浅谈WCDMA网络新型天线的特性及应用
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摘要：随着第三代移动通信网络的快速发展以及第二代移动通信业务的保持，2G、3G网络将在今后较长的时间内共存，两代网络共用一套室分天馈系统，经常出现覆盖范围和信号强度不对称的矛盾。本文针对我国室内分布工程中备受推荐的一种新型全向吸顶天线进行系统仿真、场景测试、理论计算等方式，对新型天线的特性进行研究分析，形成有效指导方案设计的原则，有效解决两代网络共存的问题。
关键词：移动通信；网络；wcdma； 2G；3G；室内分布
Abstract: with the third generation mobile communication network and the rapid development of the second generation of mobile communications business keep, 2 G, 3 G network in the future will be a long time coexistence, two generation of Internet use a set of room points days feedback system, often appear coverage and signal strength asymmetry of conflict. In this paper are recommended engineering indoor distribution of a kind of new type to absorb all the antenna for system simulation, scene test, theoretical calculation etc way, to a new antenna the characteristics of research and analysis, form an effective guidance scheme design principle, effectively solve the problem of the network coexistence two generations.
Keywords: mobile communication; The network; WCDMA; 2 G;3 G;Indoor distribution
中图分类号：O434.19文献标识码：A 文章编号：
随着第三代移动通信网络（WCDMA）越来越多地被用户所喜爱，WCDMA用户量也呈现出快速增长的态势。由于2G、3G网络将在较长的时间内长期共存，两代网络共用一套室分天馈系统，经常出现覆盖范围和信号强度不对称的矛盾。
对于目前我国室内分布工程中备受推荐的一种新型全向吸顶天线，能一定程度上克服传统全向吸顶天线高频信号快速衰减和信号不均匀、不稳定等技术缺陷，使高频信号覆盖范围更广，信号分布均匀、稳定，从而实现了2G、3G无线网络的同步覆盖。但该类天线并未投入大规模的应用，其实际覆盖的效果和设计布放原则等重点参数并未有严格的界定，也未有形成有效的指导设计、施工的要求。
新型全向吸顶天线特性分析
在分布系统中，新型天线辐射角是80~85°；辐射最强点一般在1米左右，对应辐射角约30°。以30°辐射角增益表征天线最大辐射强度，85°辐射角增益表征覆盖范围、边缘信号强弱，85°辐射角不圆度表征信号稳定性。
表1是新型全向吸顶天线与传统吸顶天线不同辐射角下技术指标的现场测试结果对比。
全向吸顶天线测试指标对比
表1：全向吸顶天线测试指标对比
可见，新型天线30°辐射角增益低频段平均值为-3.43dBi、高频段为-5.50dBi，比传统天线分别降低0.57dB和10.36dB；85°辐射角增益低频段平均值为1.01dBi、高频段为2.31dBi，与传统天线对比，低频段低0.09dB，基本一致，但高频段提高了4.22dB；85°辐射角不圆度低频段平均值为0.52dB、高频段为0.71dB，与传统天线对比，低频段降低0.11dB，高频段降低1.6dB。
高频覆盖范围：新型天线主瓣辐射角度达到+75°~+85°之间，而传统天线主瓣辐射角度一般在45°左右，在+75°~+85°方向上，新型天线较传统天线增益增加了3dB~5dB，有效延伸了覆盖边缘。
低频覆盖范围：在45°方向上，新型天线较传统天线增益有较大的下降，而在在+75°~+85°方向上，新型天线和传统天线增益基本相当。因此新型天线并未减少低频信号的水平覆盖范围。
高低频增益差异：传统天线在+75°~+85°方向上，高低频增益的差距较大，而新型天线在+75°~+85°方向上，高低频增益基本相当，这就很大的减少了高低频覆盖范围的不同。
图1：新旧天线高频不圆度测试对比图
天线不圆度：如图1所示，新型天线的天线不圆度降低到1dB以内，使得覆盖边缘更为规整，保证了各向覆盖的均匀一致性
