江苏通信技术 张晖
摘要
本文阐述了天线对移动通信系统网络性能的重要性，介绍了目前国内移动通信系统中常见天线种类和性能指标，并结合工程实践，分析了天线选择设置不当对网络性能的影响，给出了移动通信系统天线使用的几种典型环境下，基站天线优化选择和设置的注意事项和方法。
天线是移动通信系统的重要组成部分，直接关系到移动通信网络的覆盖范围和服务质量。例如呼损率、掉话率、切换成功率等。网络营运的指标均与无线覆盖密切相关，而天线的选择和设置作为控制无线网络覆盖的基本手段，对于改善网络性能至关重要。
我国现有的移动通信系统中常见的基站天线主要分室外基站天线和室内分布天线两种。室外基站天线主要有机械全向天线、预制电下倾全向天线、单极化定向机械天线、双极化定向机械天线、双极化定向预制电下倾天线和双极化定向电调天线：室内分布天线主要有吸顶天线、壁挂天线、八木天线等。此外，还有一些用于特殊情况下的天线。如用于覆盖地铁和隧道的泄漏电缆、无线直放站施主天线常用的栅格抛物面天线，等等。天线的性能指标分电气性能指标和机械性能指标，其中电气性能指标包括增益、波瓣宽度、极化方向、电压驻波比、端口隔离度、上旁瓣抑制、前后比、功率容量、三阶交调、频率范围等；机械指标包括天线的尺寸、重量、调整范围、温度、最大风速、接头型式、天线抱杆、安装和下倾辅件、防雷等，决定了天线的工作环境和安装要求。
1、天线的选择和设置[1]
由于天线的选择和设置与地形、地物以及话务量分布紧密相关，可以将天线使用环境大致分为5种类型：一般城区、密集城区、农村地区、郊区、交通干线等。
1.1一般城区基站天线
城区基站密度较高，站距一般为500～1000m，为合理覆盖基站周围500m左右的范围，选择基站天线时应考虑以下几方面：
1）为减少干扰，应选用水平半功率角接近于60°的天线。这样的天线所构成的辐射方向图接近于理想的三叶草型蜂窝结构，与现网适配性较好，有助于控制越区切换。
2）城区基站一般不要求大范围覆盖。而更注重覆盖的深度。由于中等增益天线的有效垂直波束比高增益天线宽，覆盖半径内有效的深度覆盖范围较大，可以改善室内覆盖效果，所以选用中等增益天线较好。
3）由于城区基站天线安装空间往往有限。采用±45°极化方式的天线较为可行，并且由于±45°为正交极化，有效保证了分集接收的良好效果。
4）在不采用分层网的情况下，同一基站密度区域内，各基站天线有效挂高应该大致相等；基站越密，天线有效挂高应该越低。城区新建站天线高度为30m左右，非城区新站天线高度为50m左右。
1.2密集城区基站天线
密集城区基站天线的选择与一般城区基站类似。但由于密集城区基站站距往往只有400～600m，在使用水平半功率角为65°的15dBi双极化天线，且天线有效挂高35m的情况下，天线下倾角可能设置在14.0°～11.5°之间。此时如果单纯采用机械下倾的方式。倾角过大将引起水平波束变宽，干扰增大，同时上副瓣也会引入较大干扰；而采用电子式倾角天线。则可以较好地解决波形畸变的问题，产生的干扰相对较小。所以密集城区基站选用电调下倾的水平半功率角为65°左右的中等增益双极化天线较为合适。
1.3农村地区基站天线
在农村地区。鉴于话务量较小，预期覆盖面积较大的特点，选择基站天线时应考虑以下几方面。
1）对于CDMA网络而言，为提高定向基站两扇区天线服务交叠区间的通信质量（交叠区内有宏观分集的效果），增大交叠区面积，宜选用水平半功率角较大的天线。例如水平半功率角为90°的天线。
2）对于GSM网络而言，为提高覆盖质量，在平原地区使用水平半功率角较大的天线效果较好，但同时会产生切换区域增大的问题；而在山区和丘陵地带由于天线挂高比较高，使用水平半功率角较小的天线易于控制覆盖方向和范围，效果较好；同时要兼顾到周围覆盖，就要考虑垂直半功率角比较大的天线。下倾角度也要作重点考虑，既要覆盖到计划范围，同时不能对远处的基站造成干扰。
3）为保证覆盖半径，应选择高增益天线。
4）由于极化分集依赖于移动台周围反射体和散射体的分布，对于地物分布相对较稀疏的农村地区，极化分集效果不如空间分集。因此在安装条件具备的情况下，使用单极化天线可以获得更大的上行分集增益，但与双极化天线相比对安装空间和施工技术要求较高，也不利于后期工程天线的调配。
