2、CDMA基站天线基本原理及调整.ppt

CDMA基站天线基本原理及优化调整山东瑞科通信科技发展有限公司 1 天线理论基础知识点 2 天线的优化调整 目录天线的基本知识§天线概念和作用§天线的工作频率范围§天线的方向性§天线增益§天线的波束宽度§驻波比§前后比§零点填充与上旁瓣抑制§天线的分集§电子俯仰角天线的概念什么是天线?(1)把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…...(2) 收集无线电波并产生电信号天线的作用是什么?将传输线中的高频电磁能 转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能.关注的基站天线技术指标?–频率范围                                                                     MHz  820 - 890–频带宽度MHz70–增益dBi15–半功率(3dB)        水平64 °         垂直13°–驻波系数 < 1.4–前后比dB>30–俯仰上旁瓣抑制dB< -13–极化单极化单极化–俯仰下旁瓣抑制dB< -13–第一零点填充dB>15–下倾角(可调)2 - 10 °选择天线时需要关注的指标：天线的工作频率范围 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽. 有几种不同的定义： (1) 天线增益下降三分贝时的频带宽度； (2) 在规定的驻波比下天线的工作频带宽度. 在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比≤1.5时，天线的工作带宽.在在 820 MHz 1/2 波长波长 为为~ 180mm, 在在890 MHz 为为~ 170mm 175mm对对~ 850MHz 将是最佳的将是最佳的该天线的频带宽度该天线的频带宽度 = 890 - 820 = 70MHz        当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降.在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的.在在 850MHz 1/2 波长振子波长振子最佳最佳在在 890MHz天线振子天线振子在在820MHz天线的工作波长天线的方向性v天线方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力.v对于接收天线，方向性表示天线对不同方向传来的电磁波所具有的接收能力v天线的方向性的特性曲线通常用方向图表示.v方向图是表征天线辐射特性空间角度关系的图形，同样说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力.天线辐射方向图水平方向图形式主要分为全向和定向,其图形的决定因素如下:§HPBW（半功率角）§F/B ratio（前后比）§旁瓣水平垂直方向图主要决定因素为: §下旁瓣零点填充§上旁瓣抑制天线的增益v 增益是指在相同输入功率、相同距离条件下，天线在最大辐射方向上的功率密度与参照辐射单元在该方向上的功率密度之比.v 增益是一个相对的概念，所参照的辐射单元不同，表征天线增益的参数也不同v　大多数VHF/UHF天线厂商使用半波偶极子做为参照（单位：dBd）v 微波天线厂商常用各向同性源做为参照（单位：dBi)v 天线增益（ dBi ) = 天线增益 （ dBd ）+ 2.150 (dBd) = 2.15 (dBi)Isotropic (dBi)Dipole (dBd)GainIsotropic Pattern3 (dBd) = 5.15 (dBi)Dipole Pattern理解 “dB” “dBi”“dBd”“dBm”“dBc”“dB– 表示两个信号强度的差值，是放大（增益）或衰减（损耗）相对倍数的分贝表示“dBi”– 相对于点源天线的天线增益“dBd”– 相对于半波偶极子的天线增益“dBm”– 以1毫瓦为参考值的dB数1 mWatt= 0 dBm1 Watt= 30 dBm20 Watts= 43 dBm“dBc”– 相对于载波电平的载波dB值例: -100 dBc = 载波电平以下100 dB 如果载波电平为 100 Watt = 50 dBm那么-100 dBc = -50 dBm 或 0.00001 mWattNote: TheLogarithmic Scale10x log10 (Power Ratio)一个单一对称振子具有面包一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在所一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益一个天线与对称振子相比较的增益用用“dBd”表示表示一个天线与各向同性辐射器相比较的一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如: 3dBd = 5.17dBi2.17dB 对称振子的增益为对称振子的增益为2.17dB dBd dBd 和和 dBidBi的区别的区别波束宽度v表征天线在指定方向上辐射功率的集中程度.分为3dB波束宽度和10dB波束宽度.v3dB波束宽度指在天线主瓣的两侧，相对于天线的最大功率值.v当功率强度下降到-3dB时的两点间的夹角，即半功率角.v波束宽度根据方向的不同，可分为垂直波束和水平波束.驻波比9.5 W80 ohms50 ohms朝前朝前: 10W返回返回: 0.5W 驻波比是考察天线性能的最直接的指标,也是用户最方便测试的指标. 驻波较大说明天线匹配性能差，辐射效率低，反射功率过大，会使基站告警自动锁机，严重的烧毁BTS. 驻波与反射系数成正比.§驻波比驻波比VSWR定义如下：定义如下： §回损定义如下：回损定义如下： §传输损耗定义如下：传输损耗定义如下： TL= -10 log{1-Reflected power/Forward power} 驻波比VSWR和回波损耗VSWRReturnLoss (dB)TransmissionLoss (dB)PowerReflected (%)PowerTrans. (%)1.001.101.201.301.401.502.00¥26.420.817.715.614.09.50.000.010.040.080.120.180.51 0.00.20.81.72.84.011.1100.099.899.298.397.296.088.9驻波比VSWR 与回损阿朗天线选型的标准要求VSWR<1.4前后比 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比.它大，天线定向接收性能就好.基本半波振子天线的前后比为１，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力.前向功率前向功率后向功率后向功率以以dB表示的前后比表示的前后比 = 10 log 典型值为典型值为 25dB 左右左右目的是有一个尽可能小的反向功率目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率前向功率)(反向功率反向功率)前后比前后比定义如下：F/B Ratio = (前向增益（dBd or dBi) - (反向增益（ dBd or dBi)）　前后比体现了天线对后瓣抑制的能力,高前后比可以减少同频干扰.典型的前后比在25~30dB之间，应优先选用前后比高于30dB的天线. 零值填充与上波束抑制天线零值填充和上波瓣抑制，可实现最近距离覆盖和极小的同通道干扰.(1)零值填充对于提供近距离覆盖非常重要，在垂直面内采用零值填充技术，可以控制天线的垂直面方向图，解决基站天线“塔下黑”的问题；(2)上波瓣抑制功能则用于降低因通道容量增加导致蜂窝单元变小后存在的同通道干扰，最终提高载波信噪比（C/I），优化话音质量和降低呼损率. 零值填充与上波束抑制天线一一 零值填充零值填充标准的天线方向图中主瓣上下两侧有着对称的旁瓣，各旁瓣间的值为零.此区域的能量很低，接收信号电平会降低30dB甚至更多.所以它们所覆盖的地面区域通信性能将较差.采用零值填充的方法可重新定向天线的发射功率来填充朝向地面的零值区域，使天线的能量分配更均匀，以提供统一和稳定的通信性能. 　零点填充可消除水平面以下波瓣之间的空隙，扩大覆盖范围　可以抑制第一上行旁瓣－对减小从邻小区来的同信道干扰很重要　各个天线厂家的产品对于零点填充和上旁瓣抑制的能力各不相同，目前没有绝对 的行业标准，一般典型的零点填充应不小于15dB；典型的上旁瓣抑制应不小于 15dB. 零点填充和上旁瓣抑制对天线辐射方向图的影响－见图例零点填充与上旁瓣抑制§调整辐射单元的电流幅度和相位，可对天线辐射方向图的形状进行调整§零点填充和上旁瓣抑制的实现（方向图的变化）是与增益的变化密切相关§为了达到较小的上旁瓣抑制指标，最大增益将减少0.1 - 0.2 dB （基于旁瓣抑制指标的水平）§当在场图中第一零点做了填充，最大增益将减少0.2 - 0.3 dB （基于零点填充指标的水平）§综合来看增益将减少 0.5dB.