WCDMA天線有效優(yōu)化CapEx和OpEx解析

　1 Diversity分集增益的重要性
　　在實(shí)際的移動(dòng)通信中，除了愈高頻空間傳播的損耗愈大外，再加上多徑衰落（Mul t ipathFading）、陰影衰落（Shadow Fading）等等的衰落效應(yīng)，而且當(dāng)信號(hào)受到高大建筑物（例如移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)到背離基站的大樓面前）或地形起伏等的阻擋，接收到的信號(hào)幅度將降低。另外，氣 象條件等的變化也影響信號(hào)的傳播，使接收到的信號(hào)幅度和相位發(fā)生變化。這些都是移動(dòng)信道獨(dú)有的特性，它給移動(dòng)通信帶來(lái)不利的影響。
　　如果想利用加大發(fā)射功率或高度等方法來(lái)克服這種深衰落是不現(xiàn)實(shí)的，而且會(huì)造成對(duì)其他基站的干 擾，而采用分集方法即在若干個(gè)支路上接收相互間相關(guān)性很小的載有同一消息的信號(hào)，然后通過(guò)合并技術(shù)再將各個(gè)支路信號(hào)合并輸出，那么便可在接收終端上大大降 低深衰落的概率。相應(yīng)地，還需要采用分集接收技術(shù)減輕衰落的影響，以獲得上行鏈路分集增益，提高接收靈敏度，在GSM和WCDMA網(wǎng)絡(luò)中，這些分集接收技 術(shù)都已得到了廣泛應(yīng)用。
　　另外，手機(jī)用戶要求愈來(lái)愈多的功能，同時(shí)還要求支持更長(zhǎng)的使用時(shí)間，新款手機(jī)的發(fā)射功率控制得更嚴(yán)格，手機(jī)天線更細(xì)小，出現(xiàn)上下行鏈路不對(duì)稱、上行鏈路較弱而下行鏈路較強(qiáng)的問(wèn)題，所以出現(xiàn)基站天線的分集技術(shù)以提升上行鏈路的增益。
　　2 空間分集天線系統(tǒng)
　　空間略有變動(dòng)就可能出現(xiàn)較大的場(chǎng)強(qiáng)變化。當(dāng)使用兩個(gè)接收信道時(shí)，它們受到的衰落影響是不相關(guān)的，且二者在同一時(shí)刻經(jīng)受深衰落谷點(diǎn)影響的可能性也很小，因此這一設(shè)想引出利用兩副接收天線的方案，獨(dú)立地接收同一信號(hào)，再合并輸出，衰落的程度能被大大地減小，這就是空間分集。
　　空間分集是利用場(chǎng)強(qiáng)隨空間的隨機(jī)變化實(shí)現(xiàn)的，空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收?qǐng)鰪?qiáng)的相關(guān)性就越小，分集效果就越好。這里所提的相關(guān)性是個(gè)統(tǒng)計(jì)術(shù)語(yǔ)，表明信號(hào)間相似的程度，因此必須確定必要的空間距離。
　　空間分集接收是在空間不同位置上設(shè)置幾副天線，同時(shí)接收一個(gè)發(fā)射天線的微波信號(hào)，然后合成或選 擇其中一個(gè)強(qiáng)信號(hào)，這種方式稱為空間分集接收。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，空間分集要求的天線間的距離一般為12～15個(gè)波長(zhǎng)，以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性 是相互獨(dú)立的。也就是說(shuō)，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號(hào)很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合并電路從中選出信號(hào)幅 度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)。這樣就降低信道衰落的影響，改善傳輸?shù)目煽啃?。空間分集接收的優(yōu)點(diǎn)是分集增益高，缺點(diǎn)是還需另 外單獨(dú)的接收天線及大空間的安裝位置，這些在現(xiàn)代化城市中很難滿足。
　　3 矢向分集雙極化天線的出現(xiàn)
　　為了克服空間分集這些缺點(diǎn)，近年來(lái)又生產(chǎn)出定向雙極化天線。兩個(gè)在同一地點(diǎn)、極化方向相互正交 的天線發(fā)出的信號(hào)呈現(xiàn)出互不相關(guān)衰落特性。利用這一特點(diǎn)，在發(fā)射端同一地點(diǎn)裝上垂直極化和水平極化兩副發(fā)射天線，在接收端同一地點(diǎn)裝上±4 5°交叉極化兩副接收天線，就可以得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量E x和E y。所謂定向雙極化天線就是把±4 5°交叉極化兩副接收天線集成到一個(gè)物理實(shí)體中，通過(guò)極化分集接收來(lái)達(dá)到空間分集接收的效果，所以極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是 它只需一根天線，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，缺點(diǎn)是它的分集接收效果低于空間分集接收天線。
