汽車天線的移動通信網(wǎng)絡載具運用理論

1、汽車天線的移動通信網(wǎng)絡、汽車運用理論移動通信系統(tǒng)是有線與無線的綜合體，它是移動網(wǎng)絡在其覆蓋范圍內(nèi)，通過空中接口（無線）將移動臺與基站聯(lián)系起來，并進而與移動交換機相聯(lián)系（有線）的復合體。而在移動通信系統(tǒng)中，空間無線信號的發(fā)射和接受都是依靠移動天線來實現(xiàn)的。因此，天線對于移動通信網(wǎng)絡來說，舉著舉足輕重的作用，如果天線的選擇（類型、位置）不好，或者天線的參數(shù)設置不當，都會直接影響整個移動通信網(wǎng)絡的運行質(zhì)量。尤其在基站數(shù)量多，站距小，載頻數(shù)量多的高話務量地區(qū)，天線選擇及參數(shù)設置是否合適，對移動通信網(wǎng)絡的干擾，覆蓋率接通率及全網(wǎng)服務質(zhì)量都有很大影響。不同的地理環(huán)境，不同服務要求需要選用不同類型，不同規(guī)格

2、的天線。天線調(diào)整在移動通信網(wǎng)絡優(yōu)化工作中有很大的作用。為了幫助大家對天線的知識有一定的了解以及在移動通信系統(tǒng)中的應用，推出“天線基本知識及應用”技術講座。本講座由網(wǎng)友張守國撰寫提供，在此表示衷心的感謝！ 第一講 天線的基礎知識 1.1 天線的輸入阻抗 1.2 天線的極化方式 1.3 天線的增益 1.4 天線的波瓣寬度 1.5 前后比(FRONT-BACK RATIO) 第二講 天線的分類與選擇 2.1 全向天線 2.2 定向天線 2.3 機械天線 2.4 電調(diào)天線 2.5 雙極化天線 第三講 移動通信系統(tǒng)天線安裝規(guī)范 第四講 移動通信系統(tǒng)天線參數(shù)調(diào)整 4.1 天線高度的調(diào)整 4.2 天線府仰角

3、的調(diào)整 4.3 天線方位角的調(diào)整 4.4 天線位置的優(yōu)化調(diào)整 第五講 鏈路及空間無線傳播損耗計算 5.1 鏈路預算 5.2 各類損耗的確定 5.3 無線傳播特性 5.4 常用的兩種電波傳播模型 5.5 參考覆蓋標準 第六講 補充：天線基本知識 6.1 天線 6.2 電波傳播的幾個基本概念 6.3 傳輸線的幾個基本概念 第一講 天線的基礎知識 表征天線性能的主要參數(shù)有方向圖，增益，輸入阻抗，駐波比，極化方式等。1.1 天線的輸入阻抗 天線的輸入阻抗是天線饋電端輸入電壓與輸入電流的比值。天線與饋線的連接，最佳情形是天線輸入阻抗是純電阻且等于饋線的特性阻抗，這時饋線終端沒有功率反射，饋線上沒有駐波，

4、天線的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線的匹配工作就是消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗。匹配的優(yōu)劣一般用四個參數(shù)來衡量即反射系數(shù)，行波系數(shù)，駐波比和回波損耗，四個參數(shù)之間有固定的數(shù)值關系，使用那一個純出于習慣。在我們?nèi)粘＞S護中，用的較多的是駐波比和回波損耗。一般移動通信天線的輸入阻抗為50。駐波比：它是行波系數(shù)的倒數(shù)，其值在1到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求駐波比小于1.5，但實際應用中VSWR應小于1.2。過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統(tǒng)內(nèi)干擾加大，影響基站的服務性能?；夭〒p耗：它是

5、反射系數(shù)絕對值的倒數(shù)，以分貝值表示?；夭〒p耗的值在0dB的到無窮大之間，回波損耗越大表示匹配越差，回波損耗越大表示匹配越好。0表示全反射，無窮大表示完全匹配。在移動通信系統(tǒng)中，一般要求回波損耗大于14dB。1.2 天線的極化方式 所謂天線的極化，就是指天線輻射時形成的電場強度方向。當電場強度方向垂直于地面時，此電波就稱為垂直極化波；當電場強度方向平行于地面時，此電波就稱為水平極化波。由于電波的特性，決定了水平極化傳播的信號在貼近地面時會在大地表面產(chǎn)生極化電流，極化電流因受大地阻抗影響產(chǎn)生熱能而使電場信號迅速衰減，而垂直極化方式則不易產(chǎn)生極化電流，從而避免了能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播。

6、因此，在移動通信系統(tǒng)中，一般均采用垂直極化的傳播方式。另外，隨著新技術的發(fā)展，最近又出現(xiàn)了一種雙極化天線。就其設計思路而言，一般分為垂直與水平極化和45極化兩種方式，性能上一般后者優(yōu)于前者，因此目前大部分采用的是45極化方式。雙極化天線組合了+45和-45兩副極化方向相互正交的天線，并同時工作在收發(fā)雙工模式下，大大節(jié)省了每個小區(qū)的天線數(shù)量；同時由于45為正交極化，有效保證了分集接收的良好效果。（其極化分集增益約為5dB，比單極化天線提高約2dB。）1.3 天線的增益天線增益是用來衡量天線朝一個特定方向收發(fā)信號的能力，它是選擇基站天線最重要的參數(shù)之一。一般來說，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射

7、的波瓣寬度，而在水平面上保持全向的輻射性能。天線增益對移動通信系統(tǒng)的運行質(zhì)量極為重要，因為它決定蜂窩邊緣的信號電平。增加增益就可以在一確定方向上增大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增大增益余量。任何蜂窩系統(tǒng)都是一個雙向過程，增加天線的增益能同時減少雙向系統(tǒng)增益預算余量。另外，表征天線增益的參數(shù)有dBd和dBi。DBi是相對于點源天線的增益，在各方向的輻射是均勻的；dBd相對于對稱陣子天線的增益dBi=dBd+2.15。相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。一般地，GSM定向基站的天線增益為18dBi，全向的為11dBi。1.4 天線的波瓣寬度波瓣寬度是定向天線常用的一個很重要的參數(shù)，它是

