5G高密度和精准覆盖场景论述.docx

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5G高密度和精准覆盖场景论述

郑洪振尚春辉

粤海信通信有限公司

阐述高话务场景覆盖的困难，以及解决高话务应用场景的方向。

基于高话务场景，分别介绍4种典型场景的容量覆盖问题，以及多波束天线分别对应的解决方案。

高话务赋形多波束立体精准

□研究背景

1.1移动通信系统的发展情况

天线作为通信系统中的一种变换器，可以将射频功率信号和自由空间辐射的电磁波双向变换，从而实现系统利用发射和接收电磁波来传递信息的功能。

近年来，随着无线通信的发展，频谱资源越来越有限，人们采用很多方法和技术手段来增加通信容量，无线通信系统的多址接入技术从以往的码分复用、时分复用、频分复用通信，逐步向空分复用方向发展，以此减少占用的频谱资源，提高利用率。

所以天线也由传统的单波束天线阵列向多波束阵列天线过渡。

多波束天线是一个多端口的天线阵列，对不同输入端口的馈电都能形成一个指向不同的波束。

最早的多波束网络多依赖于波导结构，笨重且制造复杂，但是其优异的性能还是使得这种天线系统被广泛地使用，在某种程度上替代了结构复杂且制作昂贵的相控阵天线。

在通信系统中，还有一种固定多波束被广泛使用，用来做空间分集，以此来提高无线信道的容量。

1.2现有移动通信系统容量受限的因素

多径衰落：

接收机接收到的信号是各方面到达信号的总和，这是多径传播的结果。

地形和建筑物使得接收到的信号功率随机起伏，其是距离的函数，这些来自不同路径的信号以不同相位迭加，使接收到的信号幅度和相位随着天线方向、位置、极化和时间的变化而变化。

时延扩散：

移动台使用中的多径传播本质，使得接收到的信号具有多个不同的延迟，体现在时域中的信号扩展。

同频干扰：

在给定频谱的通信系统中，信道个数是有限的，这限制了系统通信的容量。

增加容量的办法就是频率复用，但是频率复用会引起同频干扰，在CDMA系统中，蜂窝内和相邻蜂窝都有许多强干扰源。

由于CDMA的反向链路（从移动台到基站）是弱链路，基站接收的每个用户不仅会受到本蜂窝小区内的多址干扰，还会受到相邻蜂窝用户的干扰。

对于给定的同信道干扰水平，可以通过减小蜂窝的大小来提高容量，但是要以增加额外的基站为代价。

1.3高话务场景的难点

高话务场景是指在某个网络中，用户比较集中、话务水平高于其他区域的场景，例如校园、车站、机场、广场等。

在这些场景中，由于用户数量庞大，周围的基站建设比较集中。

无线网络呈现强信号、强干扰、高负荷、高需求的特点。

因为用户多而且相对集中，在很小的范围内需要较多的基站以保证容量，而过多的基站信号重叠会带来干扰、频繁切换等问题，同时，控制覆盖的困难导致难以投入更多的载波资源，从而限制网络容量，造成拥塞、接通问题。

高话务场景的优化抑制是大中城市网络优化的难点，处于该场景中的客户多数是网络敏感客户，对网络的轻微变化感知明显，容易造成网络投诉，这就要求高话务场景的优化要十分谨慎。

