查 昊，朱巧玉

（1.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)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(dòng)通信技術(shù)的普及與業(yè)務(wù)迭代發(fā)展，大型城市的虹吸效應(yīng)越來越強(qiáng)，以及城市區(qū)域的不斷擴(kuò)大，居民住宅小區(qū)的數(shù)量持續(xù)增多，居民對(duì)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的需求日益增強(qiáng)，而小區(qū)樓宇的覆蓋場(chǎng)景日益復(fù)雜，僅依賴室外射燈天線的覆蓋方式無法達(dá)到預(yù)期效果。而采用傳統(tǒng)的樓內(nèi)分布式天線系統(tǒng)（Distributed Antenna System，DAS）覆蓋技術(shù)，總擁有成本（Total Cost of Ownership，TCO）居高不下。在確保網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，如何對(duì)居民住宅小區(qū)進(jìn)行有效的覆蓋建設(shè)，已成為當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的核心問題[1]。

在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)和優(yōu)化的長(zhǎng)期過程中，由于地理位置和無線環(huán)境因素的影響，如傳統(tǒng)天線覆蓋能力的有限性等因素，現(xiàn)網(wǎng)中長(zhǎng)期存在難以解決的弱覆蓋問題[2]。特別是在通信場(chǎng)景中占據(jù)重要地位的城區(qū)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不斷完善使得深度覆蓋問題成為當(dāng)前通信領(lǐng)域最重要的挑戰(zhàn)之一。為此，本文將探討透鏡天線在相同測(cè)試條件下，在環(huán)境復(fù)雜的小區(qū)場(chǎng)景中，能否實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)射燈天線更有效、更有深度的區(qū)域覆蓋，從而為解決現(xiàn)網(wǎng)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(chǎn)品介紹

本文討論的透鏡是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的Luneburg 透鏡。Luneburg 透鏡天線因其特有的徑向折射率分布結(jié)構(gòu)，可以將天線的球面波轉(zhuǎn)換為平面波，進(jìn)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(diǎn)位置，其發(fā)出的球面波進(jìn)入透鏡區(qū)域后，依據(jù)折射定律，會(huì)向透鏡中心高折射率的區(qū)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?qū)⒏鱾€(gè)方向的球面波轉(zhuǎn)換為具有相同特性的平面波，進(jìn)而從透鏡表面射出的電磁波形成很窄的平面波束。這種結(jié)構(gòu)不僅避免了天線測(cè)向錯(cuò)誤，還使得天線能夠準(zhǔn)確指向目標(biāo)方向。此外，這種折射率結(jié)構(gòu)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(qiáng)且寬度較窄的平面波束。

利用Luneburg 透鏡天線的這些特點(diǎn)，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(diǎn)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??；易于實(shí)現(xiàn)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(gè)頻段內(nèi)固定不變；每個(gè)單元形成一個(gè)波束，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，天線可靠性高，重量輕；特別適合場(chǎng)館、車站、廣場(chǎng)、高校和應(yīng)急通信車等場(chǎng)景。常規(guī)板狀天多波束天線與透鏡多波束天線的方向圖對(duì)比如圖1 所示[10]。

圖1 常規(guī)板狀天多波束天線與透鏡多波束天線方向圖對(duì)比

利用Luneburg 透鏡天線形成的賦形天線的特點(diǎn)有：易實(shí)現(xiàn)特殊場(chǎng)景覆蓋的賦形方向圖；饋電網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)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(chǎng)景覆蓋。透鏡賦形天線場(chǎng)館覆蓋示例如圖2 所示[10]。

圖2 透鏡賦形天線場(chǎng)館覆蓋示例

2 透鏡天線居民小區(qū)場(chǎng)景驗(yàn)證

在3 種類型的典型住宅小區(qū)場(chǎng)景下，對(duì)新老天線的替換進(jìn)行深入的測(cè)試研究，旨在全面評(píng)估網(wǎng)絡(luò)覆蓋的全貌和天線性能的優(yōu)劣。

2.1 場(chǎng)景1：低層覆蓋高層樓宇

2.1.1 測(cè)試概述

在某小區(qū)的1#棟25F（高度約為75 m），對(duì)其對(duì)面的2#棟32F（高度約為96 m）的高樓層區(qū)域進(jìn)行覆蓋。兩棟樓之間的距離在50 m 左右。原先的設(shè)計(jì)方案采用了2.1 GHz，雙發(fā)雙收（Two Transmit Two Receive，2T2R）的遠(yuǎn)程射頻單元（Remote Radio Unit，RRU），其TX1/RX1 端口與電梯分布系統(tǒng)相連。而TX2/RX2 端口則通過兩個(gè)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?jī)筛碧炀€覆蓋一個(gè)單元。這個(gè)場(chǎng)景主要是驗(yàn)證RRU 連接單極化射燈天線對(duì)密集高層小區(qū)的穿透能力。由于樓宇之間的落差較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)劃將2 個(gè)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(huán)境下，對(duì)比兩種天線的覆蓋效果。具體的實(shí)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(cè)試比對(duì)及評(píng)估