8、指天線的輻射圖中低于峰值3dB處所成夾角的寬度（天線的輻射圖是度量天線各個方向收發(fā)信號能力的一個指標，通常以圖形方式表示為功率強度與夾角的關系）。天線垂直的波瓣寬度一般與該天線所對應方向上的覆蓋半徑有關。因此，在一定范圍內(nèi)通過對天線垂直度（俯仰角）的調(diào)節(jié)，可以達到改善小區(qū)覆蓋質(zhì)量的目的，這也是我們在網(wǎng)絡優(yōu)化中經(jīng)常采用的一種手段。主要涉及兩個方面水平波瓣寬度和垂直平面波瓣寬度。水平平面的半功率角（HPlane Half Power beamwidth）:(45,60,90等)定義了天線水平平面的波束寬度。角度越大,在扇區(qū)交界處的覆蓋越好，但當提高天線傾角時，也越容易發(fā)生波束畸變,形成越區(qū)覆蓋。角

9、度越小，在扇區(qū)交界處覆蓋越差。提高天線傾角可以在移動程度上改善扇區(qū)交界處的覆蓋，而且相對而言，不容易產(chǎn)生對其他小區(qū)的越區(qū)覆蓋。在市中心基站由于站距小，天線傾角大，應當采用水平平面的半功率角小的天線，郊區(qū)選用水平平面的半功率角大的天線；垂直平面的半功率角（VPlane Half Power beamwidth）:（48, 33,15,8）定義了天線垂直平面的波束寬度。垂直平面的半功率角越小，偏離主波束方向時信號衰減越快，在越容易通過調(diào)整天線傾角準確控制覆蓋范圍。1.5 前后比(Front-Back Ratio) 表明了天線對后瓣抑制的好壞。選用前后比低的天線，天線的后瓣有可能產(chǎn)生越區(qū)覆蓋，導致切

10、換關系混亂，產(chǎn)生掉話。一般在2530dB之間，應優(yōu)先選用前后比為30的天線。 案例 常見天線參數(shù)設置 電性能(Band 1) 技術參數(shù) 性能指標 增益Gain 16dBi 頻率范圍Frequency Range 870 - 960 MHz 雙極化Polarisation Dual Slant 45 端口隔離度Isolation between ports 330 dB 水平平面-3dB 功率角 Horizontal Plane -3dB Power Beamwidth 65 垂直平面-3dB 功率角Vertical Plane -3dB Power Beamwidth 8 水平面-10dB P

11、ower BeamwidthHorizontal Plane -10dB Power Beamwidth 125 阻抗Impedance 50 Ohm 回波損耗Return Loss 870-960 MHz 316 dB 前后比Front to Back Ratio 325 dB 端口最大輸入功率Max Input Power per port 150 W Electrical Downtilt 1 to 10 Downtilt Setting Accuracy 0.5 電性能(Band 2) 增益Gain 16dBi 頻率范圍Frequency Range 1710-1880 MHz 雙極化

12、Polarisation Dual Slant 45 端口隔離度Isolation between ports 330 dB 水平平面-3dB 功率角 Horizontal Plane -3dB Power Beamwidth 65 垂直平面-3dB 功率角Vertical Plane -3dB Power Beamwidth 8 水平面-10dB Power BeamwidthHorizontal Plane -10dB Power Beamwidth 120 阻抗Impedance 50 Ohm 回波損耗Return Loss 870-960 MHz 314 dB 前后比Front to

13、Back Ratio 325 dB 端口最大輸入功率Max Input Power per port 125 W 電調(diào)下傾角度Electrical Downtilt 1 to 10 電調(diào)下傾角度精確度Downtilt Setting Accuracy 0.5 電性能(一般) 連接器類型Connectors Type 7/16 DIN, N optional 機械性能 高度Height 2258 mm 寬度Width 400 mm 深度Depth 139 mm 額定風速度Rated Wind Speed 200 km/hr Thrust at Wind Speed of 160 km/hr kg

14、f 175 重量(除安裝機架)Weight(excluding mounting brackets) TBOutline Drawing No MK105kg 第二講 天線的分類與選擇 移動通信天線的技術發(fā)展很快，最初中國主要使用普通的定向和全向型移動天線，后來普遍使用機械天線，現(xiàn)在一些省市的移動網(wǎng)已經(jīng)開始使用電調(diào)天線和雙極化移動天線。由于目前移動通信系統(tǒng)中使用的各種天線的使用頻率，增益和前后比等指標差別不大，都符合網(wǎng)絡指標要求，我們將重點從移動天線下傾角度改變對天線方向圖及無線網(wǎng)絡的影響方面，對上述幾種天線進行分析比較。2.1 全向天線 全向天線，即在水平方向圖上表現(xiàn)為360都均勻輻射，也就

15、是平常所說的無方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，一般情況下波瓣寬度越小，增益越大。全向天線在移動通信系統(tǒng)中一般應用與郊縣大區(qū)制的站型，覆蓋范圍大。 2.2 定向天線 定向天線，在在水平方向圖上表現(xiàn)為一定角度范圍輻射，也就是平常所說的有方向性，在垂直方向圖上表現(xiàn)為有一定寬度的波束，同全向天線一樣，波瓣寬度越小，增益越大。定向天線在移動通信系統(tǒng)中一般應用于城區(qū)小區(qū)制的站型，覆蓋范圍小，用戶密度大，頻率利用率高。根據(jù)組網(wǎng)的要求建立不同類型的基站，而不同類型的基站可根據(jù)需要選擇不同類型的天線。選擇的依據(jù)就是上述技術參數(shù)。比如全向站就是采用了各個水平方向增益基本相同的全向型天線，而定向站就是

