基于天線波束形態(tài)設(shè)計(jì)的5G高鐵沿線覆蓋方案

董佳，曹景陽(yáng)，王桂珍，鄧偉

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)研究院，北京 100055）

0 引言

截至2021年上半年，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)3.79萬(wàn)公里，“四縱四橫”高鐵網(wǎng)提前建成，“八縱八橫”高鐵網(wǎng)加密成型，高鐵成為國(guó)人出行的主要方式，高鐵移動(dòng)通信用戶數(shù)量大規(guī)模增長(zhǎng)。同時(shí)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，用戶對(duì)多樣化業(yè)務(wù)感知需求日漸增強(qiáng)，對(duì)高鐵沿線的網(wǎng)絡(luò)覆蓋也提出了更高要求。作為各大運(yùn)營(yíng)商品牌場(chǎng)景，5G高鐵沿線的覆蓋成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重中之重。但5G高鐵覆蓋方案面臨諸多困境，除5G網(wǎng)絡(luò)頻段高、車廂穿損大、多普勒頻偏等之外，還存在站點(diǎn)選址難、差異大及單一天線波束形態(tài)難以滿足所有類型站點(diǎn)連續(xù)覆蓋需求等問(wèn)題。本文從高鐵基站天線選型角度出發(fā)，研究不同站址場(chǎng)景的特點(diǎn)，并提出基于波束形態(tài)設(shè)計(jì)的5G高鐵沿線覆蓋方案和工參優(yōu)化方法，可用于指導(dǎo)5G精品高鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和覆蓋質(zhì)量提升。

1 高鐵覆蓋空洞問(wèn)題分析

1.1 現(xiàn)有高鐵基站天線波束形態(tài)

從波束形態(tài)上來(lái)看，現(xiàn)有高鐵基站天線均為固定波束寬度天線。4G高鐵天線對(duì)應(yīng)2T2R站型，主要分為水平33°波寬和65°波寬兩種類型，其垂直波束寬度均為7°左右。中國(guó)移動(dòng)的5G高鐵天線對(duì)應(yīng)8T8R站型，兩個(gè)極化方向在水平維各有4個(gè)通道，具備波束賦形能力，掃描范圍為±30°，相比2通道可同時(shí)提升容量與覆蓋；但在垂直維仍只有一個(gè)通道，無(wú)波束賦形能力，垂直波束寬度與傳統(tǒng)高鐵天線同為7°左右。為了形成天線在垂直維的波束賦形能力，在天線總通道數(shù)不增加時(shí)，可采用每個(gè)極化在水平維和垂直維各2個(gè)通道的2×2陣列排布方式，但這種排列方式會(huì)減弱水平覆蓋能力，也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)配置帶來(lái)的性能提升效果，因此未獲得規(guī)模應(yīng)用。

透鏡天線是近兩年引入移動(dòng)通信的新形式基站天線。在高鐵場(chǎng)景下已有應(yīng)用的單波束透鏡天線（本文中，多個(gè)波束為同一指向的透鏡天線統(tǒng)一稱作單波束天線，以區(qū)分多個(gè)波束不同指向的多波束透鏡天線），因其垂直維波束寬度相比7°的傳統(tǒng)波寬有大幅提升，在部分站址場(chǎng)景下覆蓋能力獲得了比較明顯的改善，受到業(yè)界的關(guān)注?，F(xiàn)有4G/5G高鐵天線類型及其性能見(jiàn)表1：

表1 現(xiàn)有4G/5G高鐵天線類型（以2.6 G頻段為例）

1.2 高鐵場(chǎng)景覆蓋空洞問(wèn)題分析

與城區(qū)蜂窩覆蓋等場(chǎng)景不同，高鐵場(chǎng)景為典型的線型覆蓋場(chǎng)景。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)，為滿足更好的用戶覆蓋和業(yè)務(wù)體驗(yàn)以及公專網(wǎng)隔離需求，我們希望高鐵沿線專網(wǎng)信號(hào)最大程度地分布在高鐵線路上而非沿線外的區(qū)域，以保證線路連續(xù)覆蓋的同時(shí)減少高鐵專網(wǎng)對(duì)公網(wǎng)的干擾。但是受限于高鐵站址、天線工參及天線的波束寬度等因素的影響，高鐵沿線容易出現(xiàn)覆蓋空洞，即弱覆蓋區(qū)域，如圖1 所示：

