劈裂天线在无线网建设中的应用

2020-12-23孔力张远凯陶资

移动通信 2020年12期

孔力，张远凯，陶资

（上海邮电设计咨询研究院有限公司，辽宁沈阳 110167）

0 引言

近年来移动用户和智能终端发展迅速，2018 年底，中国移动终端总数达到15.7 亿，比上年净增1.49 亿，其中4G 用户终端数达到11.7 亿，全年净增1.69 亿[1]。4G 数据流量也呈现爆发式增长，以某省为例，2018 年底4G 日均流量达6.71 GB/小区，同比增长70%。随着提速降费政策的进一步落实，4G 网络将面临巨大的扩容压力[2]。传统的网络扩容方式主要是新建基站和多扇区组网，但是新建基站投资大、建设周期长，多扇区组网中相邻扇区的干扰严重，天线的增加给紧张的天面资源带来了更多挑战，扩容效果不明显[3]。

劈裂天线通过发射两束33°水平波宽信号对小区进行分裂，实现在原有三扇区基站基础上的平滑升级和容量扩容，极大地节省天面空间资源，相较于其他扩容方案，具有投资少、见效快等优点，在提升覆盖和容量、稳固市场发展方面起着重要作用[4]。

相比其他相关的应用研究，本文总结了劈裂天线的适用场景及天线选型分析，通过实际案例的测试分析，从覆盖、PRB（Physical Resource Block，物理资源模块）利用率、流量及其他关键指标对比劈裂前后网络质量，综合分析劈裂天线应用的优点及局限性。

1 劈裂天线的介绍

1.1 技术指标对比

劈裂天线将两根双极化天线集成在一个天线罩内，采用波束赋形技术，实现单天线在水平面两小区分裂。相比于普通天线，劈裂天线通过发射两束33°水平波宽信号来支持六个扇区，扇区数量翻倍，大幅度增加了业务容量，实现深度覆盖[5]。普通65°波束天线与劈裂天线方向图对比如图1 所示。

图1 普通65°波束天线与劈裂天线方向图对比

使用劈裂天线后，网络拓扑变化如图2 所示。

图2 劈裂后网络拓扑变化图

对劈裂天线、普通33°波束天线和普通65°波束天线的主要参数进行分析。由于劈裂天线包含两幅33°劈裂天线，相对普通天线尺寸更大、质量更大也属正常。其他性能参数与普通天线差异不大。具体参数对比情况如表1 所示。

表1 天线主要参数对比表

1.2 劈裂天线优势

通过上述指标比较分析，可以看出劈裂天线在无线网建设及扩容方面具有如下优势：

（1）相对新建基站进行扩容，在不增加基站数量和天面资源的情况下，劈裂天线可以有针对性的快速、灵活扩容，不会产生获取站址困难、业主纠纷和进站难等问题，解决了目前大规模建设基站带来的机房、天面资源紧张的困难，并且投资少，工期短，见效快[6]。相对增加普通天线进行扩容，1 副劈裂天线能代替2 副普通天线，可节约一半的天线铁塔租金，实现单天线水平面多小区分裂，利用空间分割技术增加信道容量，解决了信道资源紧张的问题[7]。另外，1 副劈裂天线净重比2 副普通天线总质量要轻10 kg 以上，承重要求更小，施工更容易。

（2）与普通窄波束天线相比，劈裂天线增益下降更快，扇区间的重叠面积更小，它具有更好的旁瓣抑制性能，减少了扇区间干扰，有效提升基站容量和覆盖区域内的信号质量[8]。

2 劈裂天线建设方案

2.1 适用场景

（1）局部高流量热点区域

随着4G 移动用户数的快速增长和热点地区流量的不断增加，网络扩容已成为运营商面临的难题。然而，网络频点的使用已趋于饱和，运营商追求高效、快速、低成本的容量扩容，多载波和新建基站的增加已经不能满足扩容需求。采用劈裂天线具有扩容速度快，实施方便、投资低等优点，将大幅提升容量和增强覆盖，解决高流量热点地区容量不足的问题[9]。

（2）以容量需求为主的密集城区

近几年4G 网络的快速部署，现网基站分布已经十分密集，以某省会城市为例，密集城区最小站间距甚至已经到了100～200 m 左右，而密集城区又是高容量需求区域，新建基站扩容方案已很难实现。使用劈裂天线在原基站基础上平滑升级、扩容容量，可有效解决城市密集区的容量需求。

（3）站址获取困难、资源不足区域

基站的快速部署与站址资源不足之间的矛盾已成为网络建设和优化中重点问题[10]。机房、天面资源的匮乏、铁塔承重的限制、物业协调困难等因素都导致新建基站、增加普通天线六扇区扩容方案难以实施的这些场景，适用于劈裂天线。

2.2 建设方案

常用的4G 劈裂天线有三种类型，即4 端口双频劈裂天线，8 端口双频劈裂天线以及4+4 端口三频天线，详见图3 所示。

针对上述几种劈裂天线，可以采用以下三种建设/扩容方案。

方案一：1.8G+2.1G 双频4T4R 射频单元配合4 端口劈裂天线劈裂为2T2R 六扇区

该方案是将原有1.8G+2.1G 双频基站的普通四端口天线替换成四端口双频劈裂天线，主要用于局部高流量热点，且急需扩容区域，劈裂后小区翻倍，容量大幅提升，如图4 所示。