16、采用了水平方向增益有明顯變化的定向型天線。一般在市區(qū)選擇水平波束寬度B為65的天線，在郊區(qū)可選擇水平波束寬度B為65、90或120的天線（按照站型配置和當?shù)氐乩憝h(huán)境而定），而在鄉(xiāng)村選擇能夠實現(xiàn)大范圍覆蓋的全向天線則是最為經(jīng)濟的。2.3 機械天線 所謂機械天線，即指使用機械調(diào)整下傾角度的移動天線。機械天線與地面垂直安裝好以后，如果因網(wǎng)絡優(yōu)化的要求，需要調(diào)整天線背面支架的位置改變天線的傾角來實現(xiàn)。在調(diào)整過程中，雖然天線主瓣方向的覆蓋距離明顯變化，但天線垂直分量和水平分量的幅值不變，所以天線方向圖容易變形。實踐證明：機械天線的最佳下傾角度為15；當下傾角度在510變化時，其天線方向圖稍有變形但變化不

17、大；當下傾角度在10-15變化時，其天線方向圖變化較大；當機械天線下傾15后，天線方向圖形狀改變很大，從沒有下傾時的鴨梨形變?yōu)榧忓N形，這時雖然主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，但是整個天線方向圖不是都在本基站扇區(qū)內(nèi)，在相鄰基站扇區(qū)內(nèi)也會收到該基站的信號，從而造成嚴重的系統(tǒng)內(nèi)干擾。另外，在日常維護中，如果要調(diào)整機械天線下傾角度，整個系統(tǒng)要關機，不能在調(diào)整天線傾角的同時進行監(jiān)測；機械天線調(diào)整天線下傾角度非常麻煩，一般需要維護人員爬到天線安放處進行調(diào)整；機械天線的下傾角度是通過計算機模擬分析軟件計算的理論值，同實際最佳下傾角度有一定的偏差；機械天線調(diào)整傾角的步進度數(shù)為1，三階互調(diào)指標為-120dBc。2.4

18、 電調(diào)天線 所謂電調(diào)天線，即指使用電子調(diào)整下傾角度的移動天線。電子下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位，改變垂直分量和水平分量的幅值大小，改變合成分量場強強度，從而使天線的垂直方向性圖下傾。由于天線各方向的場強強度同時增大和減小，保證在改變傾角后天線方向圖變化不大，使主瓣方向覆蓋距離縮短，同時又使整個方向性圖在服務小區(qū)扇區(qū)內(nèi)減小覆蓋面積但又不產(chǎn)生干擾。實踐證明，電調(diào)天線下傾角度在1-5變化時，其天線方向圖與機械天線的大致相同；當下傾角度在5-10變化時，其天線方向圖較機械天線的稍有改善；當下傾角度在10-15變化時，其天線方向圖較機械天線的變化較大；當機械天線下傾15后，其天線方向圖較機械

19、天線的明顯不同，這時天線方向圖形狀改變不大，主瓣方向覆蓋距離明顯縮短，整個天線方向圖都在本基站扇區(qū)內(nèi)，增加下傾角度，可以使扇區(qū)覆蓋面積縮小，但不產(chǎn)生干擾，這樣的方向圖是我們需要的，因此采用電調(diào)天線能夠降低呼損，減小干擾。另外，電調(diào)天線允許系統(tǒng)在不停機的情況下對垂直方向性圖下傾角進行調(diào)整，實時監(jiān)測調(diào)整的效果，調(diào)整傾角的步進精度也較高（為0.1），因此可以對網(wǎng)絡實現(xiàn)精細調(diào)整；電調(diào)天線的三階互調(diào)指標為-150dBc，較機械天線相差30dBc，有利于消除鄰頻干擾和雜散干擾。2.5 雙極化天線 雙極化天線是一種新型天線技術，組合了+45和-45兩副極化方向相互正交的天線并同時工作在收發(fā)雙工模式下，因此其

20、最突出的優(yōu)點是節(jié)省單個定向基站的天線數(shù)量；一般GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)的定向基站（三扇區(qū)）要使用9根天線，每個扇形使用3根天線（空間分集，一發(fā)兩收），如果使用雙極化天線，每個扇形只需要1根天線；同時由于在雙極化天線中，45的極化正交性可以保證+45和-45兩副天線之間的隔離度滿足互調(diào)對天線間隔離度的要求（30dB），因此雙極化天線之間的空間間隔僅需20-30cm；另外，雙極化天線具有電調(diào)天線的優(yōu)點，在移動通信網(wǎng)中使用雙極化天線同電調(diào)天線一樣，可以降低呼損，減小干擾，提高全網(wǎng)的服務質(zhì)量。如果使用雙極化天線，由于雙極化天線對架設安裝要求不高，不需要征地建塔，只需要架一根直徑20cm的鐵柱，將雙極化天線

21、按相應覆蓋方向固定在鐵柱上即可，從而節(jié)省基建投資，同時使基站布局更加合理，基站站址的選定更加容易。對于天線的選擇，我們應根據(jù)自己移動網(wǎng)的覆蓋，話務量，干擾和網(wǎng)絡服務質(zhì)量等實際情況，選擇適合本地區(qū)移動網(wǎng)絡需要的移動天線：- 在基站密集的高話務地區(qū)，應該盡量采用雙極化天線和電調(diào)天線；- 在邊、郊等話務量不高，基站不密集地區(qū)和只要求覆蓋的地區(qū)，可以使用傳統(tǒng)的機械天線。我國目前的移動通信網(wǎng)在高話務密度區(qū)的呼損較高，干擾較大，其中一個重要原因是機械天線下傾角度過大，天線下傾角度過大，天線方向圖嚴重變形。要解決高話務區(qū)的容量不足，必須縮短站距，加大天線下傾角度，但是使用機械天線，下傾角度大于5時，天線方向