基站天線通常布置鐵路兩側(cè)，根據(jù)站軌距、站間距和掛高等工參設(shè)置不同的下傾角和方位角?；咎炀€輻射信號(hào)的能量分布與天線方向圖直接相關(guān)，由于下傾角和方位角的存在，基站輻射信號(hào)在高鐵沿線的覆蓋投影如圖1 所示，其主波束在水平面的投影與高鐵線路存在一定的夾角而非完全重合，這也是出現(xiàn)水平覆蓋空洞或垂直覆蓋空洞的直接原因。

圖1 高鐵覆蓋空洞示意圖

水平覆蓋空洞：天線主波束的法線方向（即基站天線的朝向）與站軌距方向夾角一般大于70°，該角度大于天線的水平波束寬度，容易產(chǎn)生水平零點(diǎn)。當(dāng)天線方向圖的水平零點(diǎn)正好投影在高鐵線路上時(shí)，會(huì)在高鐵線路上引起水平覆蓋空洞。例如，在現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用中，采用水平波寬33°天線的部分站點(diǎn)會(huì)存在水平零點(diǎn)問(wèn)題，此時(shí)如用水平波寬65°天線進(jìn)行替換，往往能顯著改善弱覆蓋問(wèn)題。

垂直覆蓋空洞：當(dāng)天線方向圖主波束在地面的投影與高鐵線路夾角較大時(shí)，其多個(gè)下旁瓣的投影也會(huì)落在高鐵線路上，波瓣間的零點(diǎn)落在高鐵線路上就產(chǎn)生了垂直覆蓋空洞。在垂直覆蓋空洞比較明顯的站點(diǎn)，如采用透鏡天線等垂直寬波束天線進(jìn)行替換，能明顯改善垂直覆蓋零點(diǎn)問(wèn)題。

2 基于波束形態(tài)的5G高鐵天線覆蓋方案

在第1 節(jié)中，我們簡(jiǎn)單分析了高鐵線路覆蓋零點(diǎn)存在的原因及對(duì)策，但是現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用中情況往往更為復(fù)雜。比如，一個(gè)站點(diǎn)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)水平覆蓋空洞和垂直覆蓋空洞，要同時(shí)考慮水平波束寬度與垂直波束寬度的需求，而現(xiàn)有的固定波束寬度天線較難滿足；又比如，在一條高鐵線路中，站點(diǎn)工參差異較大，根據(jù)每個(gè)站點(diǎn)的波寬需求去采購(gòu)安裝不同類型的天線也是不現(xiàn)實(shí)的。因此，針對(duì)5G 高鐵線路的高質(zhì)量覆蓋需求，亟需一種系統(tǒng)性解決方案。本節(jié)中，我們將具體分析不同工參站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋對(duì)天線波束形態(tài)的需求，并基于5G 8 通道站型，提出波束寬度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)工參靈活調(diào)整的3D 智能高鐵天線，最后給出天線工參設(shè)置方法，并通過(guò)外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的可行性。

2.1 不同站點(diǎn)對(duì)天線波束形態(tài)的需求分析

5G 8 通道天線的水平維具有波束賦形和掃描能力，其水平覆蓋范圍為±30°，基本可滿足各類站點(diǎn)對(duì)水平波束寬度的需求，因此，本小節(jié)中，我們重點(diǎn)考慮各類站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋對(duì)垂直波束寬度的需求。

如前文所述，基站天線的主波束在地面投影與高鐵線路的夾角較大時(shí)，將直接導(dǎo)致垂直零點(diǎn)的出現(xiàn)，而當(dāng)天線的垂直波束寬度越寬時(shí)，垂直零點(diǎn)的數(shù)量和影響也會(huì)相應(yīng)變小。但是天線設(shè)計(jì)時(shí)提升垂直波束寬度又會(huì)犧牲增益，因此，為了均衡考慮增益和垂直波束寬度，不同站點(diǎn)連續(xù)覆蓋所需要的條件為天線垂直波寬剛好等于基站天線方向圖主波束在地面投影與高鐵線路的夾角大小，等效地，可以認(rèn)為天線垂直波束寬度θV需要大于等于覆蓋近點(diǎn)相對(duì)天線的仰角θ1與覆蓋遠(yuǎn)點(diǎn)相對(duì)天線的仰角θ2之差δ，如圖2 所示，即：

