4G高增益天线农村地区覆盖效果研究
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【摘 要】为研究4g高增益天线在农村地区的覆盖效果，为农村地区的网络建设提供指导和借鉴，选取农村地区的典型场景：高速、平原、丘陵、山区作为现场测试研究对象，通过理论分析和实际测试对比来验证4G高增益天线与4G普通天线、GSM天的覆盖效果差异。研究结果表明，在农村无阻挡高站的情况下使用4G高增益天线能明显提升中远场信号强度，近场信号恶化不明显，覆盖距离能达到普通天线的1.23倍左右，与GSM天线的覆盖距离相当，大约能节省15%的建设成本。
【关键词】4G高增益天线 农村地区网络覆盖 链路预算 覆盖半径
1 引言
当前中国移动4G网络经过多期工程的建设已实现主城区、县城城区的连续覆盖，农村地区的网络覆盖成为下一步网络建设的重点。中国移动4G网络使用频段较高，覆盖能力较弱，而农村地区地形广阔、复杂，用户需求较为分散；同时，高速场景也广泛位于农村地区，用户基本呈线状分布且不密集。对于这些地区的覆盖，将有别于城区，必须综合考虑建网成本，积极探索新型覆盖技术，提升广覆盖能力。
从覆盖场景看，农村地区地形复杂，大致分为平原、丘陵、山区三种场景，平原和丘陵地区地势平坦或起伏平缓，山区无线环境遮挡严重。高速场景的地理位置大多位于城郊或农村地区，覆盖面较为狭窄，呈线状分布。
4G高增益天线相比4G普通天线增益提升2.5 dB～3 dB，增益的提升将带来覆盖半径增大，有利于缩减建设规模，节约成本。
本文主要研究4G高增益天线的应用场景，通过对比4G普通天线，以及GSM天线的覆盖效果，分析4G高增益天线在高速、平原、丘陵、山区等场景下覆盖效果的提升差异，从而给下一步农村地区和高速场景的网络建设提供借鉴。
2 天线对比和覆盖理论分析
2.1 三种天线基本参数对比
本文对4G高增益天线、4G普通天线和GSM天线进行覆盖对比测试，三种天线（以某厂家的天线为例）的主要性能参数如下：
（1）4G高增益天线
频段范围（MHz）：1880―1920（F）/2010―2025（A）/2500―2690（D）；水平半功率波瓣角：65±5°；垂直半功率波瓣角：4.5°（F）/4.3°（A）/3.5°（D）；天线增益（dBi）：17（F）/17.5（A）/18.5（D）。
（2）4G普通天线
频段范围（MHz）：1880―1920（F）/2010―2025（A）/2500―2690（D）；水平半功率波瓣角：65±5°；垂直半功率波瓣角：7°（F）/6.5°（A）/5°（D）；天线增益（dBi）：14（F）/15（A）/16（D）。
（3）GSM天线
频段范围（MHz）：880―960；水平半功率波瓣角：90°；垂直半功率波瓣角：6.5°；天线增益（dBi）：16。
本次测试两种LTE天线均采用F频段，从参数对比可知，它们的水平半功率波瓣角相同，在垂直半功率波瓣角减小的前提下，4G高增益天线增益相比4G普通天线增益能有3 dB的提升。而4G高增益天线与GSM天线相比，若水平半功率波瓣角和垂直半功率波瓣角均减小，则能带来1 dB的提升。
2.2 TD-LTE/GSM链路预算
（1）TD-LTE链路预算结果
1）4G高增益天线
以农村室外场景为例，穿透损耗为10 dB。宏基站的工作频率为1880 MHz，20 M带宽（即100 RB），天线发射功率为2×20 W，天线增益为17 dBi，天线安装高度43 m。
下行控制信道类型为PDSCH，目标数据速率2048 kbps，信道模型为ETU3，小区边缘MCS类型MCS6，天线为双通道。
基站有效发射功率ERP=天线最大发射功率-馈线
损耗+天线增益-10×lg（12×总RB数） （1）
基站静态接收灵敏度=-174+10×lg（15000）+目标
SINR值+接收机噪声系数 （2）
覆盖门限=基站静态接收灵敏度+干扰余量+人体
损耗 （3）
最大允许路径损耗=基站有线发射功率-覆盖门限-
