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      基于龍伯球天線技術(shù)解決高話務(wù)密度場景的無線組網(wǎng)研究

      2021-11-05 02:33:27李紅霞
      中國新通信 2021年18期
      關(guān)鍵詞:容量

      李紅霞

      【摘要】? ? 龍伯透鏡(Luneberglens)誕生于1944年,由德國物理學(xué)家龍伯發(fā)明。龍伯球透鏡運(yùn)用了凸透鏡匯聚光線的原理,本質(zhì)上是一個球形的多面折射透鏡,它可以將通過透鏡的光線分別在透鏡兩側(cè)進(jìn)行相互折射,從而形成一個放大的鏡像。而龍伯球天線就是龍伯球透鏡在移動通信領(lǐng)域的一種具體應(yīng)用。相比較于傳統(tǒng)天線而言,龍伯球天線具有波束窄、增益高的特點(diǎn)。本文提出了一種基于龍伯球多波束天線的高話務(wù)場景解決方案,并在實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著的成效。

      【關(guān)鍵詞】? ? 龍伯球天線? ? 容量? ? 高話務(wù)場景

      引言:

      隨著網(wǎng)絡(luò)媒體的發(fā)展,客戶的業(yè)務(wù)特點(diǎn)也發(fā)生了極大變化,從以前的發(fā)短信、打電話,逐步過渡到即時通信、短視頻、在線直播等,對移動數(shù)據(jù)流量的需求急劇增加。伴隨著客戶業(yè)務(wù)量的大幅增長,對移動通信網(wǎng)絡(luò)容量提出了極高的要求。

      依據(jù)現(xiàn)有的傳統(tǒng)天線多層組網(wǎng)方法,在解決大話務(wù)區(qū)域容量問題時將會面臨諸多瓶頸。一是由于多層網(wǎng)小區(qū)間覆蓋范圍高度重合,不利于各小區(qū)間負(fù)載均衡,各容量層間的均衡門限難以控制;二是由于單小區(qū)的覆蓋面積較大,在頻點(diǎn)復(fù)用層數(shù)較高時,容易產(chǎn)生重疊覆蓋,若用戶數(shù)過多,還會產(chǎn)生鄰區(qū)終端干擾,嚴(yán)重影響小區(qū)性能及用戶感知。

      基于以上傳統(tǒng)天線多層組網(wǎng)方法的弊端,以及結(jié)合龍伯球天線窄波束、高增益、多頻段的特點(diǎn),新鄉(xiāng)移動提出了基于新型龍伯球多波束天線的大話務(wù)解決方案,并在實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著的效果。

      一、龍伯球多波束天線介紹

      龍伯透鏡(Luneberglens)誕生于1944年,由德國物理學(xué)家龍伯發(fā)明。龍伯球透鏡運(yùn)用了凸透鏡匯聚光線的原理,本質(zhì)上是一個球形的多面折射透鏡,它可以將通過透鏡的光線分別在透鏡兩側(cè)進(jìn)行相互折射,從而形成一個放大的鏡像。而龍伯球天線就是龍伯球透鏡在移動通信領(lǐng)域的一種具體應(yīng)用。

      如果球體是均勻的同類介質(zhì),里面的電磁波是不可能“拐彎”的,因此龍伯透鏡模型的一個重要前提,就是球體從外到內(nèi)材料的介電常數(shù)是梯度變化的。通過控制透鏡的材料以及電磁波的傳播方向,龍伯透鏡可以讓任何方向入射的電磁波,都會匯聚到球面上的某一個點(diǎn)上。而龍伯球天線就是運(yùn)用了這一特性,只要在球體表面放上饋源,就可以產(chǎn)生很好的增益效果,讓信號朝指定的方向輻射,也可以接收指定方向過來的信號。

      二、龍伯球多波束天線的性能優(yōu)勢

      “龍伯球天線”具有超寬頻率范圍,可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模應(yīng)急通信保障、4G 網(wǎng)絡(luò)大容量擴(kuò)容改造及 5G 移動通信大容量、高話務(wù)場景。與傳統(tǒng)大話務(wù)保障使用的板狀天線相比,龍伯球天線具有以下幾個性能特點(diǎn):

      2.1頻率范圍寬

      龍伯球天線可以支持0-2.6GHz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等頻段同時也支持移動5G當(dāng)前所使用的2.6G頻段。

      2.2垂直波束寬

      垂直波束3dB瓣寬為18度,遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)天線(15dBi板狀天線典型值7度)。垂直波束很寬可以得到良好的站下覆蓋效果,深度覆蓋效果更加理想。

