天線的扇區(qū)劃分技術優(yōu)化LTE網(wǎng)絡 - 全文

如今，對于更好的信號強度以及更快的下載速度的需求，已經(jīng)成為人們日常生活中不可或缺的一部分。我們一直在尋找能提高手機或電腦Wi-Fi連接信號強度的方法。無論居家生活，在外工作，還是四處奔波，您都需要良好的信號接收能力以便通信，而良好的信號接收能力又取決于天線和足夠的網(wǎng)絡容量。有時雖然信號接收能力不錯，但下載仍舊緩慢，通話掉線，則是由于網(wǎng)絡容量有限，以及/或者干擾強度較大導致。解決網(wǎng)絡容量問題的一個方法就是采用扇區(qū)劃分技術。天線以及扇區(qū)劃分對于無線網(wǎng)絡的優(yōu)化而言，具有至關重要的意義。

天線

首先讓我們從天線的基本知識入手，了解一下為何天線是如此重要的元素。天線是無線通信系統(tǒng)最關鍵且常常也是最顯而易見的部件之一。無論是在高聳的通信塔上，還是在Wi-Fi適配器或手機上，或大或小，你都能看到它的身影。由于每種天線均有特定的用途，因此其大小和形狀也各式各樣。但是，所有天線都有一個相同之處：它們是決定通信質量和通信范圍的關鍵所在。天線的有效覆蓋距離即為它所在的蜂窩，而多個蜂窩則組成了蜂窩網(wǎng)絡。

蜂窩網(wǎng)絡與其他通信方式的不同體現(xiàn)在蜂窩的復用原理上。蜂窩復用是通過對特定蜂窩的運行中的單個頻率的“復用”或再次分配，從而提高網(wǎng)絡容量的一種方法。

若要讓這一過程發(fā)生作用，需要對蜂窩的形狀及其配合方式加以考慮。如下圖所示（圖1），蜂窩通常呈連鎖六邊形。根據(jù)服務區(qū)域密度的不同，六邊形蜂窩既可以輻射方圓數(shù)英里，也可以僅覆蓋幾百英尺。

扇區(qū)劃分

與早先的無線電通信一樣，由于距離彈性極大，因此與噪音問題相比，信道靈敏度受外部干擾的限制更大。采用定向天線在方位（水平方向）和高度（垂直方向）上均可用的特定的扇區(qū)形狀劃分，可實現(xiàn)精確覆蓋，并最大限度地降低與鄰近蜂窩之間的干擾。

蜂窩之間的相互關系是衡量網(wǎng)絡性能的關鍵指標。這一指標定義了蜂窩之間以及組成蜂窩的扇區(qū)之間的能量重疊；通常被稱為扇區(qū)功率比，是指由天線輻射圖形成的期望覆蓋區(qū)域外信號功率與區(qū)域內的信號功率之比（圖2）。扇區(qū)功率比越低，天線的抗干擾性能越好。

在具體實踐中，尤其是蜂窩網(wǎng)絡應用中，扇區(qū)功率比越高，則意味著毗鄰覆蓋區(qū)域的天線間干擾也越強。當競爭信號發(fā)生重疊時，會造成干擾增強，從而降低網(wǎng)絡性能，例如，從一個蜂窩進入另一個蜂窩時手機會發(fā)生掉線。為防止此類問題的發(fā)生，蜂窩網(wǎng)絡需要進行精確的扇區(qū)劃分規(guī)劃。

蜂窩網(wǎng)絡的概念要求反復不斷地使用網(wǎng)絡內的頻率或代碼，以支持海量的語音和數(shù)據(jù)通信。為最大限度地減少相同頻率或代碼上蜂窩之間的干擾，運營商采用了扇區(qū)劃分技術。如果干擾抑制水平較低，則意味著頻率資源相同的蜂窩之間的距離就要較長。通過扇區(qū)劃分來抑制干擾，不但可縮短復用頻率資源小區(qū)的距離，而且可以提高頻譜效率，擴大容量，提升網(wǎng)絡性能。

隨著蜂窩基站密度的增大，為減少蜂窩之間的相互影響，通常會縮小每個蜂窩的覆蓋區(qū)域。而縮小蜂窩基站覆蓋范圍的方法之一，便是降低天線的輻射中心高度。但是，由于這種方法可能會把天線置于建筑或樹木等周圍障礙物之下，因此結果通常不太理想。由于目前大多數(shù)蜂窩網(wǎng)絡采用了扇形天線，因此可采用第二種方法——波束傾斜，以降低覆蓋范圍。通過將天線的垂直面波瓣向下傾斜，可縮小水平方向上的覆蓋范圍——這也正是相鄰蜂窩基站發(fā)生干擾的區(qū)域。