零点填充/上旁瓣抑制－与增益的关系分集技术v在移动通信系统中，无线传播将遇到由于多径效应产生的多径衰落以及由于地形地物遮挡引起的阴影衰落，在某些特定的点，信号可能会相互抵消.在几米的范围内，信号可能会变化20~30dB.为了克服衰落，提高系统性能人们通常采用分集技术.v分集技术是对接收到的几路信号进行和并或者选择其中一个最好的信号.它可以降低空间衰落的影响，降低上行链路的发射功率，也就相应的减少了干扰，尤其是忙时干扰.v 每当有可能接收到至少两路不相关的信号时就可能改善信号的接收，两路信号不相关的程度决定了改善的程度.在天馈系统中采用的分集技术空间分集空间分集:空间分集是通过两个接收天线间隔开一定的距离来实现的，一面天线有一个接收场强，而几米之外的另一面天线的场强是完全不同的，理论上，一面天线接收信号最小可以通过另一面天线接收最大信号而得到补偿.用这种方法得到的平均接收电平的增加被称为分集增益.水平间距一般在3~5米之间，它与相关系数、方位角、基站高度有关.采用空间分集（接收）技术，一个扇区需要两面单极化天线,分集接收的最佳性能是两面天线接收的信号相关系数≈0极化分集极化分集在移动信道中，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现不相关特性.在大城市中，反射信号极化方式并不相同，也存在水平极化信号.而且，很少处在竖直的状态中，这意味着介于垂直和水平之间的任何极化方式都有可能存在.极化分集是采用两个相互垂直的天线进行接收.可以采用水平/垂直极化或者±45°交叉极化采用极化分集（接收）技术，一个扇区需要一面双极化天线极化分集§极化分集的增益跟空间分集一样§极化分集节省天线费用和安装费用§极化天线之间没有安装距离要求§极化天线节省了天线占用空间符合环保要求n±45°交叉极化天线，是将两面相互垂直的天线和在一个天线罩内，分别使用来实现极化分集的n两组天线振子与地面的夹角分别为+45 °和-45 °n相互垂直的极化信号相关性最小，±45°极化分集天线比垂直/水平极化分集有更高的分集增益极化分集§不建议使用水平/垂直交叉极化方式 在反向链路上，分集增益可能由于水平分量较小而减少§+/-45度斜极化(Slant-Polarized)方式较好 在反向上，分集效果与空间分集效果一样好双极化天线水平水平/垂直交叉极化垂直交叉极化辐射单元排列方式辐射单元排列方式+/-45度斜极化度斜极化辐射单元排列方式辐射单元排列方式d = 0°, XPol = -¥ dBd = 5°, XPol = -21 dBd =10°, XPol = -15 dBd =15°, XPol = -11 dBd =20°, XPol =-9 dBd =30°, XPol =-5 dBd =40°, XPol =-1.5 dBXPol = 20 log ( tan (d d))d+/-45度斜极化天线的正交性 图示反映了＋/-45度斜极化天线两个分集接收天线的天线方向图水平波束的吻合性，吻合性越好，分集接收效果越好,典型值为3dB半功率角点吻合度为+/-1dB120°+45°-45°ArrayArray+/-45度斜极化天线的水平波束吻合性        双极化天线的极化分集是利用两副天线的极化正交性来获得两个不相干的快衰落信号，从而得到高的分级增益：         (1) 只有在双极化天线的轴线附近的有效角度内才能保证极化正交性，偏离轴线越远正交性就越差，从而分极增益就越低，所以在扇区的边沿，利用双极化天线的极化正交性来获得分集增益几乎为零，故极化分集仅适应于人口密度大、话务量、扇区小的条件下.        (2) 利用单极化天线的空间分集只要两副天线保持一定的距离在120度范围内均可获得两个相干性较差的快衰落信号，从而得到比较好的分集增益.极化分集和空间分集比较电调天线§所谓电调天线，是指通过改变天线馈电相位的方法改变下倾角度的基站天线.§电子下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位，改变垂直分量和水平分量    的大小，改变合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向性图下倾.§调整天线的下倾角度可以改变基站覆盖区域，降低干扰、减少掉话率，因此是网络优化的一个重要手段.§电调天线在这方面具有一定的优势，受到运营商的青睐，但他也有一定的不足.