无线组网中天线的选型和参数优化-有大量案例.ppt

1、无线组网中天线的选型和参数优化,姚中兴 教授 西安海天天线科技股份有限公司 2003年6月,目 录,一、天线参数在无线组网中的作用 二、无线覆盖中对不同地形的几点考虑 三、不同地区基站天线架设的建议 四、天线下倾的作用 五、调整天线参数，改进网络性能,一、天线参数在无线组网中的作用,天线是完成将传输线中的高频电磁能转化成空间自由电磁波，或将空间中的自由电磁波能量转化成传输线中的高频电磁能的专门设备，因此没有一个好的天线就不会有好的无线网络，没有天线的良好工作状态也同样不会有好的网络性能。 天线有许多参数决定着无线网络的性能，由于篇幅限制我们这里仅从与网络优化最密切的覆盖问题作一简要介绍。,1、

2、无线覆盖主要由天线的方向特性来决定，天线的水平波束方向图决定了覆盖区域的面积。,这是一种理想的情况下的覆盖图，由于地面上有房屋、树木及其它设施，实际覆盖后的图形斑斑点点极不均匀，不规则的图。 天线的垂直波束宽度及天线增益的参数决定了覆盖区内功率强度的分布。 我们通常从理解上用通信方程式表现这种功率强度的分布关系。 PT（dBm）=PR（dBm）+20log 4r(m)/min(m)-GT(dB)-GR(dB)+LC(dB)+LO(dB),式中：LC是基础发射天线的馈线损耗 LO是传播途中的电波损耗 在系统设计时，LO应留有足够的余量，一般电波传播损耗与传播途中自然条件与地理条件有关，如经过树木

3、及土木建筑时有10-15dB损耗，经过钢筋水泥建筑时约有25-30dB损耗。 对于800MHz、900MHz的CDMA和GSM系统通常认为手机接收门限-104dBm，而实际接收的信号应高出10dB左右，才能保证手机收到的信号达到信干比要求，为此我们常要求PR=-70dBm来计算.,设基站有如下参数: 发射功率 PT=20W=43dBm PR=-70dBm LC=2.4dB(约60米长的馈线) 手机天线增益 GR=1.5dB 工作波长 =33.333Cm=0.333m(fo=900 MHz),代入上式变成为： GT(dBi)20logR(m)-80.1dB+L0 即，如果GT=11dBi(全向天

4、线)，收发天线距离R=1000m，代入上式 LO31.1dB 如果LO满足小于31.1dB时，则该基站与手机能保证在1公里之内获得良好通信。 在上述同样损耗条件下，如发射天线GT=17dBi即提高6dB，则通信距离可增加一倍即R=2000m。,另外，如保持GT=11dBm不变，而是LO减少20dB则R可增加10倍，即R=10000m，但是LO与周围的自然条件与地理条件密切相关，在城区高层建筑多而密集，LO损耗就很大，在郊区农村房屋少而低，LO损耗就很小，这说明即使基站的设置完全相同由于使用环境的不同，覆盖功率的效果千差万别，从而通信效果也就不尽相同，因此天线在无线组网中的任务也就显得十分复杂，

5、对不同的地形地物，根据话务分配情况选择合适的天线及合理的调整就是十分重要的。,二、无线覆盖中对不同地形的几点考虑：,1、 城市繁华地区 特点是人口密集、话务量高、低速运动覆盖范围小、基站密集功率小。 主要考虑的问题：有效控制覆盖范围，在覆盖期内保证信号电平均匀，防止产生邻区及跨区同频干扰，基站均为三扇区制，天线选型一般为水平波束65度或60度。中等增益15dBi天线，采用双极化实现分集接收，最好采用连续可调电下倾天线。同时注意高前后比及低上副瓣的要求。,2、 郊区 特点：人口不太密集，但有相当话务量，覆盖范围较广，基站间距较大。 主要考虑问题：以覆盖为主，同时考虑减少干扰，特别是城乡接合部，基

