第二章网络覆盖优化

移动通信网络优化第二章网络覆盖优化本章主要内容2.1

无线电波传播2.2

天线原理和使用2.3

网络覆盖的评估指标2.4无线网络覆盖优化案例无线电波传播无线通信信道的特点终端的随意移动性传播信道的开放性传播环境的复杂性无线电波传播的方式电磁波是由无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等组成。移动通信中的信道采用无线电波作为传播载体。无线电波频谱划分频段名称（频率角度）频段范围频段名称（波长角度）波长范围超低频（SLF:SuperLowFrequency）30Hz—300Hz超长波10兆米—1兆米特低频（ULF:UltraLowFrequency）300Hz—3000Hz特长波100万米—10万米甚低频（VLF:VeryLowFrequency）3KHz—30KHz甚长波10万米—1万米低频（LF:LowFrequency）30KHz—300KHz长波10千米—1千米中频（MF:MiddleFrequency）300KHz—3000KHz中波1000米—100米高频（HF:HighFrequency）3MHz—30MHz短波100米—10米甚高频（VHF:VeryHighFrequency）30MHz—300MHz米波10米—1米特高频（UHF:UltraHighFrequency）300MHz—3000MHz分米波10分米—1分米超高频（SHF:SuperHighFrequency）3GHz—30GHz厘米波10厘米—1厘米极高频（EHF:ExtraHighFrequency）30GHz—300GHz毫米波10毫米—1毫米频率越低，传播损耗越小，但穿透能力差；而频率越高，传播损耗越大，但穿透能力越强。无线电波的传播方式无线电波通过多种方式从发射端传送到接收端。在移动通信系统中，主要有以下几种传播方式：直射波、反射波、绕射波、散射波、透射波。无线电波的传播方式移动通信系统中，实际的接收信号是直射波、反射波、绕射波、散射波和透射波五种波的合成。不同的场景，各种信号的比例不同农村：直射波、反射波城市：反射波、绕射波和散射波补充：Rake接收机无线电波传播的四种效应信号从发射端到接收端的过程中，会产生四种效应：阴影效应、远近效应、多径效应和多普勒效应阴影效应由于大型建筑物或其它物体对电磁波传播路径的阻挡而形成电磁波覆盖的半盲区，这种现象称为阴影效应。远近效应由于移动用户与基站的距离各不相同，如果用户终端的发射功率一样，那么到达基站时信号会强弱不一，距离基站近的信号强，距离基站远的信号弱。强信号会影响弱信号的接收效果，这就是远近效应。无线电波传播的四种效应多径效应在移动通信系统中，信号被建筑物、树木、车辆等反射、折射或散射等，形成多条时延不同的传播路径。这些不同路径的信号在接收端形成不同相位信号的叠加，因而造成接收端信号强度快速增强或减弱。这种现象称为多径效应。多普勒效应多普勒效应是指物体辐射波的波长会因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波长变短，频率变高；在运动的波源后面，波长变长，频率变低。波源和观测者的相对运动速度越大，这种效应就越明显。多普勒效应可以表示为下面的公式：无线电波的传播损耗无线电波在传播过程中会产生路径传播损耗，这种损耗可分为慢衰落损耗和快衰落损耗。衰落损耗：是指无线电波在传播路径上受到建筑物或地形等的阻挡，而产生的损耗。快衰落损耗：是指由于多径传播产生的损耗。无线电波传播模型自由空间传播模型为传输损耗，单位是dB。f为频率，单位是MHz。d为传输距离，单位是km。无线电波在实际环境中的传播非常复杂，受到各种因素的影响，难以准确预测它的传播情况。但人们通过对电波传播的大量测量和研究，开发出了一些传播模型，可以用来估测它的传播损耗，并广泛应用于无线通信网络的规划设计工作。无线电波传播模型例题2-1：当电磁波在自由空间传播时，如果频率增加一倍，路径损耗增加多少dB？如果传输距离减少一倍，路径损耗减少多少dB？解：（1）设电磁波原来的工作频率为f0,则频率增加一倍后变为2f0，其路径损耗变成：=32.4+20lg2f0+20lgd=32.4+20*lg2+20lgf0+20lgd=38.4+20lgf0+20lgd所以，当频率增加一倍时，路径损耗增加6dB。无线电波传播模型（2）设电磁波原来的传输距离为d0,则减少一倍后变为d0/2，其路径损耗变成：=32.4+20lgf+20lgd0/2=32.4+20*lgf+20lgd0-20lg2=26.4+20lgf0+20lgd所以，当传输距离减少一倍时，路径损耗减少6dB。工程常用的传播模型模型适用范围Okumura-Hata模型适用于150-1500MHz，宏蜂窝预测Cost231-Hata适用于1500-2000MHz，宏蜂窝预测CCIR适用于150-2000MHz，一般市区宏蜂窝预测LEE适用于450-2000MHz，宏蜂窝预测K参数模型适用于800-2000MHz，宏蜂窝预测实际环境中的无线传播损耗不仅与频率、距离有关，还与地形地貌、收发天线的高度等因素有关。很难用一个准确的理论公式来计算。在工程中，多采用一些经验公式和模型来满足工程上的估算。Okumura-Hata模型适用于150-1500MHz的宏蜂窝；基站天线有效高度为30-200米；移动台天线高度为1-10米；通信距离为1-20km；地形为城区、郊区、开阔地、丘陵、山地和水域等。Lp：基站到移动台的路径损耗，单位为dB；f：载波频率，单位为MHz；hb：基站天线高度，单位为m；hm：移动台天线高度，单位为m；a(hm):移动台天线修正因子，单位为dB;d:基站到移动台的距离，单位为km。Okumura-Hata模型在郊区，传播模型修正为：Lp=Lp(市区)-2[log(f/28)]2-5.4在开阔地，传播模型修正为：Lp=Lp(市区)-4.78(logf)2-18.33logf-40.98a(hm)=(1.1logf-0.7)hm-(1.56logf-0.8)对于城市中心：a(hm)=8.29(log1.54hm)2-1.1,f≤300MHZa(hm)=3.2(log11.75hm)2-4.97,f﹥300MHZCost231-Hata模型当频率范围在1500-2000MHz时，可以使用Cost231-Hata模型。公式如下：其中，Cm=0dB，中等城市和郊区Cm=3dB，大城市天线原理和使用天线的基础知识天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波，或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的专用设备。半波振子天线例题2-2：某移动通信网络的工作频率范围为820MHz至890MHz，问适用于该网络的天线应采用多大尺寸的天线振子？解：根据公式λ=v/f，(v=3*108m/s）,当f=820MHz时，1/2波长约为183mm；当f=890MHz时，1/2波长约为169mm。此时应采用天线振子的尺寸应取183mm和169mm的平均值，即176mm。天线的辐射方向

