论文研究-WCDMA无线网络规划软件中天线的建模 .pdf

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WCDMA无线网络规划软件中天线的建模,付春云,杨大成, 本文介绍了在开发WCDMA无线网络规划软件过程中如何对天线进行建模。天线的设计在WCDMA网络规划中至关重要,直接影响整个网络的运�
中国科技论又在线 言,在不采用分层网的情况下,同一基站密度区域内各基站天线有效挂高应该大致相等,否 则将导致不同基站矍盖范围内的业务严重不均衡;并且基站越密,天线有效挂高应该越低。 表3.1给出了不同环境类型对应的天线挂高参考值: 表3.1不同环境类型对应的大线挂高 环境类型 天线挂高(米) 密集城区 30 般城区 35 郊区 40 农村 天线方位角 天线的水平方位就是指天线水平方向最大增益处与基准方向间(一般为正北方向)的火 角。天线水平方位角的确定,需要根据服务区的覆盖情况来确定。在设置天线的水平方位角 时,需要注意基站与基站之间覆盖相工补充,扇区与扇区之间的配合,使整个系统尽量不要 出现覆盖的漏洞,也不要出现大量的重复覆盖。 理想的蜂窝移动通信模型,即各基站均勺分布、不考虑地形地物等因素、各基站均为定 向站的情况下,采用三扇区基站,每个扇区的覆盖范围为120度,如此可以达到蜂窝网络的 最小干扰,天线的方位角设置如下: A小区:方位角度0度,大线指向正北; B小区:方位角度120度,天线指向东南 C小区:方位角度240度,天线指向西南。 在网络规划初期,可以按照上述的规定对天线的方位角进行安装及调整。在实际网络中, 由于存在特殊地形地物及话务密度的不均衡等,在进行天线水平角规划吋可以有所调整,例 如对高速公路上可以假设覆盖范围为180度两扇区基站。在网络规划中,为了减少混乱的方 向角带来的网络干扰的不确定性,应尽量保讦各扇区间天线的夹角为120度,最低要求尽可 能不小于90度。 天线下倾角 天线的下倾角是指天线垂直面最大增益处与水平方向的夹角,习惯上向下为正,向上为 进行网络规划吋,如果下倾角过小会造成基站实际覆盖氾围比预期氾围偏大,从而导致 小区与小区之间交叉覆盖,相邻切换关系混乱,系统内频率干扰严重:另一方面,如果天线 的下倾角偏人,则会造成基站实际覆盖范闱比预期蒞围偏小,号致小区之闰出现信号盲区或 弱区,同时易导致大线方向图形状的变化,从而造成严重的系统内十扰。所以在天线下倾角 的设定吋,需要权衡两方面侧重点,即侧重于下扰抑制和侧重于加强覆盖。般而言,对基 站分布密集的地区应侧重于考虑干扰抑制,而基站分布较稀疏的地区则侧重于考虑加强覆 盖 山国武技记又在线 对于不同的侧重点,考虑不同的下倾角计算方法 ●考虑干扒抑制的下倾角计算方法 般情况卜,在基站密集地区,扇区半径比较小,犬线的安裝应该侧重考虑抑制十扰, 可认为半功率角的延长线到地面的父点为该基站的实际覆盖边缘,如图3.1所示: 基壮1 基站2 R- 图3.1天线下倾角设置示意图一考虑干扰抑制 在图31中,β为大线的垂直半功率角,a为大线的下倾角,H为大线有效高度,R为 该小区最远的覆盖距离,即覆盖半径。由此可得天线下倾角的理论值如式(3-1)所示: a=arctan(-)+ 式(3-1) ●考虐加强矍盖的下倾角计算方法 在基站稀疏地区,例如农村或者郊区,大线的安装应该着重考虑覆盖的要求,设定大线 下倾角时可认为天线主瓣方向延长线到地面的交点为该基站的实际覆盖边缘(保证覆盖), 如图3.2所示: H 基帖1 基站2 R 图3.2天线下倾角设置示意图一考虑加强覆盖 在上图中,a为天线的下倾角,H为天线有效高度,R为小区覆盖半径。由此得到的考 虑加强覆盖的天线下倾角值如式(3-2)所示 C= arctan(一 式(3-2) R 上面两种方法的选用可以根据基站所处的环境类型也即基站的流密程度来确定,例如城 区基站可以侧重公式(3-1),郊区基站在侧重公式(3-1)的同时还要兼顾公式(3-2),对于 农村基站可以考虑公式(3-2),或者下倾角可以直接设为0度,当然下倾角的设置需要根据 实际勘测来最终确定。表3.2给出了下倾角设定的几个典型小例。 