穿透损耗-阴影衰落+切换增益 （4）
由于不同传播模型对应的覆盖距离不同，本文采用2G频段常用的传播模型COST 231 Hata模型：
Lu=46.3+33.9×lg（f）-13.82×lg（Hb）-a（Hm）+
[44.9-6.55×lg（Hb）]×lg（d）+Cm （5）
其中：a（Hm）=[1.1×lg（f）-0.7]×Hm-[1.56×lg（f）-0.8]，Lu为基本传播损耗中值，单位为dB；f为工作频率，单位为MHz，取值1800 MHz；Hb为发射台天线有效高度，单位为m；d为接收机到发射机之间的距离，单位为m；Cm为地形修正因子（大城市的密集城区取值为3 dB，一般城市取值为0 dB），Hm为接收台天线有效高度，单位为m。
4G高增益天线链路预算参数配置如表1、表2和表3所示。由表中数据可知，4G高增益天线的覆盖半径约为2.5 km。
2）4G普通天线
4G普通天线链路预算计算过程同上，计算数据如表4、表5和表6所示。
经过比较，4G高增益天线的覆盖半径为2.5 km，普通天线的覆盖半径为2.04 km，4G高增益天线的覆盖半径约为普通天线的1.23倍，覆盖半径得到提高。
（2）GSM链路预算结果
GSM的链路预算计算方式与4G略有不同，由于不同传播模型对应的覆盖距离不同，本文采用900 M频段常用的传播模型Hata-Okumura模型。
Lu=69.55+26.16×lg（f）-13.82×lg（Hb）-a（Hm）+
[44.9-6.55×lg（Hb）]×lg（d） （6）
其中：Lu为基本传播损耗中值，单位为dB；f为工作l率，单位为MHz，取值900 MHz；Hb为发射台天线有效高度，单位为m；Hm为接收台天线有效高度，单位为m；a（Hm）=[1.1×lg（f）-0.7]×Hm-[1.56×lg（f）-0.8]，为移动台天线高度因子，在本文中取值为0.015 98；d为接收机到发射机之间的距离，单位为m。
GSM天线链路预算相关计算数据如表7、表8和表9所示。由表9可得，GSM天线的覆盖半径为2.4 km，而4G高增益天线的覆盖半径为2.5 km，比较而言，4G高增益天线的覆盖能力与GSM天线的覆盖能力相当。
3 实际覆盖效果对比测试
3.1 4G高增益天线与4G普通天线覆盖对比测试
（1）测试计划和步骤
本次测试工器具准备如下：
测试设备：MIFI 1个，GPS 1个，逆变器1个，测试笔记本1台、相机1部；
前台软件：GENEX Probe 3.5；
后台软件：GENEX Assistant 3.5；
勘测工具：天线姿态仪1个。
本次测试站点选取如表10所示，选取高速（测试站点A）、平原（测试站点B）、山区（测试站点C）、丘陵（测试站点D）4种类型站点各1个，对4种无线覆盖环境下天线性能进行验证，并对比不同场景下的天线性能及覆盖能力。此次选取的4种类型站点当前现网安装的是4G普通天线，测试需要对更换为4G高增益天线前后的数据做对比。测试站点B覆盖地形为平原，现网安装为4G普通天线，做4G高增益天线和4G普通天线最大覆盖距离对比测试，即单站拉远测试。
为保证天线更换前后测试具有对比性，本次测试需保证天线更换前后方位角、下倾角等工程参数准确一致。具体测试过程如下：
1）高速场景
天线工程参数核查，确认是否符合覆盖目标，若不符合应要求施工单位现场进行调整。
高速测试车速需尽量控制在60 km/h左右。
每次锁定小区进行测试，共分为两次，第一次去程完成DT（Drive Test，路测）测试直到脱网，第二次返程选取近、中、远3点进行CQT（Call Quality Test，通话质量测试）定点测试。
2）平原、山区、丘陵场景
天线工程参数核查，确认是否符合覆盖目标，若不符合应要求施工单位现场进行调整。
每次锁定小区进行测试，共分为两次，第一次去程完成DT测试直到脱网，第二次返程选取近、中、远3点进行CQT定点测试。
3）单站最大覆盖距离对比测试
调整现网4G普通天线总下倾角为2°，锁定1小区进行DT测试直到电平较弱脱网，得出4G普通天线最大覆盖距离；