半波振子辐射图

俯

视

侧

视

立

体

天线的辐射方向全向天线和定向天线辐射图全向天线俯视图

定向天线俯视图

天线的基本特性天线增益天线的增益定义为将天线辐射电磁波进行聚束以后，比起理想的参考天线，在输入功率相同条件下，在同一点上接收功率的比值。dBi用于表示天线在最大辐射方向场强相对于全向辐射器的参考值；而dBd表示相对于半波振子的天线增益。0dBd等于2.15dBi例题2-3：对于增益为16dBd的天线，其增益按单位dBi进行折算后应为多少？解：根据0dBd等于2.15dBi，当增益为16dBd时，相当于18.15dBi。天线的波瓣宽度水平波瓣宽度，也叫水平半功率角，是指在水平主瓣方向上，功率下降到最强方向一半（衰减3dB）时的夹角（图2-9）。基站天线水平波瓣宽度示意图垂直波瓣宽度，也叫垂直半功率角，是指在垂直主瓣方向上，功率下降到最强方向一半（衰减3dB）时的夹角天线的极化天线的极化方向，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波

垂直极化

水平极化双极化天线，是指在一副天线罩下把不同极化方向的两副极化天线做在一起的天线。双极化天线一般分为垂直与水平极化和±45°极化两种方式±45度极化垂直/水平极化前后比：是指定向天线的前向辐射功率与后向辐射功率之比后向功率

前向功率天线的工程参数天线高度基站天线架设的越高，无线电波的传播损耗越小，基站的覆盖范围越大。如果个别基站天线架设过高，会造成以下影响：话务不均衡系统内干扰天线方位角天线的方位角为定向天线水平波瓣的主瓣方向与正北方向的夹角。天线的方位角决定了该扇区的覆盖方向。天线倾角为天线与垂直方向的夹角。调整基站天线的倾角，可以合理控制基站覆盖范围，并使天线对其他小区的干扰减至最小。基站天线倾角的大小可以由以下公式推算：θ=arctan(h/R)θRh在实际网络中，一般在上式得出的计算结果基础上，再增加2度左右，使信号更好地控制在本小区的覆盖范围之内。例题2-4：某基站天线架设在楼顶，楼高32米，天线比楼顶高出15米。网络设计要求该基站覆盖半径约为500米。请设计该基站天线合理的倾角。解：依据公式θ=arctan(h/R)可知，天线倾角θ=arctan[(32+15)/500]