22、圖就開始變形，超過10時，天線方向圖嚴重變形，因此采用機械天線，很難解決用戶高密度區(qū)呼損高、干擾大的問題。因此建議在高話務密度區(qū)采用電調(diào)天線或雙極化天線替換機械天線，替換下來的機械天線可以安裝在農(nóng)村，郊區(qū)等話務密度低的地區(qū)。第三講 移動通信系統(tǒng)天線安裝規(guī)范 由于移動通信的迅猛發(fā)展，目前全國許多地區(qū)存在多網(wǎng)并存的局面，即A、B、G三網(wǎng)并存，其中有些地區(qū)的G網(wǎng)還包括GSM9000和GSM1800。為充分利用資源，實現(xiàn)資源共享，我們一般采用天線共塔的形式。這就涉及到天線的正確安裝問題，即如何安裝才能盡可能地減少天線之間的相互影響。在工程中我們一般用隔離度指標來衡量，通常要求隔離度應至少大于30dB，

23、為滿足該要求，常采用使天線在垂直方向隔開或在水平方向隔開的方法，實踐證明，在天線間距相同時，垂直安裝比水平安裝能獲得更大的隔離度。總的來說，天線的安裝應注意以下幾個問題：（1）定向天線的塔側安裝：為減少天線鐵塔對天線方向性圖的影響，在安裝時應注意：定向天線的中心至鐵塔的距離為/4或3/4時，可獲得塔外的最大方向性。（2）全向天線的塔側安裝：為減少天線鐵塔對天線方向性圖的影響，原則上天線鐵塔不能成為天線的反射器。因此在安裝中，天線總應安裝于棱角上，且使天線與鐵塔任一部位的最近距離大于。（3）多天線共塔：要盡量減少不同網(wǎng)收發(fā)信天線之間的耦合作用和相互影響，設法增大天線相互之間的隔離度，最好的辦法是

24、增大相互之間的距離。天線共塔時，應優(yōu)先采用垂直安裝。（4）對于傳統(tǒng)的單極化天線（垂直極化），由于天線之間（RX-TX,TX-TX）的隔離度（30dB）和空間分集技術的要求，要求天線之間有一定的水平和垂直間隔距離，一般垂直距離約為50cm，水平距離約為4.5m，這時必須增加基建投資，以擴大安裝天線的平臺，而對于雙極化天線（45極化），由于45的極化正交性可以保證+45和-45兩副天線之間的隔離度滿足互調(diào)對天線間隔離度的要求（30dB），因此雙極化天線之間的空間間隔僅需20-30cm，移動基站可以不必興建鐵塔，只需要架一根直徑20cm的鐵柱，將雙極化天線按相應覆蓋方向固定在鐵柱上即可。小 結- 離

25、開鐵塔平臺距離： 1M- 天線間距：- 同一小區(qū)分集接收天線： 3M- 全向天線水平間距： 4M- 定向天線水平間距： 2.5M- 不同平臺天線垂直間距： 1M- 收發(fā)天線除說明書特別指明不可倒置安置。- 處于避雷針保護范圍內(nèi)。- 天線方位：對于定向天線，第一扇區(qū)北偏東60度，第二扇區(qū)正南方向，第三扇區(qū)北偏西60度。- 天線傾角：保證天線實際傾角符合SE設計要求，誤差小于2度。- 天線垂直度：除有天線傾角的基站外，保證天線的垂直度不大于2度。第四講 移動通信系統(tǒng)天線參數(shù)調(diào)整 4.1 天線高度的調(diào)整 天線高度直接與基站的覆蓋范圍有關。一般來說，我們用儀器測得的信號覆蓋范圍受兩方向因素影響：一是天

26、線所發(fā)直射波所能達到的最遠距離；二是到達該地點的信號強度足以為儀器所捕捉。900MHz移動通信是近地表面視線通信，天線所發(fā)直射波所能達到的最遠距離（S）直接與收發(fā)信天線的高度有關，具體關系式可簡化如下：S=2R(H+h)其中：R-地球半徑，約為6370km；H-基站天線的中心點高度；h-手機或測試儀表的天線高度。由此可見，基站無線信號所能達到的最遠距離（即基站的覆蓋范圍）是由天線高度決定的。GSM網(wǎng)絡在建設初期，站點較少，為了保證覆蓋，基站天線一般架設得都較高。隨著近幾年移動通信的迅速發(fā)展，基站站點大量增多，在市區(qū)已經(jīng)達到大約500m左右為一個站。在這種情況下，我們必須減小基站的覆蓋范圍，降低

27、天線的高度，否則會嚴重影響我們的網(wǎng)絡質(zhì)量。其影響主要有以下幾個方面：a. 話務不均衡?；咎炀€過高，會造成該基站的覆蓋范圍過大，從而造成該基站的話務量很大，而與之相鄰的基站由于覆蓋較小且被該基站覆蓋，話務量較小，不能發(fā)揮應有作用，導致話務不均衡。b. 系統(tǒng)內(nèi)干擾?；咎炀€過高，會造成越站無線干擾（主要包括同頻干擾及鄰頻干擾），引起掉話、串話和有較大雜音等現(xiàn)象，從而導致整個無線通信網(wǎng)絡的質(zhì)量下降。 c. 孤島效應。孤島效應是基站覆蓋性問題，當基站覆蓋在大型水面或多山地區(qū)等特殊地形時，由于水面或山峰的反射，使基站在原覆蓋范圍不變的基礎上，在很遠處出現(xiàn)飛地，而與之有切換關系的相鄰基站卻因地形的阻擋覆