　　分集增益依賴于天線間不相關(guān)特性的好壞，通過(guò)在水平或垂直方向上天線位置間的分離來(lái)實(shí)現(xiàn)空間分 集。空間上的位置分離保證兩面接收天線分別接收不同路徑來(lái)的微波信號(hào)，同時(shí)也使兩面天線間滿足一定隔離度的要求。若采用交叉極化天線，同樣需要滿足這種隔 離度要求。對(duì)于極化分集的雙極化天線來(lái)說(shuō)，天線中兩個(gè)交叉極化輻射源的正交性是決定微波信號(hào)上行鏈路分集增益的主要因素。該分集增益依賴于雙極化天線中兩 個(gè)交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區(qū)域內(nèi)提供了相同的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)。兩個(gè)交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性，并且在整個(gè)120°扇區(qū)及切換重疊區(qū)內(nèi)保持很 好的水平跟蹤特性，代替空間分集天線所取得的覆蓋效果。為了獲得好的覆蓋效果，要求天線在整個(gè)扇區(qū)范圍內(nèi)均具有高的交叉極化分辨率。雙極化天線在整個(gè)扇區(qū) 范圍內(nèi)的正交特性，即兩個(gè)分集接收天線端口信號(hào)的不相關(guān)性，決定了雙極化天線總的分集效果。為了在雙極化天線的兩個(gè)分集接收端口獲得較好的信號(hào)不相關(guān)特 性，兩個(gè)端口之間的隔離度通常要求在30 dB以上。
　　4 交叉極化比
　　在極化分集中，兩個(gè)極化振子之間不相關(guān)性在數(shù)值上的表現(xiàn)即為交叉極化比。該指標(biāo)是作為衡量雙極 化天線電氣性能最重要的參數(shù)之一，充分說(shuō)明雙極化天線的分集效果。圖1即為場(chǎng)型測(cè)試時(shí)源天線與被測(cè)天線其中一組振子同極化時(shí)測(cè)試出來(lái)的天線場(chǎng)型對(duì)比，紅色 為同極化振子測(cè)試曲線，藍(lán)色為正交振子測(cè)試曲線，兩個(gè)曲線之間的差值即為該天線的交叉極化比。
　　
　　該指標(biāo)的好壞之間影響到天線在覆蓋區(qū)域內(nèi)的接收效果，這一指標(biāo)不僅僅是指天線主方向上的不相關(guān) 性，還包括天線±60°的不相關(guān)性指標(biāo)，而且±60°時(shí)的交叉極化比更為重要。目前YD/T 1059-2004規(guī)定天線在主方向上的交叉極化比不應(yīng)低于15 dB，在±60°時(shí)的交叉極化比不應(yīng)低于10 dB。這一要求也是目前國(guó)外通信行業(yè)所使用的統(tǒng)一規(guī)范。
　　5 空間分集增益VS矢向分集增益
　　作為首先提出交叉極化天線作矢向分集的天線制造商，凱仕林公司對(duì)于天線如何提升分集增益尤為重視，在振子設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮并推出矢量振子的概念，使得凱仕林天線在實(shí)際使用中接收效果明顯優(yōu)于其他天線，能夠達(dá)到空間分集的分集增益。以下是凱仕林公司實(shí)測(cè)的一些數(shù)據(jù)。
　　通過(guò)和主設(shè)備制造商合作設(shè)置單基站測(cè)試平臺(tái)采集數(shù)據(jù)，分別在北美和歐洲各設(shè)置空間分集天線系統(tǒng) 和±45°極化分集天線系統(tǒng)作比較，空間分集設(shè)置用兩根VPol 1710~2170 65°18 dBi天線，而±45°極化分集天線用單根高交叉極化比的XPol1710~2170 65°18 dBi天線，就是在整個(gè)扇區(qū)±60°范圍 內(nèi)都能在10 dB以上，主方向更能實(shí)現(xiàn)22 dB以上。
　　使用凱仕林天線，對(duì)于空間分集和極化分集可以達(dá)到相同的分集增益，在城市或郊區(qū)都有4~6 dB的分集增益。由此測(cè)試可知，高交叉極化比天線的分集能力與空間分集天線系統(tǒng)相同，而極化分集的好壞密切關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)KPI誤比特率和掉話率的好壞。
　　6 良好的分集增益天線如何優(yōu)化CapEx和OpEx
　　高效能天線的高交叉極化，能提升整個(gè)扇區(qū)的分集能力，反之，低交叉極化比天線令系統(tǒng)失去分集功 能，影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和容量，以下進(jìn)行分析，比較高效能高交叉極化凱仕林天線和低交叉極化比的天線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，如圖2所示，從而更清晰地了解到高效能天線如 何優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)投資CapEx和營(yíng)運(yùn)成本OpEx。
　　
　　如圖2所示，為歐洲網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的的一個(gè)案例，同一個(gè)片區(qū)，達(dá)到相同的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和容量。在該案例 中，由于以前采用天線的交叉極化比不滿足要求，為了實(shí)現(xiàn)和高交叉極化凱仕林天線的相同Ec/Io目標(biāo)，低交叉極化比天線需要再增加30多個(gè)扇區(qū)才能滿足網(wǎng) 絡(luò)需要（共130個(gè)扇區(qū)），而換上高交叉極化凱仕林天線，只需要總共100個(gè)扇區(qū)即可實(shí)現(xiàn)覆蓋，當(dāng)然低交叉極化比天線可能較高效能高交叉極化凱仕林天線便 宜，但使用低交叉極化比天線額外增加的基礎(chǔ)設(shè)施需要增加25%的總投入作為補(bǔ)償，由于租金和能源消耗增加25%的運(yùn)營(yíng)成本，總網(wǎng)絡(luò)CapEx和OpEx都 需要額外增加25%。