6、站仍以三扇区型为主。,天线选型： 当周边基站较少时，可选用水平波束宽度为90度的基站天线，以增强相邻小区间的覆盖场强，特别是在小区接合部有话务量要求时。如周边基站较密时，仍选用65度的天线。由于郊区话务量小于城区，覆盖范围较城区大，故可采用高增益17dBi或18dBi的天线。由于定向天线中，高增益天线垂直波束存在零点，如基站附近有话务量要求时，可采用赋形天线或内置电下倾天线（3o、5 o、7 o）。对分集接收方式，有条件的可采用垂直单极化天线，也可采用双极化天线。,3、 农村 特点：广覆盖、话务量少、基站间距大、基站功率大。 天线选型建议：采用全向11dBi天线，如果在基站附近有话务量要求时，

7、可采用内置电下倾（3o、5 o、7 o）的全向天线。,4、在铁路及公路沿线 特点：主要是沿线有覆盖要求，话务量少，此时覆盖应采用带状结构，基站采用两扇区制较合适。 天线选型建议：对两扇区结构可采用水平波束宽度为65度或90度的高增益18dBi天线，用单极化空间分集方式对全向制基站，建议采用我公司研制的公路双向天线，它是由全向天线变形得到的。 若铁路及公路还穿过镇，则不仅兼顾公路、铁路覆盖，还有兼顾村镇，此时建议采用三扇区制和全向站型。,案例： 湖北省移动贺镇为铁路穿过该镇，原移动公司在镇上设有两扇区基站，S2、S4为铁路旁B扇区覆盖铁路，覆盖情况良好。但是当火车通过该小区并短暂停留时，B小区严

8、重阻塞，SDCCH阻塞率达52.1，后将该基站改为全向站06后，阻塞率明显下降，下降至0.76%。,5、两省交界处的两个城市 特点：由于两省移动公司各有一个经济核算，所以在边界基站的小区定义方面均有所偏向，出现的问题是一方仍未出省，手机开始漫游到别省跨距覆盖，为此严格控制边界处的覆盖电平，重新定义切换门限电平及邻区定义。,三、不同地区基站天线架设的建议,在不同的基站架设的高度主要取决于覆盖的范围大小，通常可以有以下意见参考： 城市hb30米 郊区hb45米 农村hb6080米 天线覆盖的范围不仅取决于天线架设的高度，还与它的俯仰角密切相关，如曲线所示。,四、天线下倾的作用,1、 天线下倾可以使

9、小区覆盖面积变小，控制覆盖范围的大小。天线下倾使天线在垂直方向上的增益减小。降低了垂直方向上来的干扰的耦合能力。 2、天线下倾后，加强了主覆盖区内信号电平，改善了小区的信号环境，增强了抗同频干扰能力。 3、天线下倾改善了因垂直波束方向图中零点形成的“塔下黑”区域，但是也应当注意到：,(1)应根据天线的垂直方向图提供的数据具体计算后进行下倾，保证服务区的覆盖范围，但又不形成覆盖盲区； (2)天线下倾后，应注意上副瓣及尾瓣可能造成的对其他小区的干扰； (3) 天线机械下倾角度过大，会引起水平方向区畸变，使覆盖范围不易控制。,天线下倾角的计算： 根据基站高度、基站距离，可由下式计算天线倾角： = a

10、rctg h / r/2 式中，天线倾角，h为天线高度，r为站间距离。 实际天线下倾角还应扣除垂直波束3dB宽度，在实际调整中，波束最大点对准主要覆盖区，根据主波束宽度决定主要覆盖区的宽度及边缘区的电平。,对话务量高密集区，基站间距300米到500米，计算得出大约在100190之间。 对话务量中密集区，基站间距大约在500米左右，大约在60160之间。 对低话务量区，基站间距更大些，大约在30130之间。 另外，天线周围不能有明显的阻挡物。,五、调整天线参数，改进网络性能,(一)、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 1、白山移动张家基站(天线选型和基站站型不当)：O4站型改为