圖2 高鐵線型場(chǎng)景三維覆蓋模型

其中h為天線掛高，d為站軌距，D為覆蓋距離。

2.2 基于波束形態(tài)設(shè)計(jì)的8TR 3D智能高鐵天線

傳統(tǒng)8 通道高鐵天線垂直波束寬度固定為7°左右，為了適配各種工參條件的站點(diǎn)連續(xù)覆蓋需求，我們提出一種垂直維波束寬度可調(diào)方案。各站點(diǎn)情況雖然差異較大，但站點(diǎn)的站間距、站軌距和掛高值在建設(shè)初期已經(jīng)確定且一般不會(huì)改變，因此天線的波束寬度可調(diào)功能也不需要實(shí)時(shí)調(diào)整功能，僅需在開(kāi)站優(yōu)化工參時(shí)設(shè)置即可，這就大幅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)方案。

傳統(tǒng)8 通道高鐵天線由4 列雙極化天線振子構(gòu)成，各列天線的電下傾角由一個(gè)傳動(dòng)裝置同時(shí)控制，即同時(shí)調(diào)整（調(diào)整范圍如2°～12°）。在本方案中，我們采用各列天線振子的電調(diào)角度獨(dú)立可調(diào)的方案，即每列陣子都可以具有不同的下傾角。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要更改天線內(nèi)部的移相傳動(dòng)方案。為每一列振子的移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)單獨(dú)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，不同列的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別控制，不再相互連接。當(dāng)前多頻獨(dú)立電調(diào)天線已成為基站天線產(chǎn)品的主流，電調(diào)天線的遠(yuǎn)程控制單元RCU 一般都設(shè)計(jì)成雙電機(jī)方案，一個(gè)選檔電機(jī)用于待調(diào)整目標(biāo)陣列的選擇，另一個(gè)調(diào)節(jié)電機(jī)完成電下傾角的遠(yuǎn)程調(diào)整。因此，采用雙極化4 陣列間獨(dú)立傳動(dòng)的方案只需要增加選檔電機(jī)的檔位，無(wú)需新增電機(jī)，整個(gè)傳動(dòng)方案的成本增加并不多，這也是本方案的優(yōu)勢(shì)之一。通過(guò)不同陣列電下傾角的組合設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)單元方向圖分層效果。在合成波束上看，不同方位角度上的最大增益指向不同的下傾角度，如圖3 所示：

圖3 波束寬度可調(diào)的天線方向圖示意圖

從圖3 中我們可以看到，天線水平法線方向的最大增益（深紅色表示）電調(diào)傾角較小，在約水平±20°時(shí)，其最大增益電調(diào)傾角較大。我們定義這兩個(gè)最大增益點(diǎn)的指向之差為該天線的等效垂直波寬，這樣對(duì)于垂直波寬為7°、電下傾角范圍2°～12°的天線，在滿足交疊電平的情況下，該天線的等效波束寬度即為7°～13°連續(xù)可調(diào)，從而可以適配不同站點(diǎn)的需求。采用該設(shè)計(jì)的波束特征可以完美適配高鐵場(chǎng)景下基站天線下傾角度近大遠(yuǎn)小的特征，有效避免水平和垂直零點(diǎn)的問(wèn)題，如圖4 所示。