电调天线的优势§电调天线允许系统在不停机的情况下对垂直方向性图下倾角进行调整，实时监测调整的效果§调整倾角步进精度也较高，避免了因人工调整机械下倾臂而带来的误差.§可以降低人员的工作量，节省时间.§无须调节支架，可以节约经费机械倾角机械倾角电子倾角电子倾角机械及电子俯仰角(1)机械倾角机械倾角电子倾角电子倾角机械及电子俯仰角(2)010203040506070809010011012013014015016017018019020021022023024025026027028029030031032033034035001020304050607080901001101201301401501601701801902002102202302402502602702802903003103203303403508°0°10°6°4°机械倾角垂直波瓣水平波瓣机械下倾角变化导致的覆盖变化01020304050607080901001101201301401501601701801902002102202302402502602702802903003103203303403508°0°10°6°4°电子下倾0102030405060708090100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300310320330340350垂直波瓣水平波瓣电子下倾角变化导致的覆盖变化机械下倾角和电子下倾角导致的覆盖变化比较机械倾角机械倾角电子倾角电子倾角0 0同信道干扰同信道干扰的变化的变化[dB][dB]2 24 46 61010-40-40-30-30-20-20-10-100 0下倾角度下倾角度下倾角度下倾角度 [deg][deg]8 8机械机械机械机械电子电子电子电子机械下倾 vs 电子下倾的同信道干扰§ 移动台收到的同信道干扰§ 同机械下倾相比,电子下倾能 够较好地抑制同信道干扰第第 2 章章 天线的参数调整天线的参数调整目录v　基站天线高度的调整v　基站天线方位角的调整v　基站天线俯仰角的调整v　通过调整天线俯仰角、方位角优化系统性能的实际案例分析v天线高度直接与基站的覆盖范围有关,CDMA网络在建网初期，站点较少，为保证覆盖，基站天线一般架设得比较高.随着近几年的迅速发展，基站站点大量增多，在部分地区的密集市区已经达到大约500米左右一个站.在这种情况下，我们必须合理降低初期过高的天线高度，以免影响网络质量.对于网络可能造成的影响如下：Ø话务不平衡个别基站天线过高，会造成个别基站的覆盖范围过大，从而造成该基站的话务量过大，而与之相邻的基站由于覆盖较小且可能被该基站覆盖，话务量较小，不能发挥应有作用，导致话务量分配不均衡.Ø系统内干扰基站天线过高，会造成越站无线干扰，引起掉话，从而导致系统质量下降.Ø孤岛效应当基站覆盖在大型水面或多山地区等特殊地形时，由于水面或山峰的反射，使基站在原覆盖范围不变的基础上，在很远处出现“飞地”，而与之有切换关系的相邻基站却因地形的阻挡覆盖不到，这样就造成“飞地”与相邻基站之间没有切换关系，“飞地”因此成为一个孤岛，当占用上“孤岛”覆盖区的信号时，很容易因没有切换关系而引起掉话.基站天线高度的调整－避免天线过高一般原则，天线高度应高于周围建筑物平均高度一般原则，天线高度应高于周围建筑物平均高度5米米(1) (1) 天线高度在屋顶高度之上天线高度在屋顶高度之上(2) (2) 天线高度在屋顶高度之下天线高度在屋顶高度之下•更多的衍射效应•高延时扩展•失真的地面覆盖•标准的小区形状 •低延时扩展•低路径损耗•可调整的小区范围基站天线高度的调整－避免天线高度在建筑物高度以下天线方位角的调整§方位角的设置决定了天线主瓣的方向方位角的设置决定了天线主瓣的方向§天线方向是为了达到特定覆盖目标所确定的天线方向是为了达到特定覆盖目标所确定的§综合考虑地形地貌情况和话务量分布综合考虑地形地貌情况和话务量分布.Base StationAntenna orientation & tilt impact network performance天线方位角的调整天线方位角的调整对移动通信的网络质量非常重要.v准确的方位角能保证基站的实际覆盖与所预期的相同.v依据话务量或网络存在的具体情况对方位角进行适当的调整，可以更好地优化现有的网络Ø由于地形的原因，如大楼、高山、水面等，引起信号的折射或反射，从而导致实际覆盖与覆盖要求存在较大的出入，造成一些区域信号较强，一些区域信号较弱，可以根据网络的实际情况，对天线的方位角进行适当的调整，优化弱覆盖区域Ø由于实际存在的人口密度不同，导致各天线所对应扇区的话务不均衡，可以通过调整天线的方位角，达到均衡话务量的目的.