本節(jié)將對(duì)比分析低層覆蓋高層樓宇的場(chǎng)景下，射燈天線與Luneburg 透鏡天線的性能差異。以下是表1 的內(nèi)容，它詳細(xì)列出了在不同樓層測(cè)試位置的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，包括物理小區(qū)ID（Physical Cell Identities，PCI）占比、平均參考信號(hào)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(píng)估天線在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。其中，PCI 占比表示在特定區(qū)域內(nèi)，PCI信號(hào)覆蓋的百分比，RSRP 衡量接收到的信號(hào)強(qiáng)度。SINR 衡量信號(hào)質(zhì)量，覆蓋率表示信號(hào)強(qiáng)度超過特定閾值（例如，-105 dBm，3 dB）的區(qū)域百分比。

表1 低層打高層射燈天線與透鏡天線指標(biāo)對(duì)比

經(jīng)觀察，2F、3F、20F 在替代PCI 占比指標(biāo)后，其結(jié)果反而較之前有所下降，與此同時(shí)，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(yōu)化策略進(jìn)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(xiàn)。具體的指標(biāo)提升情況如下文所述。

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

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

（3）平均SINR指標(biāo)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(chǎng)景2：高層覆蓋低層區(qū)域

2.2.1 測(cè)試概述

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

圖5 透鏡天線高層覆蓋低層測(cè)試區(qū)域

圖6 透鏡天線單波束連接

2.2.2 測(cè)試比對(duì)及評(píng)估

本節(jié)將對(duì)比分析低層覆蓋高層樓宇的場(chǎng)景下，射燈天線與Luneburg 透鏡天線的性能差異。以下是表2 的內(nèi)容，它詳細(xì)列出了在不同樓層測(cè)試位置的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，包括PCI 占比、平均RSRP、平均SINR 以及覆蓋率等，以便于評(píng)估天線在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。表2 中，SINR 未填寫處為鄰區(qū)覆蓋體現(xiàn)，隱蔽天線為內(nèi)置下傾角，其余測(cè)試指標(biāo)一欄填寫度數(shù)為預(yù)設(shè)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(biāo)對(duì)比

別墅小區(qū)室外道路的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)已證明前兩款天線均為垂直大張角雙極化天線。在測(cè)試過程中，測(cè)試區(qū)域的道路環(huán)境空曠無遮擋，因此整體覆蓋性能優(yōu)異。經(jīng)過調(diào)整透鏡天線的下傾角，單波束透鏡天線強(qiáng)大的波束指向性得到了驗(yàn)證，這有助于更好地控制其覆蓋范圍，防止出現(xiàn)越區(qū)覆蓋。

2.3 場(chǎng)景3：高層覆蓋低層區(qū)域

2.3.1 測(cè)試概述

選擇小區(qū)9#棟28F（85 m）樓層，對(duì)應(yīng)對(duì)面的10#棟28F（85 m）高樓區(qū)域，樓間距達(dá)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(chǎng)景也可視為密集高層小區(qū)穿透能力驗(yàn)證的例證，樓宇結(jié)構(gòu)同樣復(fù)雜。為了提升覆蓋效果，這次計(jì)劃更換為使用1 面垂直雙波束透鏡天線覆蓋1 單元，對(duì)比兩者的覆蓋效果。具體實(shí)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(cè)試比對(duì)及評(píng)估

本節(jié)通過對(duì)比測(cè)試，評(píng)估了在同樓層覆蓋場(chǎng)景下，射燈天線與Luneburg 透鏡天線的性能差異。表3詳細(xì)列出了在不同樓層測(cè)試位置的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，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(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。

表3 同樓層覆蓋射燈天線與透鏡天線指標(biāo)對(duì)比

由表3 可知，在同一樓層的覆蓋區(qū)域，替換后的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)顯著改善，具體表現(xiàn)如下文所述。

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

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

（3）平均SINR指標(biāo)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(yīng)用場(chǎng)景分析

通過本次試點(diǎn)驗(yàn)證，歸納總結(jié)居民小區(qū)可用透鏡天線的場(chǎng)景，具體如表4 所示。

表4 透鏡天線深度覆蓋方式

3 類場(chǎng)景中，透鏡天線利用其波束方向性、信號(hào)穿透性強(qiáng)且穩(wěn)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(yōu)點(diǎn)，有效地解決了小區(qū)深度覆蓋問題。然而，也需要關(guān)注透鏡天線成本較高（約為射燈天線的10倍）、機(jī)械掃描難度較大、對(duì)準(zhǔn)確度要求較高等不足。因此，不建議對(duì)原有小區(qū)的射燈天線進(jìn)行大規(guī)模的替換，建議針對(duì)高負(fù)荷、高價(jià)值小區(qū)及區(qū)域，采用透鏡天線與射燈天線相結(jié)合的方案，以實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)與成本投入的最佳匹配。

4 結(jié)語

本文通過實(shí)地測(cè)試，證實(shí)了Luneburg 透鏡天線在提升居民小區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量方面的顯著效果。透鏡天線的引入，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的PCI 占比、RSRP 和SINR 平均值，以及整體覆蓋率，為運(yùn)營(yíng)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(hù)要求較高，但其在提升用戶體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)性能方面的長(zhǎng)期價(jià)值不容忽視。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和成本的降低，透鏡天線有望在更廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)部署中發(fā)揮重要作用。