11、S222站型 该基站原使用我公司公路双向天线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，移动公司处理多次均无法解决。为此，白山移动公司运维部向我公司求助，我余10月21日到达，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

12、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099017的定向天线加以解决。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。,地形示意图：,箭头为更换定向天线后各扇区方位角,2、白山移动八道沟基站（天线架设选型不当，造成覆盖不好）： 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

13、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海天公司的HTQ-09-11型全

14、向天线，另外，对该基站增加一个定向扇区，采用海天HTDBS099017型天线一面，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。,现场地形图如下：,定向天线覆盖,基站,用户分集,山,3、白山移动泥里河基站（覆盖不好）： 位于白山市辖区内的十三道沟，基站为O2站型，采用我公司TQ-09-11全向天线，基站建于一20米的高坡上，铁塔高为70米，天线总挂高为90米，距基站800米-1200米范围内有一村庄，为用户密集区，在村里可看见基站，但信号很弱，通话时断市续，掉话频繁，用户投诉严重。经测

15、试，天线驻波比良好（小于1.3），村内信号为-80至-95dBm之间。由于该地区除村庄外，周围都是森林，只有一条公路自远处通过。白山移动公司要求只覆盖村镇，对公路远端可作出牺牲。,根据此情况，我建议其将原0度全向天线更换为我公司下倾7度的全向天线。后经移动公司更换后，村镇内信号均在-75dBm以上，通话效果非常好，频繁掉话现象消失。 地形及用户分布图：,4、邯郸移动空军干休所基站（利用建筑物反射，提高阻挡区信号电平） 河北邯郸市一繁华商业街，因周围新建的居民楼阻挡，信号电平很低，无法通话，用户投诉严重。该信号弱区周围1000米范围内有三个基站，但因建筑物阻挡，三个基站的信号均无法直射该区域。由

16、于移动公司考虑到在该处新建基站或采用室内分布系统解决成本较高，因此问题一直未得到解决。2002年8月，邯郸移动在用户的投诉压力下向我公司求助，希望通过更换天线来解决该问题。,经我公司技术人员到场勘察地形及基站分布后，建议借助周围基站信号，利用部分建筑反射即可解决该区域问题。经过我公司工程技术人员对周围的空军干休所基站天线的方位角和俯仰角仔细调解后，通过居民大楼反射，使得该商业街信号电平由原来的-90dBm以下提高到-80dBm以上，经拨打测试，通化清晰，而且路测发现其它区域信号电平的变化不大，均能很好的满足童话要求。对此，邯郸移动运维部人员非常高兴，并向我公司技术人员表示感谢。该区域地形示意图

17、如下：,该基站原覆盖区 调整后覆盖区,该基站原覆盖区,调整后覆盖区,信号弱区及投诉区,5、动长征路基站(天线选型和基站天线方位角不当)：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，原使用凯瑟林公司双极化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

18、诉，移动公司处理多次均无法解决。,为此，孝感移动公司网优部向我公司求助，我余11月11日到达，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HTDBS099017型天线进行定向覆盖，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：,原天线覆盖方位角,更换后天线覆盖方位角,6、大连移动

19、火石岭基站改型案例 火石岭基站是一个全向配置的基站，位于高等级公路过山段，山体两侧为两个工业基地，分布较多的用户，基站位于公路边的小山头上（火石岭），周围是较开阔的地带,无遮挡，采用两根凯瑟琳11dBi全向天线安装于铁塔之上，天线相对挂高约100米。主要的服务区是沿公路两侧方向，服务区半径约为3500米，覆盖情况较差，存在多处盲点和较差区域（小于-95dBm）。,经和大连移动优化工程师林工、刘工现场测试发现，小区覆盖只有2000符合使用要求（大于-90dBm），且塔下黑问题特别严重，约1000米不能正常呼叫（小于-95dBm）。现场勘查以后发

