毕业设计（论文）-天线在GSM无线网络优化中的作用.doc

四川托普信息职业技术学院四川托普信息职业技术学院 毕业论文毕业论文 题题 目目 天线在移动通信网络优化中的作用 姓姓 名名 所在学院所在学院 四川托普信息职业技术学院 专业专业班班级级 电信网优 （1）班 学学 号号 指指导导教教师师 日日 期期 20112011 年 10 月 31 日 目目录录 摘 要3 关键词.3 引 言.4 第 1 章 天线的主要性能指标 .4 1 .1、工作频段.4 1.2、方向图4 1.3、方向性参数6 1.4、天线增益6 1.5、输入阻抗8 1.6、驻波比8 1.7、极化方式9 1.8、双极化天线隔离度9 1.9 、三阶互调10 1.10、 阻抗10 1.11、前后比11 1.12、隔离度11 第 2 章 天线的选择原则.11 2.1、城区内话务密集地区11 2.2、在郊区或乡镇地区12 2.3、在农村地区12 2.4、在铁路或公路沿线12 2.5、在城区内的一些室内或地下 13 第 3 章 维护中可能会影响网络性能的几个因素13 第 4 章 通过调整天线参数优化网络的案例分析14 4.1、根据不同的地理环境调整基站无线参数以改善基站覆盖效果.14 4.2、调整天线覆盖范围以改善话务量、解决切换和乒乓效应现象.17 4.3、调整天线以减少周围干扰提高通话率.18 参 考 文 献.19 致 谢.19 摘摘 要要 主要介绍了天线的主要性能指标，以及根据不同的环境要求，选择不同类型 的天线不同性能的天线适应于不同环境，满足不同的用户需求。 移动通信网络的覆盖和服务质量；不同的地理环境，不同服务要求需要选用 不同类型，不同规格的天线。天线调整在移动通信网络优化工作中有很大的作 用。 关关键键词词 gsm 天线 移动通信 辐射 无线电波 网络优化 案例分析 引引 言言 无线技术是移动通信技术基础，基站天线是移动通信网络与用户手机终端 空中无线联结的设备。天线是能量置换设备，是无源器件，其主要作用是辐射 或接收无线电波，辐射时将高频电流转换为电磁波，将电能转换电磁能；接收 时将电磁波转换为高频电流，将磁能转换为电能。天线的性能质量直接影响移 动通信网络的覆盖和服务质量；不同的地理环境，不同服务要求需要选用不同 类型，不同规格的天线。天线调整在移动通信网络优化工作中有很大的作用。 第第 1 章章 天天线线的的主主要要性性能能指指标标 表示天线性能的主要参数有方向图，工作频段,增益，输入阻抗，驻波比， 极化，双极化天线的隔离度，及三阶交调等。 1 .1、工工作作频频段段 天线的各项基本参数都是相对于某个频段来说的，这个频段就是该天线所能正 常工作的工作频段，一般在 900mhz 的天线其工作频段的典型值为 880mhz960mhz ，1800mhz 频段的天线为 17101880mhz 。 1.2、方方向向图图 天线辐射电磁波是有方向性的，方向性表示天线向特定方向辐射（或接收） 电磁波功率的能力，它可以用电场强度、功率密度或者辐射强度等来描述。我 们通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向辐射（或接收）电磁波功率大小 的曲线来表示天线的方向性，并称为天线辐射的方向图.同时用半功率点(3db) 之间的夹角表示了天线方向图中的水平波束宽度及垂直波束宽度。例如某种定 向天线的方向图为： （水平波瓣宽度 65 ，垂直波瓣宽度 7 ，内置俯仰角 6） 从垂直方向的天线方向图可以看出，在天线主波瓣的上方和下方都存在一些功 率较强的旁瓣和一些几乎没有发射功率的零点存在。这会导致天线下方接收电 平剧烈起伏，严影响服务质量。为解决此问题现在出现了具有上旁瓣抑制与零 点填充功能的天线，它的使用可以避免上述问题的发生。 