更换为4G高增益天线，保证工程参数下倾角、方位角与4G普通天线测试时一致，同样锁定1小区进行DT测试直至电平较弱脱网，得出4G高增益天线最大覆盖距离。
最后根据各覆盖类型对比测试数据进行总结分析。
（2）测试基站参数
4类测试场景（高速、平原、丘陵、山区）的基站参数如表11所示。
单站拉远测试选取测试站点E（第1小区）天线，固定方位角35°，总下倾角为2°，具体参数如表12所示。
（3）测试结果
1）DT测试结果如表13和表14所示。
2）CQT定点测试，结果如表15所示。
更换为4G高增益天线后，网络性能比原4G普通天线有明显收益，RSRP平均提升4.1 dB以上，SINR平均提升0.3 dB以上，下载速率平均提升3.9 Mbps以上。
3）最大覆盖距离拉远测试，结果如图1所示。
从单站拉远看，高增益天线覆盖距离比普通天线远23.75%，能够覆盖6000 m以上。
3.2 4G高增益天线基站与2G天线基站对比测试
（1）测试计划和步骤
本次测试工器具准备如下：
测试设备：MIFI 1个，GPS 1个，逆变器1个，笔记本1部；GSM MS/测试工具、相机1部；
前台软件：GENEX Probe 3.5/鼎利软件；
后台软件：GENEX Assistant 3.5/鼎利软件；
勘测工具：天线姿态仪1个。
本次测试站点选取如表16所示：
表16 测试站点表
序号 基站名称 覆盖场景 地形地貌 2G和4G
天线挂高/m 站址属性
1 测试站点B 行政村 平原 37 2G4G共址
2 测试站点D 行政村 山区 40 2G4G共址
本次测试选取平原（测试站点B）、山区（测试站点D）两种类型站点各1个，对两种无线覆盖环境下的天线性能进行验证，并对比不同场景下的天线性能及覆盖能力。此次选取的2个站点均为2G和4G共址站点，现网已安装4G高增益天线和2G普通天线。
对每类场景站点分别进行2次测试，第一次为4G和2G天线总下倾角均为5°的正常覆盖方式测试，另一次为天线总下倾角为0°的最大覆盖距离的极限方式测试。
（2）测试站点参数
两类测试场景（平原和山区）的基站参数如表17所示。
（3）测试结果
从整体测试结果来看（如表18所示），4G高增益天线基本能达到GSM覆盖能力，覆盖距离绝对值差异在0.2 km之内。
4 造价分析
以某省为例，全省行政村总计17 407个，其中城区镇区范围内总计1783个行政村，城区镇区范围外总计15 624个行政村，平原类型5502个，丘陵类型4888个，山区类型5234个。
参考最新4G主设备集采单价，高增益天线集采单价约2800元，普通天线集采单价约850元，按照当前行政村广覆盖原则，行政村按照一村一站覆盖，采用高增益天线覆盖相比采用普通天线覆盖增加投资约9140万元。
考虑同等基站设备情况下，天馈线系统的差异将导致基站有效覆盖半径和有效覆盖面积发生较大的差异，通过上文的实际测试结果可知，使用高增益天线相比于普通天线，在平原、丘陵、山区覆盖效果提升约29%、8%、6%，故在这些场景需要建设更多的基站才能达到高增益天线的覆盖效果，使用普通天线达到高增益天线覆盖效果增需加投资约55 224万元。
采用普通天线与高增益天线投资比如表19所示。可以看出，4G高增益天线相比4G普通天线增益提升2.5 dB～3 dB，增益的提升将带来覆盖半径的增大，按照全省行政村100%覆盖的目标，在平原、丘陵、山区场景采用高增益天线将大大缩减约15%的建设成本，共计46 084万元。因此，在4G网络建设中，建议在农村区域大力推广高增益天线。
5 结论
综上分析，建议在农村无阻挡高站的情况下使用4G高增益天线，能明显提升中远场信号强度，近场信号恶化不明显。高增益天线覆盖距离为普通天线的1.23倍左右，与GSM天线的覆盖距离相当，能节省约15%的建设成本，对支撑行政村4G的广覆盖效果显著。
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