另外，对高话务场景的优化要考虑频率、刀宓容量、基站选址等问题，实施扩容看似简单，在这种场景下却会因受到种种限制而难以实施，或实施后会产生很大的负作用。

针对不同的场景问题，应用多波束天线可以有效解决以上问题，下面将结合不同的实际环境来介绍多波束天线的应用。

3多波束天线原理

信道的最大传输速率即信道容量，当通过信道的信号速率超过香农定理的信道容量时，误码率显著提高，信息质量严重下降。

对天线来讲，可以从下面两个方面提高容量。

（1） 提高频谱的利用率

由于带宽（或频谱）资源有限，不能随意增加带宽，因此在给定带宽下进行区域分割以提高频谱的利用率。

即根据香农公式，信道容量W、平均信号功率S不变，降低平均噪声功率N,从而提高信道的最大传输速率。

（2） 提高信噪比

若带宽资源有限，不能任意增加，这就要求天线有更高的增益及方向图控制等。

即根据香农公式，信道容量俗、平均噪声功率N不变，提高平均信号功率S,从而提高信道的最大传输速率。



B赋形立体多波束天线的应用

3.1应用场景特点及问题

赋形立体多波束天线的应用场景多为有顶的大型体育场馆，用户密集。

⑴将常规的60。

X6O°的波束天线架设在场馆顶部进行覆盖，不仅增益低，而且在小区与小区边缘的重叠区域大，易产生邻区干扰，每个小区的容量已经远远不能满足用户的需要。

⑵用窄波束天线把60。

X6O°天线覆盖的小区切划成多个子小区，虽然增益提高了，但小区与小区之间的重叠区域仍然较大，所覆盖小区的容量没有明显提升，而且覆盖整个场馆的天线数量大大增加，引起天面资源紧张，严重超过了场馆顶部的承重能力。

3.2解决方案

方向图控制技术+多波束技术+5GNR,形成以下特点：

⑴波束无需扫描，从而降低网络时延；

⑵持续恒定的高增益，从而提高信噪比；

（3）非常优越的方向图边缘控制技术，从而提高信噪比；

（4）把原有小区划分为4个子小区，实现频谱4次复用，因此信道的容量将提升4倍以上。

水平面和垂直面方向示意如图1所示，能量辐射示意如图2所示。

□立体多波束覆盖天线的应用

4.1应用场景特点及问题

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万方数据

在大型开放场所，如集会、体育场馆、音乐会馆、展览馆、广场、车站等用户密集的地方，常规的天线不能从覆盖方面满足网络要求，主要特点是：

无线用户密集，网络容量不足，信号不稳定，用户体验受到严重影响。

如果用常规的天线把一个小区分隔成N个子小区，需要N个辐射口径较大的单波束天线来实现覆盖效果。

缺点如下：

⑴天线数量多，天线间干扰以及对宏基站的干扰增大；

（2）视觉污染，选址难度增大，人们对天线辐射的恐惧心理加大；

（3）安装租金高等诸多问题。

多个天线和多波束天线的H方向示意分别如图3、图4所示。

4.2解决方案

立体多波束天线可以有效解决这一问题，常用的方法就是用波束较窄的天线把整个场所划分为多个子小区。

立体多波束天线的覆盖特点如下：

⑴一个天线可以替代N个窄波束天线，解决天面资源紧张问题；

⑵每个波束都利用整个天线阵面的有效口径及天线增益，形成持续恒定的高增益极窄波束（23dBi）;