≈5度在实际网络中，需在5度的基础上，再增加2度。所以该基站天线合理的倾角为7度。基站天线倾角的调整方式机械调整方式电子调谐方式电调天线，是指可使用电子方式调整下倾角度的天线带预置电倾角的天线网络覆盖的评估指标GSM网络覆盖标准：Rx_Power≥-90dBmCDMA网络覆盖标准：Ec/Io≥-12dB且Rx_Power≥-90dBm且Tx_Power≤15dBmRx_PowerGSM系统中，Rx_Power表示在工作频点上接收的电平强度。CDMA系统中，Rx_Power表示在整个1.2288MHz带宽上总的接收功率。Ec/IoEc/Io指每码片信号能量与总功率密度之比。在CDMA系统中，Ec/Io反映了信号的干扰水平。Tx_Power在CDMA系统中，移动台发射电平Tx_Power反映网络的反向覆盖能力。无线网络覆盖的问题及优化弱覆盖问题及优化对于G网来说，如果DT和CQT指标显示Rx_Power弱，对于C网来讲，如果显示Rx_Power弱、Tx_Power高，同时Ec/Io较差，说明该区域属于弱覆盖区域。1.调整天线方位角对于不在天线主覆盖方向的，可以调整天线方位角，使天线水平波瓣的主瓣正对覆盖区，增强信号强度。例题2-5：在日常投诉处理中发现，某市的望都楼小区出现用户投诉，通过现场测试，望都楼小区的室内接收电平Rx_Power为-90dBm，信号较弱，通话质量较差。问题分析与解决：通过分析，该小区属于新建居民小区，周围最近的基站A的2扇区方位角为310度，由于小区刚刚建成，天线主瓣方向没有正对小区，造成小区内信号较弱，引起投诉。解决方案是对基站A的2扇区天线方位角进行调整，将基站A的方位角由310度调整为270度，使其主波瓣正对该居民小区（见图2-17）。调整后，经测试，该小区室内信号达到-72dBm，通话质量良好，弱覆盖问题得到解决。2.调整天线倾角例题2-6：在GSM网络例行测试时发现某村庄的Rx_Power介于-88～-95dBm之间，通话时常常发生掉话。问题分析与解决：发现问题地区周边基站的分布如图2-18所示。其中基站A距离该村庄1.5km,其余基站距离该村庄都在2km以上。但是在测试中发现在该村庄基站A的信号强度并没有明显强于基站B、C、D,因而决定对基站A进行现场勘查。基站D基站B基站C基站A村庄经现场勘查发现，基站A的1扇区天线挂高为55米，方位角为150度，其水平波瓣的主瓣方向基本正朝向该村庄，因而不需要调整；其倾角为6度，可以计算出，其覆盖半径约为520米，可见其倾角设置偏大。根据测量，基站A、C之间距离为4.2km，按照相邻基站覆盖到站距2/3的原则（相邻基站之间有一定的重叠覆盖区域以保证覆盖的连续性），可知基站A的2扇区天线倾角应设置为：θ=arctan(h/R)+2=arctan[55/(4200*0.67)]+2

≈3度根据上述计算结果，将基站A的第二扇区天线倾角由6度调整为3度，问题得到解决。增加基站发射功率

例题2-7：某市下伍旗镇位于比较偏远的农村地区，CDMA网络在下伍旗镇建设有1个基站，但由于与周边其它基站站距较大，下伍旗镇境内仍有一些地区覆盖质量较差问题分析与解决：下伍旗基站距离周边的五百户等基站的站距均在6-10km左右，下伍旗基站与周边几个基站之间均不能形成连续覆盖。由于站距较大，通过天线参数调整的手段已经无法解决周边地区的弱覆盖问题。由于该地区人口稀少，经济较不发达，既有基站的话务量很低，因而不适合通过增建基站来解决此处的问题。经询问基站设备生产厂家，该厂家生产的大功率CDMA基站可达到80w的发射功率，考虑可将原来20w发射功率的基站用80w发射功率的基站替代。更换基站后，下伍旗基站的覆盖范围明显增大，较好地解决了周边弱覆盖的问题。增加第四扇区如果基站周边的用户分布比较分散，三个扇区无法照顾到各个方向的用户群，而且基站的话务量较高，可以考虑在该基站增加第四扇区来解决覆盖和容量的问题。例题2-8：通过测试发现，某市的乐群公寓内信号较弱，属于弱覆盖区。附近的基站B周边是校园，教学楼、宿舍楼、居民小区分布密集。问题分析与解决：乐群公寓位于基站B的0扇区和2扇区之间，加上楼体的阻挡，虽然距离基站不远，但室内信号较弱。如果将0扇区天线的方位角调整到乐群公寓方向，则影响到目前0扇区方向的覆盖质量。考虑到该基站话务量也很高，因而决定采取在基站B上增加一个扇区的方法来解决问题。这样基站B由三个扇区变为了四个扇区，同时解决了覆盖问题和容量问题。5.增建基站对于距离基站较远、面积较大且有一定用户群体的弱覆盖区域，可以考虑向网络规划部门提出新建基站的建议方案，通过增建基站解决。例题2-9：某县城在县城周边地区新建了一些居民小区，原来的平房被改建成居民楼。其中宝鑫景苑小区的居民入住后，出现手机通信困难的情况，纷纷向通信运营公司提出投诉。问题分析与解决：根据现场勘查了解到，该小区规模较大，以6-7层居民楼为主。距该小区最近的基站是宝坻图书馆基站，直线距离大约1500m在小区建成之前，此处是平房区，网络覆盖良好。但改建居民楼之后，无线传播环境发生了很大的改变，楼宇对电磁波造成了很强的阻挡，楼内信号普遍较弱。在这种情形下，通过单纯的网络优化手段已经难以解决问题，因此最佳的解决方案是在该小区新建一个基站，以解决此处的网络覆盖问题。6.增加室分或者直放站设备解决对于大楼内由于楼体阻挡造成的弱覆盖区，可通过增加室分系统解决覆盖。对于偏远而且人口稀少的农村，