Ø在某些特殊情况下，如紧急会议或大型公众活动等，导致某些小区的话务量特别集中，可以临时对天线的方位角进行调整，以达到均衡话务，优化网络的目的. 注意：一般情况下，不建议对天线的方位角进行随意调整，这样可能造成一定程度的系统内干扰.调整方位角都应辅以场强测试车对调整前后信号进行测试，以保证网络的运行质量.天线俯仰角的调整－下倾角的使用倾角的使用通常是为了Scenario1-降低干扰Scenario2-避免越区覆盖天线俯仰角的下倾设置l倾角设置过小，会造成l越区覆盖l邻区关系混乱l干扰l话务不均衡l倾角设置过大，会造成l小区间的盲区或弱覆盖区机械俯仰角的下倾设置l机械下倾角设置过大，会造成水平方向图的畸变.l可以参考公式和实际的地理环境和网络需要来设置.主覆盖区域yxh = tan-1 (       ) y - hxl电子下倾使得能量更加容易控制l对于宏蜂窝，电子下倾要比机械下倾好 电子俯仰角的下倾设置俯仰角下倾设置的最佳范围l是以下因素的函数:l天线高度l小区的大小/ 话务密度l天线辐射方向图l干扰问题l根据这些因素，答案将发生变化l为处理围绕这个问题的不确定性, 可变电调是最好的解决方案l但是可变电调天线的价格较机械倾角天线及不可变电调天线昂贵总体分析优化思路：总体分析优化思路：1.分析初始导频情况在区域差的路段分析出现的各个导频PN:a. 包括Dominant PNb. 所有Active Set和Neighbor Set里的导频2.根据如下信息确定需要加强的信号和需要减弱的信号:a. 所有出现导频单PN的Ec/Io图(检查方位角倾角)b. 问题区域离导频扇区位置及距离(包括是否过覆盖)c. 目前天线是否主瓣方向(必须知道天线的半功率角)d. 主导频的比例射频优化中优化天线参数的案例3.为加强导频和消除导频调整天线参数:(需要实地了解覆盖目标及基站周围地貌环境影响确定方案) 调整方位角注意事项: a. 考虑天线调整可能性(有否阻挡) b. 对于调整天线而言, 要知道是否主瓣变旁瓣, 或旁瓣变主瓣 c. 参照天线波瓣图, 确认调整前后两方向上有多少db改变 d. 考虑原先方向上调走之后是否有新导频能照顾过来, 从而使不至于给原先 区域造成影响; 同时考虑新方向对信号是否能较好控制而不至于走得太远 而 影响变大不受控制 调整倾角注意事项： a. 考虑有否电倾及最大倾角不能使天线波瓣变形 b. 参照天线波瓣图, 确认调整前后有多少db改变(要找准水平方位角方向) c. 检查原先由此导频照顾的区域不受影响4.路测并做对比5.对新的路测数据分析, 重复1,2,3,4过程进行第二轮调整射频优化中优化天线参数的案例例1问题区域1问题区域2 例1（续）问题区域1调整前南郊乡政府第二扇区覆盖图调整前梧娗三第三扇区覆盖图 调整前问题区域调整前问题区域1的越区覆盖的越区覆盖调整方案调整方案例1（续）Cell nameC C站号站号原方向角原方向角新方向角新方向角原倾角原倾角新倾角新倾角电子倾角电子倾角瓯海德政村 1020   瓯海德政村 130160   梧娗三 265 356南郊乡政府 160 26 温州里详殿 145 686梧田鱼鳞夹 270 69 例1（续）问题区域1问题区域2 调整后南郊乡政府第二扇区覆盖图调整后梧娗三第三扇区覆盖图 调整后问题区域调整后问题区域1的越区覆盖明显改善的越区覆盖明显改善例1（续） 调整前最强导频Ec/Io覆盖图调整后最强导频Ec/Io覆盖图 例2七层楼高左右的密集楼群小山对该路段造成遮挡高架桥路段可能覆盖此区域的五个扇区的单扇区覆盖信号发现在此区域都不是很好，因而形成导频污染区域.例2（续）电业局二扇区电业局三扇区万松路口二扇区商贸城二扇区东山工业区一扇区问题区域例2（续）电业局站的220方向照片： 问题路段在这排房子下面万松路口站的150方向：问题路段在房子后面的山脚下商贸城基站的150度方向照片：问题路段在山后面的山脚下东山工业区站的30度方向照片： 问题路段在此山后面加强导频:3_1加强导频:161_1, 3_2消除导频:144_2高话务量基站高架桥例例2 2（续）（续）一般忙时（23：00时）忙时（18：00时）例2（续）由于此路段特殊的地理位置及话务量的分布等原因，虽然我们尝试了大量的优化调整，由于此路段特殊的地理位置及话务量的分布等原因，虽然我们尝试了大量的优化调整，但此路段的信号没有明显的改善，而且忙时与闲时的信号对比相当明显，周围基站的但此路段的信号没有明显的改善，而且忙时与闲时的信号对比相当明显，周围基站的话务量都比较高，建议加站解决此区域覆盖问题话务量都比较高，建议加站解决此区域覆盖问题.。