（3）高隔离度，从而确保生成锐波束；

（4）高旁瓣抑制（20dB以上），保证上下行电平，达到高抗干扰能力；

（5）把原有小区划分为9个子小区，实现频谱9次复用，网络容量提高9倍以上。

立体多波束天线方向示意如图5所示o

目立体分层覆盖天线应用

5.1应用场景特点及问题

对于偏远的农村场景（图6）,用户白天分散在农田，晚上集中在村落，用一个常规的天线进行广域覆盖时，不能同时对近端村落和农田提供足够的信号强度。

5

万方数据

5.2解决方案

垂直面多波束天线可以兼顾广域覆盖和村落高强度信号覆盖，优点如下：

⑴提高用户集中区信道的信噪比，提高信道容量；

⑵闲时可以关闭近端覆盖波束，达到网络调度的目的，降低单个基站的能耗，使网络可以根据服务区内用户业务量的变化，动态曜行资源调度及功率控制，从而实现绿色通信。

垂直面多波束天线场景如图7所示，垂直面多波束天线覆盖示意如图8所示。

□精准覆盖天线应用

6.1应用场景特点及问题

对于小区有相距不远的两栋楼且宏站天线信号不能完全覆盖室内的情况，可能需要用一个天线由室外向室内覆盖，也被称为补盲或深度覆盖。

用一个普通的宽波束天线覆盖不连续的两栋楼，会出现两栋楼之间的信号传到附近的宏站而对其产生干扰的情况，具体如图9所示。

6.2解决方案

单个天线覆盖不连续的两栋楼，双波束精准覆盖，高隔

（上接53页）

⑴天线系统厚度目前N10mm;

⑵连接器失配问题引起系统射频性能下降；

（3）与滤波器安装时必须多连接器物理直接插拔，提升安装效率。

解决方案探讨：

（1）无源一体化焊接最大限度降低天线系统厚度，5G密集面阵天线无源一体化焊接示意如图5所示；

（2）连接界面标准化提升安装效率、降低插入损耗，避免连接器失配造成的系统性能影响，5G密集面阵天线连接界面标准化示意如图6所示。

2.5.4密集面阵天线测试技术分析探讨

密集面阵天线属于一体化有源天线，TR组件与天线单元的高度集成后性能难以单独测试，天线测量方式与传统无源天线有很大区别，不单单测试的是电路参数、幅相参数、单元辐射参数，并且传统表征天线性能的指标不完全适合描述数字多波束阵列，也就无法准确测试出业务波束、广播波束的指标，必须通过OTA空中测试来确定天线性能，以目前64TR主流5G天线配置来看，天线厂商与主设备厂商合作一体化有源5G天线，天线厂商只单独测试天线主体，不能表征一体化有源5G天线性能，因此后续还需要进一步利用OTA测试来进行验证。

5G密集面阵天线连接界面标准化示意如图7所示。

离度，合理利用天面资源，提高信号的利用率，减少对宏站的干扰，加大业务量的提升；实现单基站补重盲点覆盖，减少宏站建设，避免宏基站取址问题。

街道楼宇精准辐射示意如图10所示，水平和垂直方向辐射示意如图11所示。

a结束语

以上阐述了高话务场景覆盖的困难和解决高话务应用场景的方向；并基于高话务场景，分别介绍4种典型场景的容量覆盖问题，以及多波束天线分别对应的解决方案。

多波束天线的具体研究有利于5G的研究和发展，对提高我国在信息领域的国际地位，带动相关产业的全面发展具有重要的意义。

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作者简介

郑洪振

现任佛山市粤海信通讯有限公司产品部总监，从2009年起担任佛山市粤海信通讯有限公司副总、产品部总监。

尚春辉

现任佛山市粤海信通讯有限公司研发部经理，从2018年起担任佛山市粤海信通讯有限公司研发部经理。

参考文献

［1］ 张琪.浅谈5G移动通信技术及发展趋势［J］.通讯世界,2017（10）

［2］ 张炜阳.浅谈蜂窝结构与5G无线通信网络的关键技术［J］.数字通信世界,2018

（2）

［3］ 朱颖，许颖,方箭.基于WRC-191.13新议题的5G高频段研究概况及展望［』.电信网技术,2016（3）皿

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作者简介

安涛

现任摩比天线技术（深圳）有限公司天线研发事业部副经理，主要从事多频基站天线、TDD智能基站天线、微基站天线、AAU/AAS有源天线、5G面阵天线的研究和开发工作，工作以来累计申请各项专利20余项，发表相关科技论文2篇。

何明宪

现任摩比天线技术（深圳）有限公司产品经理，主要从事基站天线产品管理工作。

邵志国

现任摩比天线技术（深圳）有限公司执行副总裁，主要从事2G/3G/4G/5G基站天线的研究和开发工作，主持参与了多项国家重大专项项目。