因此，新型天线低频段技术性能与传统天线一致，高频段30°低辐射角增益降低了10dB以上，85°辐射角增益提高了4.22dB，85°辐射角不圆度降低了1.6dB，这一特性，使高频信号分布更均匀、稳定，覆盖范围更广。
天线口功率
在3G室分系统中，天线口功率受限于最小耦合损耗（MCL）和电磁辐射环保要求两个因素：
2.1 最小耦合损耗（MCL）
通过链路损耗公式计算，取1米为最小空间传播距离，天线口导频功率PA≤6.5(dBm)。对新型全向吸顶天线，在天线下方30度辐射角内天线增益在-5dBi以下，比传统天线小10dB以上，故：PA≤10+6.5=16.5(dBm)。在最大增益辐射角调整到70°以上，比传统天线小9dB以上，故：PA≤9+6.5=15.5(dBm)。二者取较小值，得到新型全向吸顶天线满足MCL天线口导频功率设置条件：PA≤15.5dBm。
以上讨论可知：新型全向吸顶天线天线口导频功率小于15.5dBm，就可满足MCL要求。
2.2 室内电磁辐射标准
给定室分吸顶天线增益，可得到天线口功率与最小安全距离的关系曲线。如图2所示，最小安全距离d一般取0.3m。对新型吸顶天线天线正下方30辐射角内，增益小于-5dBi，由上式可得：PA≤25.5dBm，则天线口导频功率PA≤15.5dBm；在70度左右的最大辐射方向，最小安全距离d增加2.5倍，天线增益GN约4dBi， PA≤24.5dBm，则天线口导频功率PA≤14.5dBm。二者取较小值，得到新型全向吸顶天线满足电磁环保一级标准的天线口导频功率设置条件：PA≤14.5dBm，较传统天线提高了9dB。
图2：天线功率与最小安全距离关系曲线
由以上分析，总结出天线口功率应用原则如下：
2.2.1 根据电磁辐射要求，室内天线口发射总功率应小于15dBm，以导频功率占总功率10%计算，楼层高度在3米以内的室内天线口导频功率应不大于5dBm。若楼层较高天线口离手机距离较远或导频功率占总功率比例超过10%的，天线口导频功率可适当增大。
2.2.2 注意手机发射功率，避免因手机发射功率在降到最低值（-50dBm）后无法再继续下降，造成远近效应； WCDMA系统原则上MCL不小于65dB。
2.2.3 在无法采用多天线小功率方式进行设计的楼层，天线口功率可适当放大，以满足覆盖要求，但应保证室内天线最大发射总功率≤15dBm；
2.2.4 电梯、地下停车场、综合覆盖系统等可采取大功率少天线方式；
2.2.5 在玻璃幕墙等穿透损耗较小的区域要采用小功率多天线的原则，避免室内信号对外的泄漏干扰。
室内外信号协同覆盖
在WCDMA网络中UE接收信号强度和质量用导频信号强度RSCP和Ec/Io表示。经测试室内分布系统导频信号质量Ec/Io与导频信号强度RSCP（Ec）、室外渗透信号强度Io之间的关系曲线如下图：
图3：Ec与Ec/Io的关系曲线
可见，当室外渗透信号很小时（12dB）；反之，如果室外渗透信号很强（如>-60dBm），室分信号Ec必需很强（>-70dBm）才能得到较好的Ec/Io（>12dB）。
对WCDMA同频自干扰系统，做好室内外信号的协同覆盖非常重要，过强或过多的信号并不能获得更好的通信质量，合理降低信号强度，控制好边缘场强，更有利于整体网络质量的提升。
首先，由于覆盖范围大，天线布放位置可调范围大，因此，可以充分利用室内梁、柱、墙等现有遮挡物控制信号外泄。
其次，可通过调整天线口功率完全可以让多网络信号覆盖同步。
第三，由于新型天线信号覆盖均匀，对较小的覆盖区域，可以降低天线口功率，从而达到控制泄漏的目的。
覆盖半径
全向吸顶天线信号覆盖半径取决于天线口功率、天线增益、路径衰耗等。对无遮挡自由空间，天线口功率PA为：
PA(dBm)=PE(dBm)+32.5(dB)+20lgf(GHz)+20lgd(m)-GN(dBi)
根据各种场景的模拟测试和工程试点，在天线口功率5dBm，边缘场强-85dBm的情况下，新型天线的布放参考以下原则：
4.1 较空旷区域，如地下停车场，有效覆盖半径为30-35米左右（有柱阻挡除外）。
4.2 包房类区域，如酒店、公寓，娱乐场所等，有效覆盖半径为12米左右，隔墙覆盖情况建议将天线放在门口；两侧内洗手间外房间的典型场景，需要在内走道密集安装天线，天线间距保持在10米左右。
4.3 办公区域，如写字楼等，低隔断办公区，有效覆盖半径为25～30米左右，带轻薄隔墙的办公区，有效覆盖半径为15～20米左右。
4.4 有遮挡区域，如商场,有货架的超市等,有效覆盖半径为15到20米左右。
4.5 靠窗较近布放的天线，除控制好天线距离和天线口功率之外，要充分利用建筑物内梁、柱等已有遮挡物，有效控制外泄。
结语
在当前室内覆盖建设方案中，2G、3G两代网络共用一套室分天馈系统的情况十分普遍。通过分析，采用室内覆盖新型天线，并根据新型天线特有的高、低频信号分布均匀，稳定，覆盖范围广的特性，合理设置天线功率、位置、覆盖半径等参数，可以有效地解决两代网络共存所出现的覆盖效果不佳的问题，在不额外增加建设成本的情况下，共同实现2G、3G网络的良好覆盖，使室内覆盖系统更具有更强大的生命力和活力。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。