表32基站安装参数设置示例 4 山国武技记又在线 环境类型天线挂高站距(米)水平半功率垂直半功率下倾角建议值 (米) 角(度) 角(度) 密集城区 30 400 65 13 13 般城区 35 800 65 13 10 郊区 40 2000 13 8 农村 55 5000 65 13 农村 55 5000 90 7 天线增益的计算 大线增益和大线方向图密切相关,天线的方向图是将线各个方向的增益用大线的最大 增益进行归一化而形成的(最大增益方向为0,其他方向增益为相对于最大增益的衰减,单 位dB)。如图4.1所示,天线增益图通常只含水平增益图和垂直增益图两个二维的增益图, 但在实际中,需要的是空间增益。工程上,一个水平偏角和一个垂直倾角就可以确定立体空 间的任何一个方冋的増益,空间增益可以用水平方向的增益乘以垂直方向的增益得到。实际 上,这个乘积和实际值有很大的偏差,但工程上为了简化运算,这个误差还是可以容忍的 0 180 90 水平方向图 垂直方向图 图4.1天线方向图 4.1计算移动台相对天线坐标的方向角和下倾角 计算某一点的天线空间增益时,根据发射天线的方向和接收点相对于发射机的位置,可 以计算出接收点相对于发射天线方向的位置,即水平角(a)和下倾角(el)。如下图: 山国武技记又在线 R 图42移动台相对天线位置坐标 an和en分别是发射天线在坐标系S(无,,2)下的水平角和机被下倾角,aa和e2分 别是接收机在坐标系S0(,y,2)下的水平角和仰角,d是发射机(Tx)和接收机(Rx)间的 3D空间距离。 在坐标系S。(x,y,2)下,接收机的坐标是 cos(er)osin(ap).d cos(eR)cos(aRy)d 式(1) 使a和分别代表接收机在发射天线坐标S1(x,P,z)系下的水半角和垂直角,所以 在坐标系S(x,y,z)下,接收机的坐标是: cos(eosin(az )d cos(el)acos(az)d 式(2) Rx in(el)d 根据上图,我们可以得到以下关系 cos(a Sin( a 0 y=sin(ar) cos(arr)0 y 式(3) 0 0 0 coS(er )-sin(en)l y 式(4) 0 sin(eTx cos(eT)|z 山国武技记又在线 所以坐标系S(x,,2和发射天线坐标系Sa(xy,2)的关系如下: 0 01「coan)-si(an)01「x y=0 coser/ sin(erx cos(a. 式(5) 0 sin(eTx ) cos(e L0 得到 cos(ar) Sinla y= cos(er )sin(a, ) cos(er: )ocos(a) sin( e 式(6) sin(er sin(ar) sin(er )cos(ar) cos(er) 然后,将公式(1)中接收机在S(x,,2)下的坐标和公式(2)中接收机在Sn(x,y,z 卜的坐标代入到公式(6),得到结果如下 第一种情况:如果an=axn或e=+90度,则az-0,e!=ea-em 第二种情况;如果n≠n则 az= arctan cos(e) sin(e )tan(ed) 式(7) tan(arr -ar) sin(arr-arr) el=arctan sin(az) sin(e cos(er )tan(e 式(8) tan(aRr -a) sin(drr -ar) 如果sin(az)sin(aa-axm)<0,则az=az+z 注意,此时az角度范围为-90-270度,el范围为-90-90度。 考虑电调下倾: REDT是电调下倾角,通过电子调整的方式,使波束的主瓣方向下调,在计算水平角和 下倾角时需要考虑REDT的影响,所以用以下公式计算水平角az和垂直角el: az= arctan 式(9) cos(er sin(e)otan(ep - reDt tan(a el= arctan sin(az). sin(er) cos(er)otan(egr -REDT) tan(aa-f少 式(10) sin(a C 如果sin(a2)sin(amn-a)<0,则az=az+兀。 