图3 常用的三种4G劈裂天线

图4 4端口劈裂天线方案

方案二：1.8G+2.1G 双频4T4R 射频单元配合8 端口劈裂天线劈裂为4T4R 六扇区

该方案是将2 个1.8G+2.1G 双频4T4R 射频单元连接到一副8 端口劈裂天线，主要用于新建基站困难的高价值、高流量密集区域，如图5 所示：

图5 8端口劈裂天线方案

方案三：1.8G+2.1G 双频4T4R 和800M 2T4R 射频单元配合4+4 端口劈裂天线

该方案是新增一副4+4 端口三频劈裂天线，整合L800M 基站天线和1.8G+2.1G 双频基站天线于一体，在天面资源严重不足，容量又急需扩容时，可采用此方案进行天面整合，同时提升容量，具体如图6 所示：

图6 4+4端口劈裂天线方案

3 验证案例

3.1 劈裂天线案例

沈阳理工大学校园占地面积113 万平方米，校舍建筑面积44.4 万平方米，在校师生1.8 万余人。流量高峰期时现网小区PRB 利用率高达98%以上，用户感知较差。其中F_H_浑南热电站1 扇区覆盖学校教学楼、图书馆，业务量巨大，拥塞情况最为严重，一周内PRB 利用率最大值达到98%～99%。

LTE 1.8G 室外基站F_H_浑南热电站1 扇区劈裂前方向角为40°，通过对1 扇区现网1.8G 基站进行叠加2.1G 二载波分流，并通过1.8G+2.1G 负载均衡参数调整，优化拥塞问题，使小区最大限度均衡网络资源，但是由于用户太多，参数修改完成后，问题改善不明显，下行PRB 利用率依然高达70%以上，拥塞问题依旧，忙时小区仍出现拥塞告警。

现尝试采用劈裂天线方案，在不增加天线的情况下，将1 扇区1.8G 天线替换成4 端口劈裂天线，在原有1.8G 和2.1G 两个小区的基础上劈裂两个1.8G+2.1G小区，方向角由40°劈裂成方向角25°和方向角55°，原有2 个小区覆盖变成4 个小区覆盖，以此来进行分担流量，解决拥塞问题。劈裂前后方向角变化如图7所示：

图7 浑南热电站1扇区劈裂前后方向角对比

3.2 劈裂前后网络指标对比

（1）覆盖指标对比

在F_H_浑南热电站1 扇区进行天线劈裂前后的DT测试。劈裂方案采用前，平均RSRP 为-82.76 dBm，扩容后平均RSRP 为-76.38 dBm，提升了6 dBm。劈裂方案扩容前平均SINR 值为7.35 dB，扩容后平均SINR 值为7.45 dB，扩容前后变化不大。具体如图8所示。

（2）下行PRB 利用率对比

劈裂天线扩容方案前后通过大数据平台提取三个时间段小区测试指标值，下行PRB 利用率比劈裂前平均下降23.98%，小区拥塞情况得到较大改善。详见表2。

图8 劈裂前后覆盖指标对比

表2 劈裂前后下行PRB利用率对比

（3）平均用户数对比

劈裂天线扩容方案后平均用户数比劈裂前平均提升28.18%，涨幅明显。详见表3。

表3 劈裂前后平均用户数对比

（4）下行数据流量对比

劈裂天线扩容方案后下行数据流量比劈裂前平均提升41.23%，从扩容后小区平均用户数和下行数据流量增长情况来看，基本实现了提升容量、吸收更多流量的目的，有效缓解了资源压力，释放用户流量。下行数据流量劈裂前后数据对比详见表4。

表4 劈裂前后下行数据流量对比

（5）其他关键指标对比

劈裂天线扩容方案后其他关键指标保持稳定，干扰可控。详见表5。

3.3 效果小结

根据上述测试分析，可以看出劈裂天线方案能有效解决站址资源不足情况下4G 网络扩容问题。

（1）网络覆盖情况：扩容后无线覆盖信号强度有所提升，整体覆盖效果与干扰水平无明显变化，保持了原始小区的覆盖半径，满足了网络优化覆盖一致性的要求。

表5 劈裂前后其他关键指标对比

（2）容量变化情况：扇区劈裂后有效解决了小区PRB 利用率高的问题，同时提升覆盖区域内的容量，增加小区用户数，对小区的分流起到明显作用。

（3）劈裂天线局限性：从劈裂天线的下倾角、方向角以及挂高等参数的调整优化上来看，劈裂天线不如单独使用两幅普通天线灵活，其优化更为困难；同时，劈裂天线在扩容过程中需要替换原有天线，势必要将原有基站中断服务，势必影响业务使用；并且在原主瓣覆盖范围内存在小区重叠干扰问题，使用时需密切关注原天线中心区域用户需求，如中心用户较多时需调整天线方向；另外劈裂天线比原有替换的普通天线质量大5kg左右，这对天面及铁塔抱杆的承重提出更高要求，需重新评估风险。