20、现此基站存在如下的问题：,1、基站选址过高，使得塔下黑问题严重。 2、天线选型不当。因为天线相对挂高较高，而服务区的半径较小，用户分布大部集中在沿公路两侧的工业区，对应天线的视角较小。需要使用较大内置倾角的全向天线。 3、存在明显的安装问题。不符合全向天线的使用要求。 火石岭基站 地形简单附下：,火石岭基站,结合以上情况，提出更换我公司为解决高山站研发的“塔下亮”天线HTQ-09-11（5），利用它内置的波束倾角，使得能量更集中在塔下，同时保证良好的规范安装。经重新测试表明，整体上提高约10dBm，原来的 “塔下黑”和掉话现象基本解决，实测的覆盖情况完全达到了局方的使用要求。为海天天线在大连移

21、动的使用树立了良好的口碑。,此案例结合通化联通全向站的整改说明如下问题： 1、充分的掌握和利用各种天线的特性，善于利用它们的特点来解决现场问题。 2、主波束下倾的天线往往都会带来覆盖区的减小，同时它的增益也会随着倾角的加大而降低（每下倾1度会带来约0.1dB的损失）。在使用它们的时候要充分考虑内置倾角带来的增益和服务区减小的问题。,全向天线的安装要求较定向天线严格的多。在处理全向站的问题时，首先要细致的检查它的安装是不是规范，还要检查安装对地是不是垂直，一定不能使用定向天线的抱杆来安装全向天线。,(二)、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 1、白山移动兴原一号站、二号站（乒乓

22、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，局方非常头痛。,经过现场勘查发现，县城用户

23、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，白山移动非常高兴。 该站地形分布情况如图：,一号站,二号站,乒乓效应,2、延边移动长白山景区防火塔基站（选型恰

24、当可节省资源） 延边移动原在长白山景区山门外建有一定向三扇区基站，主要覆盖进山公路和景区，但由于该基站地处长白山森林的覆盖之中，基站天线架高约50米，距离长白山天池约20多公里，无法覆盖到景区内。长期以来景区长白山天池均处于信号弱区或盲区，游客投诉较多。为了解决此问题，延边移动计划在长白山山门内建设两个定向基站以解决覆盖问题，其中一个基站距山门约5公里，另一个基站位于长白山主峰上。就在建站前，延边移动,了解到我公司有很多种型号，适用于各类地形的特种天线，于是向我们求助。后经我公司技术人员现场勘测后，认为该地区只需建设一个定向基站，采用海天公司HTDBS093021型高增益天线即可解决覆盖问题。

25、当时延边移动对我工程师所言将信将疑。2002年4月低，按照我公司人员建议，在距长白山天池约15公里处的防火塔上架设一个三扇区定向微蜂窝基站，采用无线传输，进行覆盖试验。开通后整个长白山天池景区及进山公路覆盖效果非常好，距基站约15公里的山顶信号强度也在-80dB以上，客户非常高兴，称海天天线创造了奇迹。该基站具体情况如下：,基站采用MOTOROLA 20W微蜂窝基站，站型S222，天线型号HTDBS093021,基站天线挂高32米，用户分布间地形图，基站A扇区对准上山公路，下情5度，B扇区对准天池景区，上翘3度，C扇区对准公路另一段（出山公路），下倾0度。 地形分布图：,天池主峰,森林,用户,

26、公路,基站,进山山门,另一基站,3、沈阳移动东方大厦基站（越区覆盖） 原基站站型S666,主设备采用爱立新GSM900MHz定向基站，天线采用凯斯林双极化、65度、15.5dBi，架设高度60米。 该基站地处沈阳火车站东侧的东方大厦楼顶，地处闹市区，移动用户量密集，基站天线下倾角度已调至最大值16度，该基站希望覆盖范围800米左右，主要覆盖火车站广场，但实际覆盖范围超过两公里，严重抢占邻近基站覆盖区内的用户群，造成该基站负担沉重，而周围基站话务量很低。由于大机械角度下倾，使得覆盖区产生波形畸变，本基站各扇区交界处信号均较强，切换频,繁，基站掉话率一直居高不下。后经我公司技术人员现场勘测后，建议