28、蓋不到，這樣就造成飛地與相鄰基站之間沒有切換關系，飛地因此成為一個孤島，當手機占用上飛地覆蓋區(qū)的信號時，很容易因沒有切換關系而引起掉話。4.2 天線俯仰角的調(diào)整 天線俯仰角的調(diào)整是網(wǎng)絡優(yōu)化中的一個非常重要的事情。選擇合適的俯仰角可以使天線至本小區(qū)邊界的射線與天線至受干擾小區(qū)邊界的射線之間處于天線垂直方向圖中增益衰減變化最大的部分，從而使受干擾小區(qū)的同頻及鄰頻干擾減至最??；另外，選擇合適的覆蓋范圍，使基站實際覆蓋范圍與預期的設計范圍相同，同時加強本覆蓋區(qū)的信號強度。在目前的移動通信網(wǎng)絡中，由于基站的站點的增多，使得我們在設計市區(qū)基站的時候，一般要求其覆蓋范圍大約為500M左右，而根據(jù)移動通信天線

29、的特性，如果不使天線有一定的俯仰角（或俯仰角偏小）的話，則基站的覆蓋范圍是會遠遠大于500M的，如此則會造成基站實際覆蓋范圍比預期范圍偏大，從而導致小區(qū)與小區(qū)之間交叉覆蓋，相鄰切換關系混亂，系統(tǒng)內(nèi)頻率干擾嚴重；另一方面，如果天線的俯仰角偏大，則會造成基站實際覆蓋范圍比預期范圍偏小，導致小區(qū)之間的信號盲區(qū)或弱區(qū)，同時易導致天線方向圖形狀的變化（如從鴨梨形變?yōu)榧忓N形），從而造成嚴重的系統(tǒng)內(nèi)干擾。因此，合理設置俯仰角是保證整個移動通信網(wǎng)絡質(zhì)量的基本保證。一般來說，俯仰角的大小可以由以下公式推算：=arctg(h/R)A/2其中：-天線的俯仰角h-天線的高度R-小區(qū)的覆蓋半徑A-天線的垂直平面半功率角

30、上式是將天線的主瓣方向對準小區(qū)邊緣時得出的，在實際的調(diào)整工作中，一般在由此得出的俯仰角角度的基礎上再加上1-2度，使信號更有效地覆蓋在本小區(qū)之內(nèi)。4.3 天線方位角的調(diào)整 天線方位角的調(diào)整對移動通信的網(wǎng)絡質(zhì)量非常重要。一方面，準確的方位角能保證基站的實際覆蓋與所預期的相同，保證整個網(wǎng)絡的運行質(zhì)量；另一方面，依據(jù)話務量或網(wǎng)絡存在的具體情況對方位角進行適當?shù)恼{(diào)整，可以更好地優(yōu)化現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡。根據(jù)理想的蜂窩移動通信模型，一個小區(qū)的交界處，這樣信號相對互補。與此相對應，在現(xiàn)行的GSM系統(tǒng)（主要指ERICSSON設備）中，定向站一般被分為三個小區(qū)，即：A小區(qū)：方位角度0度，天線指向正北；B小區(qū)：方

31、位角度120度，天線指向東南；C小區(qū)：方位角度240度，天線指向西南。在GSM建設及規(guī)劃中，我們一般嚴格按照上述的規(guī)定對天線的方位角進行安裝及調(diào)整，這也是天線安裝的重要標準之一，如果方位角設置與之存在偏差，則易導致基站的實際覆蓋與所設計的不相符，導致基站的覆蓋范圍不合理，從而導致一些意想不到的同頻及鄰頻干擾。但在實際的GSM網(wǎng)絡中，一方面，由于地形的原因，如大樓、高山、水面等，往往引起信號的折射或反射，從而導致實際覆蓋與理想模型存在較大的出入，造成一些區(qū)域信號較強，一些區(qū)域信號較弱，這時我們可根據(jù)網(wǎng)絡的實際情況，對所地應天線的方位角進行適當?shù)恼{(diào)整，以保證信號較弱區(qū)域的信號強度，達到網(wǎng)絡優(yōu)化的目

32、的；另一方面，由于實際存在的人口密度不同，導致各天線所對應小區(qū)的話務不均衡，這時我們可通過調(diào)整天線的方位角，達到均衡話務量的目的。當然，在一般情況下我們并不贊成對天線的方位角進行調(diào)整，因為這樣可能會造成一定程度的系統(tǒng)內(nèi)干擾。但在某些特殊情況下，如當?shù)鼐o急會議或大型公眾活動等，導致某些小區(qū)話務量特別集中，這時我們可臨時對天線的方位角進行調(diào)整，以達到均衡話務，優(yōu)化網(wǎng)絡的目的；另外，針對郊區(qū)某些信號盲區(qū)或弱區(qū)，我們亦可通過調(diào)整天線的方位角達到優(yōu)化網(wǎng)絡的目的，這時我們應輔以場強測試車對周圍信號進行測試，以保證網(wǎng)絡的運行質(zhì)量。4.4 天線位置的優(yōu)化調(diào)整 由于后期工程、話務分布以及無線傳播環(huán)境的變化，在優(yōu)

33、化中我們曾遇到一些基站很難通過天線方位角或傾角的調(diào)整達到改善局部區(qū)域覆蓋，提高基站利用率。為此就需要進行基站搬遷，換句話說也就是基站重新選點過程。下文摘錄了我們平時做規(guī)劃時的一些經(jīng)驗。(1) 基站初始布局 基站布局主要受場強覆蓋、話務密度分布和建站條件三方面因素的制約，對于一般大中城市來說，場強覆蓋的制約因素已經(jīng)很小，主要受話務密度分布和建站條件兩個因素的制約較大?；静季值氖杳芤獙谠拕彰芏确植记闆r。但是，目前對大中城市市區(qū)還作不到按街區(qū)預測話務密度，因此，對市區(qū)可按照：(a) 繁華商業(yè)區(qū)；(b) 賓館、寫字樓、娛樂場所集中區(qū)；(c) 經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)、住宅區(qū)；(d)工業(yè)區(qū)及文教區(qū)；等進行分