无零点填充的天线 使用了零点填充功能的天线 1.3、方方向向性性参参数数 不同的天线有不同的方向图，为表示它们集中辐射的程度，方向图的尖锐 程度，我们引入方向性参数。理想的点源天线辐射没有方向性，在各方向上辐 射强度相等，方向是个球体。我们以理想的点源天线作为标准与实际天线进行 比较，在相同的辐射功率某天线产生于某点的电场强度平方 e2 与理想的点源天 线在同一点产生的电场强度的平方 e02 的比值称为该点的方向性参数 d=e2/e02。 1.4、天天线线增增益益 增益和方向性系数同是表征辐射功率集中程度的参数，但两者又不尽相同。增 益是在同一输出功率条件下加以讨论的，方向性系数是在同一辐射功率条件下 加以讨论的。由于天线各方向的辐射强度并不相等，天线的方向性系数和增益 随着观察点的不同而变化，但其变化趋势是一致的。一般地，在实际应用中， 取最大辐射方向的方向性系数和增益作为天线的方向性系数和增益。 天线的增益可以有以下两种定义(以电偶极子作为参照)： a: 在天线的最大辐射方向上某一固定接收点接收到相同的场强所需要在理想天 线发射的功率与该天线发射功率的比值，即 b: 在相同的发射功率下，在该天线的最大辐射方向上某一固定接收点的功率 密度平均值 s av ( ,r ()与理想天线在同一点的功率密度平均值 s av (r) 之比，即 另外，表征天线增益的参数有 dbd 和 dbi。dbi 是相对于点源天线的增益，在各 方向的辐射是均匀的；dbd 相对于对称阵子天线的增益 dbi=dbd+2.15。相同的 条件下，增益越高，电波传播的距离越远。 天线的选用并不是增益越大越好，天线的增益越大 方向图中主波束越窄， 副 瓣尾瓣越小，可以看出高的增益是以减小天线波束的照射范围为代价的。 下图给出了 allgon 公司制造的工作于 900m 和 1800m 频段的两组四个天线的 部分参数。从图中可以看到每组中的两个天线在其它指标基本相同的情况下， 当增益从 15.5dbi 增大到 18dbi 后，它的垂直方向 3db 波束宽度就从 13减小 到 6.5。所以我们在选择天线时在能满足要求的情况下尽量选择增益较小的 天线，这样可以使天线近处的覆盖效果更佳。 几种不同增益天线的比较 1.5、输输入入阻阻抗抗 输抗是指天线在工作频段的高频阻抗，即馈电点的高频电压与高频电流的 比值，可用矢量网络测试分析仪测量，其直流阻抗为 0。一般移动通信天线 的输入阻抗为 50。 1.6、驻驻波波比比 由于天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不可能完全一致，会产生部分的信 号反射，反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波，其相邻的电压最大值与最小 值的比即为电压驻波比 vswr。假定天线的输入功率 p1，反射功率 p2，天线的 驻波比 vswr=（+）/（-）。一般地说，移动通信天线的电压驻波比应小于 1.5，但实际应用中 vswr 应小于 1.2。vswr 通过以下方法计算： 假设馈线阻抗为 z0，天线阻抗为 zl，入射波为,当 z0zl 时,馈 线上就一定会产生一个相应的反射波,这时线路上某一点的电压反 射系数为： 由于存在反射波，所以从信号源来的有效功率没有全部送到负载，有一部分被 反射，这种损耗称之为“回波损耗”，用 db 定义为： 驻波比 定义为沿着传输线上的电压最大值(波腹电压)与最小值(波节电压)的 比值，即： 1.7、极极化化方方式式 根据天线在最大辐射（或接收）方向上电场矢量的取向，天线极化方式可 分为线极化，圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化，垂直极化和45 极化。