7 山国武技记又在线 4.2计算天线的空间增益 得到接收点在相对犬线坐标的水平角(a)和垂直角(el)后,通过大线方向图得出大 线水平方向的增益H(az)和垂直方向的增益vel),天线的空间增益可以由公式(4-1)得到 L(az, el)=H(az)+v(el) 式(4-1) 这种简单相加的方法存在一定误差,但工程上粗略计算时忽畩。更精确的计算空间增益 还可以通过内插的方法,如公式(42): 丌-4z z L(az, el)=H(az) (H(0)-(el)+-1.(H(an)-V(x-e)式(42 式(4-2)成立的条件如下 ●认为水平和垂直方向图在3D图中是两个交叉垂直的平面,也就是说天线图应该满 足以下条件:HO)=0)和Hr)=VO 考虑下倾角α的情况,水平图是一个从地面看有一个α角的圆锥截面,这里水平和 垂直图应该满足以下条件:H0)=Va和H(m)=(-ax) 式(4-2)中的天线增益取归一化增益值,实际为相对于最大增益的衰減(故用L表示), 单位为dB,则天线绝对增益表示如下: (az, el)=Gmax-l(az, el) 式(4-3) 其中Gmx为最大增益,单位dBi 5.总结 笔者参与了 WCDMA无线网络规划软件的开发,负责天线模块的设计。目前已经将天 线的设计原则以及空间增益的计算付之于实践,达到了预期的效果。 下面结合软件仿真给出天线参数设置对覆盖结果的影响。 如图5.1所示,对w新增基站5和w新増基站17进行分析。两基站的站间距为0.78km, 属于城区密集基站,天线挂髙为35米。我们将两基站的天线下倾角设置为3度,然后对两 基站之间的覆盖区域内导频分布进行仿真 山国武技记又在线 增基站4 基达 增基站5 额新增基站14 新基站 图51导频仿真结果图 由图5.1可以看出,w新增基站5和w新增基站17之间的覆盖区域内存在着明显的导 频污染。由于两基站站间距比较小,所以要求基站的覆盖范围不能太大,天线的下倾角为3 度显然不合适。我们把两基站的天线下倾角修改为9度,再次对两基站之间的覆盖区域内导 频分布进行仿真,分析结果图如52所示: 标增基站4 基站 新增基站5 增基站14 增基站17 图52天线参数修改后的导频仿真结果图 山图5.2可以看出,w新增基站5和w新増基站17之间的覆盖区域内不再存在着导频 污染。可见,天线参数改置的合理性,对于整个网络的性能有着重大的影响。 参考文献 [1]华为技术有限公司《GSM无线网络规划与优化》 [2]人民邮电出版社《 WCDMA无线网络规划原理与实践》 [3]大洋信业通信有限公司《TOP3无线网络规划软件技术手册》 山国武技记又在线 Fu Chunyun, Yang Dacheng School of Telecommunication Engineering, Beijing University of Post and Telecommunications Beijing, China(100876) fcy. bupt(agnail. com The paper introduces how to model antenna in developing radio network planning software for WCDMA. The design of antenna is crucial in radio network planning. The paper detailedly depicts how to set the parameters and calculate the attenuation of the antenna. The simulation result indicates that the design of antenna directly influences the interference, coverage and quality of the network WCDMA, Coverage, Pattern, Attenuation, Downtilt 10

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