圖4 3D智能高鐵天線波束形態(tài)適配高鐵線型場(chǎng)景示意圖

2.3 天線工參設(shè)置及外場(chǎng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述波束形態(tài)適配理論，我們選擇了站點(diǎn)工參差異較大的6 個(gè)連續(xù)站點(diǎn)12 副天線進(jìn)行試點(diǎn)，對(duì)比測(cè)試了三種波束模式：傳統(tǒng)7°波寬模式、優(yōu)化波寬模式和垂直13°寬波束模式。傳統(tǒng)波寬模式時(shí)，所有天線的垂直波束寬度設(shè)置為7°；優(yōu)化波寬模式時(shí)，各個(gè)天線的等效垂直波束寬度根據(jù)站點(diǎn)工參計(jì)算并設(shè)置；垂直13°寬波束模式時(shí)，所有站點(diǎn)均設(shè)置為13°。6 個(gè)站點(diǎn)的工參及天線垂直波寬優(yōu)化角度如表2 所示：

表2 6個(gè)站點(diǎn)的工參及天線垂直波寬優(yōu)化角度

根據(jù)前述公式計(jì)算每個(gè)天線站點(diǎn)的遠(yuǎn)近點(diǎn)下傾角差異θ1-θ2，并根據(jù)如下原則調(diào)整天線波束寬度：

當(dāng)θ1-θ2＜7°時(shí)，天線波束寬度選擇7°；

當(dāng)7°≤θ1-θ2≤13°時(shí)，天線波束寬度選擇接近的度數(shù)，如θ1-θ2=7.9時(shí)，天線垂直波寬調(diào)整為8°；

當(dāng)θ1-θ2≥13°時(shí)，天線波束寬度選擇13°。

垂直波束寬度調(diào)整完成后，按照天線水平最大增益指向覆蓋遠(yuǎn)點(diǎn)的原則設(shè)置天線方位角，垂直維最大增益點(diǎn)指向遠(yuǎn)點(diǎn)的方法設(shè)置天線下傾角，即完成了工參設(shè)置。測(cè)試結(jié)果如圖5及圖6所示。

從圖5中可以看出，通過(guò)波束寬度優(yōu)化后，站點(diǎn)1、3、5的近點(diǎn)零點(diǎn)問(wèn)題明顯改善，零點(diǎn)處覆蓋提升5～7 dB，優(yōu)化站點(diǎn)線路平均RSRP提升3～4 dB。結(jié)果符合預(yù)期，由此可以證明波束寬度調(diào)整對(duì)不同站點(diǎn)類型連續(xù)覆蓋需求的積極意義。

圖5 傳統(tǒng)7°波寬模式與優(yōu)化波寬模式測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從圖6中可以看出，所有站點(diǎn)波束寬度均調(diào)整為13°后，在原本需要調(diào)寬垂直波束寬度的1、3、5站點(diǎn)，性能依然有所提升，但是在不需要調(diào)寬垂直波束寬度的2、4、6站點(diǎn)，性能出現(xiàn)下降，這是由于展寬垂直波寬導(dǎo)致增益降低導(dǎo)致的，由此也說(shuō)明了波束寬度并非越寬越好，而是要根據(jù)站點(diǎn)差異性，針對(duì)性優(yōu)化調(diào)整。

圖6 傳統(tǒng)7°波寬模式與垂直13°寬波束模式測(cè)試結(jié)果對(duì)比

通過(guò)外場(chǎng)的實(shí)測(cè)驗(yàn)證可以看出，3D智能高鐵方案可以根據(jù)站址工參靈活調(diào)整天線的等效垂直波寬，從而有效緩解垂直零點(diǎn)的問(wèn)題，同時(shí)保持了傳統(tǒng)垂直窄波束天線的增益優(yōu)勢(shì)，因此在發(fā)揮天線覆蓋能力的同時(shí)消除零點(diǎn)問(wèn)題，使得覆蓋更加均勻。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立高鐵線型場(chǎng)景三維覆蓋模型，剖析了水平和垂直覆蓋零點(diǎn)的本質(zhì)，進(jìn)而提出高鐵天線波束形態(tài)適配不同站點(diǎn)類型連續(xù)覆蓋需求的理論，并設(shè)計(jì)了3D智能高鐵天線方案及波束調(diào)整方法，通過(guò)外場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了該理論的正確性。本文提出的方案可發(fā)揮天線最大增益性能，避免為保證近點(diǎn)覆蓋壓低下傾角導(dǎo)致的站間距收縮問(wèn)題，方案在其他公路大橋等線型場(chǎng)景中同樣適用，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。