27、将该站天线更换为海天电调天线HTDTBS096515型，2002年元月，更换天线后，并将天线下倾角度由原来的机械下情16度，改变为电调下倾20度，测试发现该基站覆盖范围明显缩小至800米左右，与周围基站的越区现象消失，该基站话务量有所回落，周围基站话务量有明显上升。运行4个多月后，2002年5月，我技术人员再次前往沈阳移动，了解该基站的运行情况，沈阳移动的李明工程师高兴得告诉我们，该基站目前的掉话率很低，接通率大幅提高，越区和频繁切换的现象再未出现过，对此他代表沈阳市移动分公司对我们表示非常感谢。该基站地形环境如下：,希望覆盖,4、沈阳移动中兴大厦基站（越区覆盖，干扰周围基站） 该基站位于沈阳

28、市最繁华的商业区太原街旁的中兴商厦上，基站站型S666，采用爱立信900MHz基站设备，天线挂高越50米，采用凯瑟琳双极化65度15.5dBi板状天线。该基站A扇区被引入中兴大厦作室内分布系统，以解决大厦内部的用户通话问题，B、C两扇区用于商业街覆盖。由于该基站地处繁华商业区，周围建筑物密集度大，而且附近分布的基站较多，距该基站500米的范围内分布有三个定向站，其天线架设高度均在20-30米高度，远低于中兴大厦基站天线架设高度。据沈阳市移动公司运维人员反映，自该基站开通以来基站话务量一直很低，且路测时发现该站覆盖的距离非常有限，而且与周围基站产生明显的,重叠覆盖，造成周围基站的掉话率较高，虽经

29、运维人员多次调节，效果一直不明显。后经我公司技术人员现场勘察测试后，发现该站由于架设较高，C扇区正对低矮建筑群，信号覆盖较远，与周围基站信号切换较频繁，因该站信号相比强度较弱，难以吸收到话务量。另外，该基站B扇区安装位置正前方刚好被一新建的办公大楼完全阻挡， 原定的覆盖区太原路无法收到该站信号。我公司技术人员根据此情况，建议将中兴大厦B扇区迁移至中兴大厦靠近太原路的楼边上，并把原基站所用天线更换为海天电调天线，重新调节天线方位角和俯仰角，改造后的基站话务量得到明显提高，原太原路上的覆盖距离也明显增加，基站希望覆盖区内的信号大幅提高（提高约10dBm以上）。地形分布图如下：,太,原,街,其他各基

30、站实际覆盖区,中兴大厦基站B、C扇区希望覆盖区,中兴大厦基站C扇区原主瓣覆盖区,两基站重叠覆盖区,5、白城移动辛庄基站（基站参数设计不对） 原基站为O4型全向站，采用凯瑟琳11dBi全向天线两根，设备采用爱立信公司全向900MHz基站。后在七扩工程中将该基站改为S222型定向站，采用我公司HTDBS099017型定向天线，基站开通后发现，向基站方向行进时，无法切换到该基站，即使到基站跟前，手机也是由另外一相距7公里的远方基站锁定，信号很弱，难以通话。将手机关机后重开机，才会收到该基站很强的信号。自该基站处远离时，信号也是由该基站一直锁定，不与其他基站进行切换。经我公司现场工程师与移动公,司运维人员仔细测试分析认为，问题应该是由基站切换关系未作造成，经检查基站设备参数设置，发现确实如此，修改该基站切换参数后，一切恢复正常。 另外，造成切换问题的因素还有切换优先级定义不当，时钟不同步，小区接反，小区参数定义反，天线俯仰角调节不当等等。应根据不同情况，仔细测试分析。,（三）、调整天线以减少周围干扰提高通话率,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，采用海天HT