34、類。一般來說： (a)(b)類地區(qū)應設最大配置的定向基站，如8/8/8站型，站間距在0.61.6km；(c) 類地區(qū)也應設較大配置的定向基站，如6/6/6站型或4/4/4站型，基站站間距取1.63km；(d) 類地區(qū)一般可設小規(guī)模定向基站，如2/2/2站型，站間距為35km；若基站位于城市邊緣或近郊區(qū)，且站間距在5km以上，可設以全向基站。上幾類地區(qū)內(nèi)都按用戶均勻分布要求設站。郊縣和主要公路、鐵路覆蓋一般可設全向或二小區(qū)基站，站間距離5km-20km左右。結合當?shù)氐匦魏统鞘邪l(fā)展規(guī)劃進行基站布局：a. 基站布局要結合城市發(fā)展規(guī)劃，可以適度超前；b. 有重要用戶的地方應有基站覆蓋；c. 市內(nèi)話務量

35、熱點地段增設微蜂窩站或增加載頻配置；d. 大型商場賓館、地鐵、地下商場、體育場館如有必要用微蜂窩或室內(nèi)分布解決；e在基站容量飽和前，可考慮采用GSM900/1800雙頻解決方案。(2) 站址選擇與勘察在完成基站初始布局以后，網(wǎng)絡規(guī)劃工程師要與建設單位以及相關工程設計單位一起，根據(jù)站點布局圖進行站址的選擇與勘察。市區(qū)站址在初選中應作到房主基本同意用作基站。初選完成之后，由網(wǎng)絡規(guī)劃工程師、工程設計單位與建設單位進行現(xiàn)場查勘，確定站址條件是否滿足建站要求，并確定站址方案，最后由建設單位與房主落實站址。選址要求如下：- 交通方便、市電可靠、環(huán)境安全及占地面積小。- 在建網(wǎng)初期設站較少時，選擇的站址應保

36、證重要用戶和用戶密度大的市區(qū)有良好的覆蓋。- 在不影響基站布局的前提下，應盡量選擇現(xiàn)有電信樞紐樓、郵電局或微波站作為站址，并利用其機房、電源及鐵塔等設施。- 避免在大功率無線發(fā)射臺附近設站，如雷達站、電視臺等，如要設站應核實是否存在相互干擾，并采取措施防止相互干擾。- 避免在高山上設站。高山站干擾范圍大，影響頻率復用。在農(nóng)村高山設站往往對處于小盆地的鄉(xiāng)鎮(zhèn)覆蓋不好。- 避免在樹林中設站。如要設站，應保持天線高于樹頂。- 市區(qū)基站中，對于蜂窩區(qū)(R=13km)基站宜選高于建筑物平均高度但低于最高建筑物的樓房作為站址，對于微蜂窩區(qū)基站則選低于建筑物平均高度的樓房設站且四周建筑物屏蔽較好。 - 市區(qū)基

37、站應避免天線前方近處有高大樓房而造成障礙或反射后干擾其后方的同頻基站。- 避免選擇今后可能有新建筑物影響覆蓋區(qū)或同頻干擾的站址。- 市區(qū)兩個網(wǎng)絡系統(tǒng)的基站盡量共址或靠近選址。- 選擇機房改造費低、租金少的樓房作為站址。如有可能應選擇本部門的局、站機房、辦公樓作為站址。第五講 鏈路及空間無線傳播損耗計算 5.1 鏈路預算 上行和下行鏈路都有自己的發(fā)射功率損耗和路徑衰落。在蜂窩通信中，為了確定有效覆蓋范圍，必須確定最大路徑衰落、或其他限制因數(shù)。在上行鏈路，從移動臺到基站的限制因數(shù)是基站的接受靈敏度。對下行鏈路來說，從基站到移動臺的主要限制因數(shù)是基站的發(fā)射功率。通過優(yōu)化上下行之間的平衡關系，能夠使小

38、區(qū)覆蓋半徑內(nèi)，有較好的通信質(zhì)量。一般是通過利用基站資源，改善網(wǎng)絡中每個小區(qū)的鏈路平衡（上行或下行），從而使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)。最終也可以促使切換和呼叫建立期間，移動通話性能更好。圖5-01是一基站鏈路損耗計算，可作為參考。圖5-01 上下行鏈路平衡的計算。對于實現(xiàn)雙向通信的GSM系統(tǒng)來說，上下行鏈路平衡是十分重要的，是保證在兩個方向上具有同等的話務量和通信質(zhì)量的主要因素，也關系到小區(qū)的實際覆蓋范圍。下行鏈路（DownLink）是指基站發(fā)，移動臺接收的鏈路。上行鏈路（UpLink）是指移動臺發(fā)，基站接收的鏈路。上下行鏈路平衡的算法如下：下行鏈路（用dB值表示）：PinMS = PoutBTS -

39、 LduplBTS - LpBTS + GaBTS + Cori + GaMS + GdMS - LslantBTS - LPdown式中：PinMS 為移動臺接收到的功率；PoutBTS為BTS的輸出功率；LduplBTS為合路器、雙工器等的損耗；LpBTS為BTS的天線的饋纜、跳線、接頭等損耗；GaBTS為基站發(fā)射天線的增益；Cori為基站天線的方向系數(shù)；GaMS為移動臺接收天線的增益；GdMS為移動臺接收天線的分集增益；LslantBTS為雙極化天線的極化損耗；LPdown為下行路徑損耗；上行鏈路（用dB值表示）：PinBTS = PoutMS - LduplBTS - LpBTS +