发射天线和接收天线应具有相同的极化方式，一般地，移动通信中多采 用垂直极化或45极化方式。 1.8、双双极极化化天天线线隔隔离离度度 双极化天线有两个信号输入端口，从一个端口输入功率信号 p1dbm，从另 一端口接收到同一信号的功率 p2dbm 之差称为隔离度，即隔离度=p1-p2。移动 通信基站要求在工作频段内极化隔离度大于 28db。45o 双极化天线利用极化 正交原理，将两副天线集成在一起，再通过其他的一些特殊措施，使天隔离度 大于 30db。 1.9 、三三阶阶互互调调 互调干扰是由传输信道中的非线性电路产生的，当两个或者多个不同频率的信 号同时输入到非线性的电路中时，由于非线性器件的作用，会产生许多谐波和 组合频率分量，其中与有用信号频率相近而落入接收机通带内的这些频率就会 顺利进入接收机而形成干扰，这就是互调干扰，也成为交调干扰。假如我们输 入频率为 a 和 b 的两个信号，根据理论可以计算出会产生以下的干扰频率： 2 阶： (a+b),(a-b) 3 阶： (2a b,)( 2b a) 4 阶： (3a b),( 3b a),( 2a 2b) 5 阶： (4a b)( 4b a)( 3a 2b)( 3b 2a) 一般我们的工作频率都出于某一特定频带内，也就是 a 与 b 的频率相差不会很 远，根据上边的结论可以看到三阶、五阶、七阶的干扰频率中会有一些频率 落在我们的工作频带内造成干扰。从数学公式看出越高阶的系数越小，也就是 强度越弱， 一般七阶级以上的干扰都可以忽略不计，五阶的影响也远小于三阶 干扰，所以一般只考虑三阶互调干扰。互调一般都是由于天线的铁磁质材料不 纯、接触问题或设备损坏造成。但是还存在一种发射机互调干扰，这是由于基 站使用多部不同频率的发射机 (fdma) 所造成，当多部发射机处于同一地点或 者距离很近时，无论它们是各自使用天线还是公用天线，它们的信号都有可能 通过电磁耦合或其它途径进入其它发射机中，从而产生互调干扰，由于末端功 放通常工作于非线性状态，所以这种干扰通常产生于发射机末端的功率放大器 中，并且会随着发射出去。 1.10、 阻阻抗抗 由于目前在 gsm 移动通信系统中所使用的馈线阻抗一般都是 50 欧姆，为了保证 良好的匹配，减少电压反射系数，所使用的天线阻抗都是 50 欧姆。 1.11、前前后后比比 前后比是天线辐射出来主瓣的功率最大值与后半的功率最大值的比值： f/b=10log(p ( 前向 ) /p ( 后向 ) ) 现代天线的前后比一般都大于 25db 或大于 30db。前后比大的天线，从天线后 方发射出来的信号功率越小，这就能更好的减小网内干扰 1.12、隔隔离离度度 隔离度一般是指对于双极化天线或者双频天线各个天馈线接口之间的隔离度， 现代天线的隔离度一般都大于 30db。 除了这些典型参数之外，简单介绍一下通信方程式，根据该方程可以粗略估算 位于基站的覆盖范围内某一点的接收电平： 第第 2 章章 天天线线的的选选择择原原则则 2.1、城城区区内内话话务务密密集集地地区区 在话务量高度密集的市区，基站间的距离一般在 500-1000 米，为合理覆 盖基站周围 500 米左右的范围，天线高度根据周围环境不宜太高，选择一般增 益的天线，同时可采用天线下倾的方式。天线下倾的倾角计算公式为： =arctg(h/(r/2), 为波束倾角，h 为天线高度，r 为站间距离。 选择内置电下倾的双极化定向天线，配合机械下倾，可以保证方向图水平 半功率宽度在主瓣下倾的角度内变化小。 （1）对话务量高密集市区，基站间距离 300-500 米，可计算出天线倾角 大 约在 10-19之间，原天线单纯使用机械下倾的方式，下倾角一般在 10以 上，水平方向图半功率波瓣宽度将变宽，造成站间干扰；后来我们采用西安海 天的内置电下倾 9的双极化天线 htdbs096515(9)，这样电下倾加上机械下倾 可变倾角将达 15，可保证水平方向图半功率波瓣宽度在主瓣下倾的 10- 19内无变化，同时结合适当调底基站发射功率，完全可以满足对话务量高密 集市区覆盖且不干扰的要求。 （2）对话务量较密集市区，基站间距离大于 500 米，可计算出天线倾角 大 约在 6-15之间，我们采用西安海天的内置电下倾 6的45双极化天线 htdbs096515（6），这样电下倾加上机械下倾可变倾角将达 10，可保证水平 方向图半功率波瓣宽度在主瓣下倾的 6-16内无变化，可以满足对话务量 较密集市区覆盖且不干扰的要求。 （3）话务量底密集市区，基站间距离可能更大，天线倾角 大约在 3-12 之间，可采用内置电下倾 3的45双极化天线 htdbs096515（6），这样电 下倾加上机械下倾可变倾角将达 8，可保证水平方向图半功率波瓣宽度在主 瓣下倾的 3-12内无变化，可以满足对这一区域覆盖且不干扰的要求。 2.2、在在郊郊区区或或乡乡镇镇地地区区 在话务量不太密集的郊区或乡镇地区，信号覆盖范围要适当大，基站间距 离较大，可以选用单极化，空间分集，增益较高的 65定向天线，如西安海天 的（17db）65定向天线 htdbs096517 型号的天线，既考虑容量又兼顾覆盖。 2.3、在在农农村村地地区区 在话务量很底的农村地区，主要考虑信号覆盖，基站大多是全向站。天线 可考虑采用高增益的全向天线，如西安海天的（11dbi）高增益天线 htq-09-11 型号的天线，天线架高可设在 40-50 米，同时适当调大基站发射功率，以增强 信号的覆盖范围，一般平原地区-90dbm 覆盖距离可达 5 公里。 2.4、在在铁铁路路或或公公路路沿沿线线 在铁路或公路沿线主要考虑沿线的带状覆盖分布，可以采用双扇区型基站， 每个区 180；天线宜采用单极化 3db 波瓣宽度为 90的高增益定向天线，两 天线相背放置，最大辐射方向与高速路的方向一致。 另外，如果沿路方向话务量很底，既考虑覆盖又考虑设备成本，可采用全 向天线变形的双向天线，双向 3db 波瓣宽度为 70，最大增益为 14dbi，如： 西安海天的全向天线变形的双向天线 htsx-09-14 型号的天线。 2.5、在在城城区区内内的的一一些些室室内内或或地地下下 在城区内的一些室内或地下，如：高大写字楼内，地下超市，大酒店的大 堂等，信号覆盖较差，但话务量较高。为满足这一区域用户的通信需求，可采 用室内微蜂窝或室内分布系统，天线采用分布式的底增益天线，以避免信号干 扰影响通信质量。 总之，天线在移动通信网络优化中起到非常大的作用，同时馈线，馈线转换头 及室内外跳线的质量也非常大地影响移动通信基站的覆盖质量。大部分覆盖效 果差的基站是由于馈线及连接部分的质量差引起的，可通过 vswr 仪表逐级逐段 测量来判定质量差的部分，及时更换以保证整个基站天馈线部分的质量，保证 基站的运行质量和覆盖质量。 第第 3 章章 维维护护中中可可能能会会影影响响网网络络性性能能的的几几个个因因素素 当按照设计完成移动基站建设之后，天线的大部分性能指标就已经固定， 在日常的网络维护中会对网络造成影响的主要有俯仰角和驻波比这两个参数。 天线的下倾角是我们在网络优化中经常调整的参数之一，通过天线俯仰角的调 整，可以简单、有效的解决某些特定地区覆盖问题、消除越区覆盖、均衡话务 等，但是俯仰角调整过程中应当注意两个问题： 1 、天线俯仰角一般都有机械和电子两种可调。 机械倾角在度数较小时调整对天线的波束不会产生过大的影响，但是当度数较 大时调整机械倾角会导致天线辐射出的波束发生畸变，开始向两边展宽，这就 必然会对其它小区造成干扰，而且会影响本小区的信号质量。