      2.3水平波束窄

      1.8GHz時水平波束3dB瓣寬只有13-15度,約是傳統(tǒng)天線的1/4左右,這使得它在65°方向可以集中更多個扇區(qū),可以良好的控制重疊覆蓋;同時更窄的波束也使得天線可以對沿街商鋪、景區(qū)道路等特殊場景實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的覆蓋。

      2.4高增益

      由于波束更窄,也使得龍伯球天線在單載波上可以實(shí)現(xiàn)更高的增益,傳統(tǒng)的4T4R天線的增益約為10dBi左右,而龍伯球天線增益可以可達(dá)18-19dBi,可以實(shí)現(xiàn)更好的深度覆蓋。

      三、基于龍伯球天線的高話務(wù)場景解決方案介紹

      基于以上龍伯球天線窄波束、高增益的特點(diǎn),龍伯球天線可以在相同方向內(nèi)集中更多的波束,從而提升覆蓋及容量。通過使用這種龍伯球多波束天線來替代原有的單波束天線,可以將傳統(tǒng)基站所使用的六邊形覆蓋方式進(jìn)行進(jìn)一步的分割,以提升組網(wǎng)密度,有效的促進(jìn)演唱會、景區(qū)等大話務(wù)場景的容量吸收。

      3.1 龍伯球多波束組網(wǎng)方案與單傳統(tǒng)組網(wǎng)方案對比

      在原有的蜂窩組網(wǎng)方案中,單波束覆蓋呈六邊形,若需要進(jìn)一步提升容量,則需要在單層網(wǎng)基礎(chǔ)上疊加載波、采用多層組網(wǎng)。此種組網(wǎng)方案在頻點(diǎn)復(fù)用層數(shù)較高時,就不可避免的容易產(chǎn)生重疊覆蓋,鄰區(qū)干擾等,同時多層網(wǎng)之間的負(fù)荷均衡不好控制,會在一定程度上影響小區(qū)性能及用戶感知。而使用龍伯球多波束天線可以在相同覆蓋方向內(nèi)集中更多的波束,減少重疊覆蓋的同時也成倍的提升了網(wǎng)絡(luò)容量。龍伯球多波束組網(wǎng)方案的覆蓋效果如下圖所示:

      3.2 容量評估與扇區(qū)規(guī)劃

      與傳統(tǒng)組網(wǎng)方案相同、在使用龍伯球多波束天線天線組網(wǎng)方案進(jìn)行高話務(wù)場景保障時,首先需要根據(jù)用戶數(shù)流量預(yù)估,規(guī)劃保障區(qū)域內(nèi)所需的基站數(shù)量以及小區(qū)數(shù)量??筛鶕?jù)以下流程逐步規(guī)劃:

      1.預(yù)估高話務(wù)場景內(nèi)用戶數(shù),根據(jù)平均吞吐量推算出最大業(yè)務(wù)量,并可以根據(jù)需要預(yù)留保護(hù)余量。

      2.根據(jù)估算的場景內(nèi)總業(yè)務(wù)量以及最大用戶數(shù),結(jié)合每小區(qū)可承載業(yè)務(wù)量及用戶數(shù)估算得出所需基站數(shù)量以及小區(qū)數(shù)量。

      3.在確定了所需的基站數(shù)量、每基站扇區(qū)數(shù)量、每扇區(qū)下的小區(qū)數(shù)量后,還需要對各小區(qū)進(jìn)行精準(zhǔn)的頻率規(guī)劃,盡可能使用更多頻率,充分發(fā)揮龍伯球天線窄波束寬的優(yōu)勢,通過頻率之間的隔離來降低干擾水平。

      四、龍伯球組網(wǎng)方案應(yīng)用效果

      4.1 世乒賽直通賽保障應(yīng)用效果

      2021年5月3日至7日,中國·新鄉(xiāng)2021“直通WTT大滿貫·世乒賽”暨奧運(yùn)模擬賽在新鄉(xiāng)市平原(建業(yè))體育中心舉行?,F(xiàn)場參與人數(shù)最高可達(dá)6000+人,同時只有場館只有一個入口,用戶同時涌入,對網(wǎng)絡(luò)容量挑戰(zhàn)壓力巨大。另外,由于比賽場館是正在建設(shè)中的場館,館內(nèi)外沒有任何通信設(shè)備,通信保障基本上是從零開始。新鄉(xiāng)移動提出了利用龍伯球天線的窄波束、高增益的特點(diǎn),開通兩輛應(yīng)急車部署龍伯球天線來精準(zhǔn)覆蓋廣場及場館入口。每個龍伯球天線下部署5個小區(qū),使用F/A/D/FDD1800四個頻點(diǎn)交替錯開。規(guī)劃效果如下圖所示:

      比賽期間,現(xiàn)場感知良好,在用數(shù)達(dá)到峰值時,瀏覽網(wǎng)頁、看視頻等也未出現(xiàn)任何卡頓。經(jīng)過統(tǒng)計(jì),2021年5月3日至7日,世乒直通賽期間,龍伯球天線下單日日均流量高達(dá)414.4GB,在話務(wù)高峰時,龍波球天線下承載的用戶數(shù)超過1000人,下行用戶感知速率超過8Mbps,上行用戶感知速率達(dá)到6Mbps。

      4.2 長垣美食節(jié)保障應(yīng)用效果

      2020年9月27日~10月1日長垣市億隆廣場舉辦第二屆長垣美食文化節(jié),現(xiàn)場商戶近百家,同時有廚藝展示、藝術(shù)時裝秀等活動?,F(xiàn)場保障時存在兩大難點(diǎn):一是活動現(xiàn)場人流量大、人員密度高,業(yè)務(wù)量大,對網(wǎng)絡(luò)感知要求高;二是活動現(xiàn)場選址困難,需充分考慮施工難度、網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量,快速部署開通。新鄉(xiāng)移動利用龍伯球天線多波束、大容量、高增益、天線方向性強(qiáng)、同頻干擾小的特點(diǎn),活動現(xiàn)場部署2個龍伯球天線,開通4個FDD載波,每個波束分布在扇區(qū)兩端精準(zhǔn)覆蓋沿街商鋪,同時也抑制了同頻干擾,提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與容量。

      2020長垣億隆廣場美食節(jié)(2020-09-27~10-01)活動保障部署通信應(yīng)急車一輛(開通12個E頻段小區(qū)、6個FDD小區(qū)、3個D頻段小區(qū)),周邊宏站擴(kuò)容6個小區(qū),優(yōu)化均衡24個小區(qū)?;顒悠陂g,總流量累計(jì)1354.26GB,環(huán)比日常增幅156.58%;峰值用戶數(shù)5767,環(huán)比日常增幅691.08%;其中僅龍伯球天線日均吸收用戶數(shù)達(dá)到1714人次,日均吸收流量高達(dá)258Gb。龍伯球天線分流情況如圖4所示。

      五、結(jié)束語

      龍伯球天線具有超寬頻率范圍,可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模應(yīng)急通信保障、4G 網(wǎng)絡(luò)大容量擴(kuò)容改造及 5G 移動通信大容量、高話務(wù)場景。與傳統(tǒng)大話務(wù)保障使用的板狀天線相比,龍伯球天線具有支持頻率范圍更廣,垂直波束更寬,水平波束更窄,單波束增益更高的特點(diǎn),可以有效的解決傳統(tǒng)多層組網(wǎng)帶來的干擾、均衡復(fù)雜等問題。新鄉(xiāng)移動在中國·新鄉(xiāng)2021“直通WTT大滿貫·世乒賽”暨奧運(yùn)模擬賽以及長垣美食節(jié)大話務(wù)場景保障中均采用了龍波球天線保障,并取得了顯著成效,后續(xù)可在景區(qū)、演唱會等大話務(wù)場景保障中持續(xù)推廣和使用。

      參? 考? 文? 獻(xiàn)

      [1]夏輝,周軍.多層倫伯透鏡天線的設(shè)計(jì)[J].通信對抗,2014,33(2):52-55+62.

      [2]謝巍巍,薛鋒章.基站雙波束透鏡天線的研究[J].微波學(xué)報,2017,33(5):19-23.

      [3]肖雨琴,張英波,李鳳山.龍伯透鏡天線的研制[J].艦船科學(xué)技術(shù),1992(3):33-38.

      [4]王開民,王汀.龍伯透鏡天線及其應(yīng)用[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體,2007(2):38-39.

      [5]吳旭,朱衛(wèi)華,孟潔.龍伯透鏡的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2011,44(3):15-17+20.

      [6]郭杰,田江曉,龔堅(jiān).龍伯透鏡反射器性能評估預(yù)處理方法研究[J].航天電子對抗,2014,30(5):61-64.

      [7]桂萬如,季文濤.基于龍伯透鏡的低剖面陣列天線[J].數(shù)字通信世界,2020(1):9-9+12.

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