40、GaBTS + Cori + GaMS + GdBTS -LPup +Gta式中：PinBTS為基站接收到的功率；PoutMS為移動臺的輸出功率；LduplBTS為合路器、雙工器等的損耗；LpBTS為BTS的天線的饋纜、跳線、接頭等損耗；GaBTS為基站接收天線的增益；Cori 為基站天線的方向系數(shù)；GaMS為移動臺發(fā)射天線的增益；GdBTS為基站接收天線的分集增益；Gta為使用塔放的情況下，由此帶來的增益；LPup為上行路徑損耗。根據(jù)互易定理，即對于任一移動臺位置，上行路損等于下行路損，即：LPdown = LPup設系統(tǒng)余量為DL ，移動臺的惡化量儲備為DNMS ，基站的惡化量儲備為DNB

41、TS，移動臺的接收機靈敏度為MSsense，基站的接收機靈敏度為BTSsense， Lother為其它損耗，如建筑物貫穿損耗、車內(nèi)損耗、人體損耗等。于是，對于覆蓋區(qū)內(nèi)任一點，應滿足：PinMS - DL - DNMS - Lother = MSsensePinBTS - DL - DNMS - Lother = BTSsense上下行鏈路平衡的目的是調(diào)整基站的發(fā)射功率，使得覆蓋區(qū)邊界上的點（離基站最遠的點）滿足：PinMS - DL - DNMS - Lother = MSsense于是，得到了基站的最大發(fā)射功率的計算公式：PoutBTS = MSsense - BTSsense + Pout

42、MS + GdBTS - GdMS + LslantBTS - Gta + DNMS - DNBTS5.2 各類損耗的確定 建筑物的貫穿損耗建筑物的貫穿損耗是指電波通過建筑物的外層結構時所受到的衰減，它等于建筑物外與建筑物內(nèi)的場強中值之差。建筑物的貫穿損耗與建筑物的結構、門窗的種類和大小、樓層有很大關系。貫穿損耗隨樓層高度的變化，一般為-2dB/層，因此，一般都考慮一層（底層）的貫穿損耗。下面是一組針對900MHz頻段，綜合國外測試結果的數(shù)據(jù)：- 中等城市市區(qū)一般鋼筋混凝土框架建筑物，貫穿損耗中值為10dB，標準偏差7.3dB；郊區(qū)同類建筑物，貫穿損耗中值為5.8dB，標準偏差8.7dB。-

43、大城市市區(qū)一般鋼筋混凝土框架建筑物，貫穿損耗中值為18dB，標準偏差7.7dB；郊區(qū)同類建筑物，貫穿損耗中值為13.1dB，標準偏差9.5dB。- 大城市市區(qū)一金屬殼體結構或特殊金屬框架結構的建筑物，貫穿損耗中值為27dB。由于我國的城市環(huán)境與國外有很大的不同，一般比國外同類名稱要高8-10dB。對于1800MHz，雖然其波長比900MHz短，貫穿能力更大，但繞射損耗更大。因此，實際上，1800MHz 的建筑物的貫穿損耗比900MHz的要大。GSM規(guī)范3.30中提到，城市環(huán)境中的建筑物的貫穿損耗一般為15dB，農(nóng)村為10dB。一般取比同類地區(qū)900MHz的貫穿損耗大5-10dB。 人體損耗對于

44、手持機，當位于使用者的腰部和肩部時，接收的信號場強比天線離開人體幾個波長時將分別降低4-7dB和1-2dB。一般人體損耗設為3dB。 車內(nèi)損耗金屬結構的汽車帶來的車內(nèi)損耗不能忽視。尤其在經(jīng)濟發(fā)達的城市，人的一部分時間是在汽車中度過的。一般車內(nèi)損耗為8-10dB。 饋線損耗在GSM900中經(jīng)常使用的是7/8的饋線，在1000MHz的情況下，每100米的損耗是4.3dB；在2000MHz的情況下，每100米的損耗則為6.46dB，多了2.16個dB。5.3 無線傳播特性 移動通信的傳播如圖5-02中的曲線所示，總體平均值隨距離減弱，但信號電平經(jīng)歷快慢衰落的影響。慢衰落是由接受點周圍地形地物對信號反

45、射，使得信號電平在幾十米范圍內(nèi)有大幅度的變化，若移動臺在沒有任何障礙物的環(huán)境下移動，則信號電平只與發(fā)射機的距離有關。所以通常某點信號電平是指幾十米范圍內(nèi)的平均信號電平。這個信號的變化呈正態(tài)分布。標準偏差對不同地形地物是不一樣的，通常在68dB左右?？焖ヂ涫钳B加在慢衰落信號上的。這個衰落的速度很快，每秒可達幾十次。除與地形地物有關，還與移動臺的速度和信號的波長有關，并且幅度很大，可幾十個dB，信號的變化呈瑞利分布?？焖ヂ渫鶗档驮捯糍|(zhì)量，所以要留快衰落的儲備。 圖5-02 無線電波在自由空間的傳播是電波傳播研究中最基本、最簡單的一種。自由空間是滿足下述條件的一種理想空間：1. 均勻無損耗的無限

46、大空間，2. 各項同性，3. 電導率為零。應用電磁場理論可以推出，在自由空間傳播條件下，傳輸損耗Ls的表達式為：Ls32.45+20lgf+20lgd自由空間基本傳輸損耗Ls僅與頻率f和距離d有關。當f 和d擴大一倍時，Ls均增加6dB，由此我們可知GSM1800基站傳播損耗在自由空間就比GSM900基站大6個dB，如圖5-03所示。圖5-03陸地移動信道的主要特征是多徑傳播，實際多徑傳播環(huán)境是十分復雜的，在研究傳播問題時往往將其簡化，并且是從最簡單的情況入手。僅考慮從基站至移動臺的直射波以及地面反射波的兩徑模型是最簡單的傳播模型。兩徑模型如圖5-04所示，應用電磁場理論可以推出，傳輸損耗Lp