但是调整电子倾 角度数很大时天线波束不会变形，所以当下倾度数过大时，尽量以调整电子倾 角为宜。 2 、天线的俯仰角设置应当合理，否则会严重影响基站性能。 举例： 某市某地曾新开两个 1800m 基站用以吸收话务，但是开通后基站话务接近为零， 不能达到预期效果。经过仔细检查发现一个城区基站天线位于很高的铁塔之上， 为了更多吸收话务，俯仰角设置很小，结果城区内接收到的信号电平都非常弱， 由于 900m 信号较强，用户根本不能占用 1800m 信号。 另外一个位于旅游景点 附近，十余米高的天线下倾角设置到 15 度左右，结果在景区内走到距离天线 稍远处接收到的信号电平就急剧下降，迅速切换， 导致基站话务量很低。将这 两个站俯仰角重新调整后恢复正常。 天线的驻波比应该是固定不变，但是实际使用中由于天馈线进水，过度弯曲， 馈线受损，天线受损或者连接处接触不良等原因都会导致在机柜处测量到某些 频段内驻波比升高，超出规定值。根据以前的介绍可以看到驻波比的升高会导 致反射功率增加，正常输出功率减少，这就会使基站输出的某些频率的信号功 率大幅度减少，轻则导致通话过程中噪声很大， 影响话因质量，重则整个小区 无法正常通话，呼叫建立成功率极低。发生这种情况就必须尽快查明原因，尽 快解决。 第第 4 章章 通通过过调调整整天天线线参参数数优优化化网网络络的的案案例例分分析析 4.1、根根据据不不同同的的地地理理环环境境调调整整基基站站无无线线参参数数以以改改善善基基站站覆覆盖盖效效果果 （1）、天线选型和基站站型不当 白山移动张家基站：o4 站型改为 s222 站型 该基站原使用公路双向天线 4 根，分两扇区十字型架设。基站所处地为山区， 基站周围用户群呈胖椭圆形分布，有一条东西走向的公路自用户群中间通过， 沿公路方向用户群分布基本在同一水平面，无起伏现象，与公路垂直方向的用 户群分布较分散，且处于低洼里，因为天线架设较高（挂高 60 米），加之公路 双向天线无法调节俯仰角，在基站北偏西 45 度处有一企事业单位办公区，信号 较弱，通话困难，该区集群用户多次投诉，处理多次均无法解决。经现场路测， 投诉区信号为-90 至-98dbm，信号弱区小余-85dbm，其他区域信号良好。勘测 后认为，该地区用户分布较广，数量较多，天线架设过高，天线选型不当，不 宜用公路双向天线进行覆盖，建议将该基站改为 s222 型定向站，采用三面双极 化定向天线加以解决。经更换天线、重调俯仰角及方位角后，问题得到圆满解 决，整个覆盖区内通话良好，客户非常满意。 （2）、天线架设选型不当，造成覆盖不好 白山移动八道沟基站：原站型为 o2 基站，现更改为 o2+s2 型基站。 八道沟基站位于距白山市约 200 公里长白山之中，该基站为全向站，采用凯瑟 琳公司 11dbi、0 度全向天线两根，天馈线驻波比测试均在 1.4-1.5 之间。基站 架于中朝边境的鸭绿江西岸中国侧，基站建在一座高约 120 米的山上，铁塔高 度 50 米，用户群分布分散，地形复杂，周围群山的山上及山腰处、基站所在的 山下的八道沟里均有大量用户群分布。由于八道沟地势较低，尽管距基站仅有 1 公里，但信号非常弱，而且飘忽不定。在八道沟中测试，路面信号为-65 至- 85dbm,室内信号为-95dbm 以下,无法通话；周围山上信号均在-85dbm 以上，能 良好通话。经勘测和了解，该基站覆盖远端带有两个直放站。所以，用户要求 既要保证远处山上及山腰的用户群能良好通话，又要保证山下八道沟内用户能 良好通话，同时网络的覆盖范围不能缩小。经认真勘测，综合考虑后，决定对 八道沟基站原来所用的凯瑟琳全向天线更换为 11db 全向天线，另外，对该基站 增加一个定向扇区，采用 17dbi 双极化定向天线一面，用于专门覆盖八道沟内 的用户群，经改装后的基站信号覆盖效果非常好，不仅使周围群山上的信号得 到增强，而且使八道沟内的室内外信号均高于-75dbm，用户非常高兴。 （3）、天线选型和基站天线方位角不当 长征路基站：站型改为 s4/3/3 站型 该基站为地面铁塔站，站型为 s4/3/3 型，天线挂高 40 米，原使用凯瑟林 双极化 14dbd 天线 3 面，分三扇区架设。基站所处地为市区，基站周围用户群 呈圆形分布，有一条南北走向的公路自用户群中间通过，沿公路方向用户群分 布基本在同一水平面，无起伏现象，与公路垂直方向的用户群分布也较集中， 主要为居民区。因为原天线水平瓣宽为 60 度，天线方位角设计不合理，在基站 北偏东 20 度处有一同升村小区，处于两扇区相交之处，信号较弱，通话困难， 该区集群用户多次投诉，处理多次均无法解决。经现场路测，投诉区信号为-85 至-97dbm，信号稳定性差，电平起伏在 20db 左右，其他区域信号良好。勘测后 认为，该地区用户分布较广，数量较多，由于原天线水平瓣宽较窄，该信号弱 区正好处于两扇区夹缝处，主要靠天线旁半覆盖，造成信号不稳定，掉话较高。 建议将该基站改用水平波瓣较宽的 90 度 17dbi 双极化天线进行定向覆盖，并重 新规划天线各扇区的方位角。后经更换天线、重调俯仰角及方位角后，问题得 到圆满解决，整个覆盖区内通话良好，客户非常满意。 地形示意图： 4.2、调调整整天天线线覆覆盖盖范范围围以以改改善善话话务务量量、解解决决切切换换和和乒乒乓乓效效应应现现象象 乒乓效应、覆盖不好 （1）、白山兴原一号站、二号站（乒乓效应、覆盖不好）： 兴原朝鲜族自治县，位于长白山区，中朝边境处，县城周围群山环绕，县城内 有两个定向基站，距县城约 2 公里处有一个全向基站。城内一号基站建于县城 中央的建筑物顶，天线挂高 45 米，俯仰角 5 度，基站话务量较大，站型为 s888，负担沉重，每日 12 时-14 时，18 时-20 时均有拥塞现象；兴原二号站建 于县城北面的高山上，天线挂高相对覆盖平面 300 米，天线俯仰角 3 度，站型 s224，话务量很低。测试中发现，县城街道及周围公路上两基站信号均较强， 电平为-60 -75dbm 之间，切换频繁，但进入室内信号急剧下降，信号强度为 -85 -98dbm,用户投诉频繁。 经过现场勘查发现，县城用户群分布密集，虽然楼方高度只有六层左右，但楼 群相互距离近，密集度高，信号阻挡严重。根据此情况，我将县城内的基站天 线下倾角调至 0 度，用于覆盖县城周围的公路。将县城北面山上的基站正对用 户群的 1、2 扇区下倾角调至最大 15 度，居高临下用于覆盖城内用户群。如此 调节后，整个县城及周围地带信号均得到明显增强，室内信号由原来的不能通 话提升到-60- -75dbm,话音清晰良好，频繁切换现象消失，一号基站的话务量 有所回落，二号基站即山顶基站的话务量大幅度提高，基站站型由原来的 s224 站型扩为 s464 站型。 该站地形分布情况如图： 4.3、调调整整天天线线以以减减少少周周围围干干扰扰提提高高通通话话率率 （1）、湖南邵阳郊外一基站 该基站站型为 s222，基站天线挂高 65 米，采用 65 度 15.5dbi 双极化天线 3 面，话务统计中发现 b 扇区话务量为 0，路测覆盖电平均大于-70dbm。经现场 检查测试发现，该基站 b 扇区受到较强的外来信号干扰，造成基站长期无法通 话，接通率为 0。经仪器测试并分析，发现干扰源来自附近一广播电视局的数 字微波站。经协商，广播电视局的微波站暂时关闭后，干扰消失，基站通话恢 复正常，微波站开通后，干扰信号又出现。针对这种情况，建议对该基站加装 滤波器，并对基站天线方位角作适当调整，使主波瓣指向避开干扰信号源来向。 该方法实施后，基站通话恢复