蓋。

2.3 場景3：高層覆蓋低層區域

2.3.1 測試概述

選擇小區9#棟28F（85 m）樓層，對應對面的10#棟28F（85 m）高樓區域，樓間距達到50 m。原先的解決方案包括采用3.5 GHz 2T2R RRU 通過饋線連接65°垂直波束寬度雙極化射燈天線，用以覆蓋1 單元的范圍。相似地，該場景也可視為密集高層小區穿透能力驗證的例證，樓宇結構同樣復雜。為了提升覆蓋效果，這次計劃更換為使用1 面垂直雙波束透鏡天線覆蓋1 單元，對比兩者的覆蓋效果。具體實施情況如圖7 和圖8 所示。

圖7 同樓層覆蓋原射燈天線覆蓋示意

圖8 9#棟替換透鏡天線示意

2.3.2 測試比對及評估

本節通過對比測試，評估了在同樓層覆蓋場景下，射燈天線與Luneburg 透鏡天線的性能差異。表3詳細列出了在不同樓層測試位置的網絡性能指標，包括PCI 占比、平均RSRP、平均SINR 以及覆蓋率等，以便于分析和比較兩種天線在實際應用中的表現。

表3 同樓層覆蓋射燈天線與透鏡天線指標對比

由表3 可知，在同一樓層的覆蓋區域，替換后的網絡性能指標顯著改善，具體表現如下文所述。

（1）替換小區PCI 占比指標由52.79%提升到71.74%，提升了18.95%。

（2）平均RSRP指標由?101.59 dBm 提升到-89.62 dBm，提升了14.58 dB。

（3）平均SINR指標由5.77 dB，提升到14.58 dB，提升了8.82 dB。

（4）覆蓋率（RSRP＞-105，SINR＞-3）由62.07%提升至93.45%，提升了31.38%。

3 應用場景分析

通過本次試點驗證，歸納總結居民小區可用透鏡天線的場景，具體如表4 所示。

表4 透鏡天線深度覆蓋方式

3 類場景中，透鏡天線利用其波束方向性、信號穿透性強且穩定的特性，以及單波束波瓣窄且易于控制覆蓋范圍、支持頻寬豐富、頻譜利用率高等優點，有效地解決了小區深度覆蓋問題。然而，也需要關注透鏡天線成本較高（約為射燈天線的10倍）、機械掃描難度較大、對準確度要求較高等不足。因此，不建議對原有小區的射燈天線進行大規模的替換，建議針對高負荷、高價值小區及區域，采用透鏡天線與射燈天線相結合的方案，以實現用戶體驗與成本投入的最佳匹配。

4 結語

本文通過實地測試，證實了Luneburg 透鏡天線在提升居民小區網絡覆蓋質量方面的顯著效果。透鏡天線的引入，有效提高了網絡的PCI 占比、RSRP 和SINR 平均值，以及整體覆蓋率，為運營商提供了一種有效的深度覆蓋解決方案。盡管透鏡天線的成本和安裝維護要求較高，但其在提升用戶體驗和網絡性能方面的長期價值不容忽視。未來，隨著技術的進一步成熟和成本的降低，透鏡天線有望在更廣泛的通信網絡部署中發揮重要作用。