47、的表達式為：Lp=20lg(d2/(h1*h2)圖5-045.4 常用的兩種電波傳播模型 Okumura電波傳播衰減計算模式GSM900MHz主要采用CCIR推薦的Okumura電波傳播衰減計算模式。該模式是以準平坦地形大城市區(qū)的中值場強或路徑損耗作為參考，對其他傳播環(huán)境和地形條件等因素分別以校正因子的形式進行修正。不同地形上的基本傳輸損耗按下列公式分別預測。L(市區(qū)）69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)-s(a)L(郊區(qū))=64.15+26.16lgf-2lg(f/28)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd

48、-a(h2)L(鄉(xiāng)村公路)=46.38+35.33lgf-lg(f/28)2-2.39(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)L(開闊區(qū))=28.61+44.49lgf-4.87(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)L(林區(qū))=69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)其中：f-工作頻率，MHzh1-基站天線高度，mh2-移動臺天線高度，md-到基站的距離，kma(h2)-移動臺天線高度增益因子，dBa(h2)=(1.1lgf-0.7)h2-1.56lg

49、f+0.8(中，小城市)=3.2lg(11.75h2)2-4.97(大城市)s(a)-市區(qū)建筑物密度修正因子，dB;s(a)=30-25lga (5%a50%)=20+0.19lga-15.6(lga)2 (1%a5%)=20 (a1%) Cost-231-Walfish-Ikegami電波傳播衰減計算模式GSM 1800 MHz主要采用歐洲電信科學技術研究聯(lián)合推薦的Cost- 2-Walfish-Ikegami電波傳播衰減計算模式。該模式的特點是：從對眾多城市的電波實測中得出的一種小區(qū)域覆蓋范圍內(nèi)的電波損耗模式。分視距和非視距兩種情況：(1) 視距情況基本傳輸損耗采用下式計算L42.6+26

50、lgd+20lgf(2) 非視距情況基本傳輸損耗由三項組成:LLo+Lmsd+LrtsLo=32.4+20lgd+20lgfa)Lo代表自由空間損耗 b)Lmsd是多重屏蔽的繞射損耗c)Lrts是屋頂至街道的繞射及散射損耗。不管是用哪一種模式來預測無線覆蓋范圍，只是基于理論和測試結果統(tǒng)計的近似計算由于實際地理環(huán)境千差萬別，很難用一種數(shù)學模型來精確地描述，特別是城區(qū)街道中各種密集的、下規(guī)則的建筑物反射、繞射及阻擋，給數(shù)學模型預測帶來很大困難。因此。有一定精度的預測雖可起到指導網(wǎng)絡基站選點及布點的初步設什，但是通過數(shù)學模型預測與實際信號場強值總是存在差別。由于移動環(huán)境的復雜性和多變性，要對接受信號

51、中值進行準確計算是相當困難的。無線通信工程上的做法是，在大量場強測試的基礎上，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計處理，找出各種地形地物下的傳播損耗（或接受信號場強）與距離、頻率以及天線高度的關系，給出傳播特性的各種圖表和計算公式，建立傳播預測模型，從而能用較簡單的方法預測接受信號的中值。5.5 參考覆蓋標準 大城市繁華市區(qū)室內(nèi)覆蓋電平：-70dBm一般市區(qū)室內(nèi)覆蓋電平：-80 dBm市區(qū)室外覆蓋電平：-90 dBm鄉(xiāng)村：-94 dBm第六講 補充：天線基本知識 6.1 天線 6.1.1 天線的作用與地位 無線電發(fā)射機輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收

52、地點后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機。可見，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設備，沒有天線也就沒有無線電通信。 天線品種繁多，以供不同頻率、不同用途、不同場合、不同要求等不同情況下使用。 對于眾多品種的天線，進行適當?shù)姆诸愂潜匾模喊从猛痉诸?，可分為通信天線、電視天線、雷達天線等；按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等；按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等；等等分類。 6.1.2 對稱振子 對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單地單獨立地使用或用作為拋物

53、面天線的饋源，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。 兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子, 見 圖1.2 a 。另外，還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框，并把全波對稱振子的兩個端點相疊，這個窄長的矩形框稱為折合振子，注意，折合振子的長度也是為二分之一波長，故稱為半波折合振子, 見 圖1.2 b 。6.1.3 天線方向性的討論 1 天線方向性 發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。 垂直放置的半波對稱振子具有平放的 “面包圈” 形的立

54、體方向圖（圖1.3.1 a）。 立體方向圖雖然立體感強，但繪制困難， 圖1.3.1 b 與圖1.3.1 c 給出了它的兩個主平面方向圖，平面方向圖描述天線在某指定平面上的方向性。從圖1.3.1 b 可以看出，在振子的軸線方向上輻射為零，最大輻射方向在水平面上；而從圖1.3.1 c 可以看出，在水平面上各個方向上的輻射一樣大。 2 天線方向性增強 若干個對稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈” ，把信號進一步集中到在水平面方向上。下圖是4個半波對稱振子沿垂線上下排列成一個垂直四元陣時的立體方向圖和垂直面方向圖。也可以利用反射板可把輻射能控制到單側方向 平面反射板放在陣列的一邊構成扇形區(qū)覆

55、蓋天線。下面的水平面方向圖說明了反射面的作用-反射面把功率反射到單側方向，提高了增益。 天線的基本知識全向陣 （垂直陣列 不帶平面反射板）。拋物反射面的使用，更能使天線的輻射，像光學中的探照燈那樣，把能量集中到一個小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構成包括兩個基本要素：拋物反射面 和 放置在拋物面焦點上的輻射源。 3 增益 增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 可以這樣來理解增益的物理含義-為在一定的距離上的某點處產(chǎn)生一定大小的信號。如果用理想的無方向性點源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需 100 / 20 = 5W . 換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。 半波對稱振子的增益為G = 2.15 dBi ; 4個半波對稱振子 沿垂線上下排列，構成一個垂直四元陣，其增益約為G = 8.15 dBi ( dBi這個單位表示比較對