最簡單的波束傾斜方法是，通過利用大多數(shù)天線供應商均提供的調整支架，對整個扇形天線進行機械傾斜。但是，這種方法有一個主要缺點，即無法保證整個扇區(qū)內水平方向上覆蓋范圍縮小的一致性。由于在正前方的方向上覆蓋范圍的縮小要快于其他方向，因此，蜂窩覆蓋范圍的縮小會出現(xiàn)不均衡。這種現(xiàn)象可以用一個可量化術語表示，即“方向圖變形（patternblooming）”。

先進的無線網(wǎng)絡通常采用更加巧妙的辦法，即通過電子下傾實現(xiàn)扇區(qū)天線垂直面波瓣的傾斜。這種方法可以使天線保持豎直安裝，通過改變各單元的電相位來實現(xiàn)波束傾斜。這樣便可實現(xiàn)波瓣的360度均衡傾斜，保持蜂窩覆蓋范圍縮小的一致性。對于電下傾天線來說，無論傾斜量如何，均不會導致方向圖變形現(xiàn)象的增加。

電下傾還有另外一個好處，就是可以在先進的天線系統(tǒng)中遠程予以實現(xiàn)。隨著長期演進（LTE）等更加復雜技術的成熟，這一功能將變得更為重要。采用了LTE技術的自組織網(wǎng)絡（SON）便可根據(jù)需求不斷進行自我優(yōu)化。SON部署的主要特點是與電下傾相關的、動態(tài)的覆蓋范圍調整。

用更少的天線來滿足更高容量的需求

如前文所述，定向蜂窩天線的輻射范圍通常為120度（三分之一圓周）。安裝在三角塔上時，三套此類天線便可實現(xiàn)全方位覆蓋。但是在人口稠密的城區(qū)，對網(wǎng)絡容量的需求量也更大，則需要通過采用更窄波束的天線（稱為六扇區(qū)方案）來處理附加通信量。盡管已經(jīng)證明，這種方案可有效擴大容量，但由于需要以雙面天線取代單面天線，這不但會為通信塔帶來重量和風荷載挑戰(zhàn)，而且可能會在區(qū)域劃分和塔頂資源分配等方面出現(xiàn)問題，因此其應用受到實際條件的限制。

最近提出的解決方案認為，可采用康普公司的雙波束天線來解決這一問題。該天線可產(chǎn)生中心間隔角度為60度的兩束相互獨立的38度波束。如圖3所示，這種雙波瓣方式不但可提供理想的覆蓋范圍，而且只需3個天線便可取代6根獨立的單波束天線。

在開放場所、戶外活動區(qū)域或高密度容量區(qū)（例如市區(qū)商務樓）等容量需求更高的區(qū)域，即便服務要求再高、容量需求再大，也可通過增加天線波束數(shù)量，縮小波束寬度來滿足。外形各異的3波束、5波束甚至18波束天線，不但可顯著提高容量，而且可通過采取提高天線增益、抑制對其它扇區(qū)的干擾等信噪比改善措施，來提高數(shù)據(jù)的吞吐量。

未來發(fā)展趨勢

各種新技術正在以驚人的速度得到開發(fā)與部署。LTE是如今眾所周知的尖端網(wǎng)絡領域。由于吸收了多入多出（MIMO）的概念，LTE有望徹底重塑網(wǎng)絡的運行方式。MIMO技術可將數(shù)據(jù)分為多個數(shù)據(jù)流，采用多個天線在同一時間以相同的頻率進行發(fā)送。2x2MIMO是指在下行鏈路中采用2個天線用于傳輸，手機中用2個天線進行接收。

這一技術進步令人興奮之處在于，MIMO性能接近了射頻通信的傳統(tǒng)限制極限，即香農(nóng)定理設定的限制，香農(nóng)定理描述了在給定帶寬條件下，數(shù)據(jù)吞吐量的大小。如圖4所示，在實際應用中，僅可獲得帶寬的理論最大值的3dB以內。借助2X2MIMO技術，容量有望達到受香農(nóng)定理限制的傳統(tǒng)3G網(wǎng)絡的兩倍。

對于LTE系統(tǒng)來說，若要最大限度發(fā)揮MIMO潛能，則必須盡可能降低干擾，這便意味著，對于新的4GLTE網(wǎng)絡來說，扇區(qū)劃分具有更加重要的意義。如今，無線用戶需要在加快速度的同時，確保通話的穩(wěn)定性，因此，為了給當下和未來打造穩(wěn)健的無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速可靠傳輸和無縫語音功能，采用適合的天線和扇區(qū)劃分技術勢在必行。

從圖3可以看到，康普雙波束天線具有更小的波束間重疊。這種特性在LTE網(wǎng)絡中對容量的提升作用會更大，因為它使得扇區(qū)間的劃分更加精確了。