5）如果基站周围各方向上都没有明显阻挡，话务需求和预期覆盖范围也较小，且均匀分布在基站周围，可以选用11dBi的全向天线。对站址较高或用户分布距站址过近的情况，为避免出现“塔下黑”，应选择预制电下倾全向天线。
1.4郊区基站天线
郊区的情况介于城区和农村之间。对于站距较大的基站，可以参照农村基站天线的选用原则；反之则参照城区基站天线的选用原则。
1.5交通干线基站天线
如果覆盖目标仅为高速公路或铁路等交通干线，由于话务量较低，而覆盖区成长带状分布，天线宜采用高增益定向天线加功分器方式组成双扇区基站，两天线相背放置，最大辐射方向与高速公路或铁路的方向一致。在穿过城镇，旅游点的地区可以采用三向、全向小区配以高增益定向天线实现覆盖。另外，如果道路呈直线且沿路方向话务量很低，既考虑覆盖又考虑设备成本，可采用双向天线，由于该天线是全向天线的变形，因此无需采用功分器，避免了采用功分器引入的插入损耗（约3.5dB），采用一根天线代替两扇区天线，成本也较低。
对于大型的购物中心、办公楼、医院、娱乐中心，通常室内结构复杂、有一定话务需求，直接通过室外覆盖损耗较大，易造成室内信号弱、覆盖不均匀、容量不足的问题，建议采用信号源加室内分布系统方式分布，天线可选用室内吸顶天线、壁挂天线等小增益天线。
此外，考虑到分集及不同系统天线共址问题，同一小区分集接收天线间距应大于3m，全向天线水平间距应大于4m，定向天线水平隔离间距应大于2.5m，不同平台天线垂直隔离间距应大于1 m。
2、天线优化案例分析
基站天线除了其类型和参数指标会影响无线覆盖效果之外，安装的位置、高度、方向角、下倾角对于无线网络覆盖性能也至关重要。在实际工程中，由天线选择设置不当造成无线网络覆盖质量下降的情况很多，例如：
1）天线选择及方位角设置不当导致覆盖问题。
在某GSM网络基站A（配置为S（1/1/1）的覆盖范围内，农场的覆盖不好，部分型号的手机能够上网打电话（手机接收信号显示有1、2格），部分手机处于上网的临界状况（手机接收信号显示有1格或没有或下网），打电话很容易掉话。测试过程中发现，在去农场的路上一直是3小区的频点。在接近农场时，切换（重选）为相邻基站B（相距约10km）的某一频点，而在农场区域，TCH（业务信道）一直是基站B的该频点，接收电平为-100dBm左右。当离开农场一段距离时，切换为基站A的2小区。也就是说：在农场的覆盖区域内，没有采用较近的基站A作为服务区，而是采用了更远基站B。经分析，其原因在于天线的主瓣方向没有正对农场，而天线的半功率角为65°，农场处于2、3小区两个天线旁瓣区域内；另一方面，半功率角65°的天线在郊区覆盖范围较大的情况下，旁瓣的覆盖不如在市区覆盖好。将天线更换为半功率角90°的天线，并调整天线的方位角，使2小区的天线主瓣正对农场后，故障排除。
2）天线下倾角选择不当造成呼叫建立异常。
某地出现手机显示接收信号较强（2～3格），但是无法通话的情况：做主叫时，拨号后无反应；做被叫时，可振铃但不能通话。使用测试手机观察故障地区接收信号情况，发现最强的信号（-85dBm左右）来自距该地20km以外的基站，由于GSM系统MS（移动台）小区选择使用的是搜索到的信号强度最高的频点，而利用此频点所属基站离MS过远，上行信号达到基站时的信号电平低于该基站的接收机灵敏度，因而造成了上述现象。根据实地勘测，发现基站所在地的海拔高度比故障区域约高200m，且之间几乎没有任何阻挡，另外该基站的天线下倾角为0°，所以该基站的信号到故障区域基本上为视距传播，导致了非常严重的越区覆盖。采用加大天线下倾角，对干扰小区的覆盖范围进行控制后，故障排除。
3）天线挂高过高，引起切换成功率低、掉话率高。
某GSM网络切换成功率不足80%，掉话率超过2%，通话质量差。通过查看分析话统任务数据，发现切换原因及不成功主要是由于上、下行电平差造成，且下行质量差的次数大大高于上行质量差的次数。实际路测结果表明，市区内室外信号强度能达到-80dBm以上，覆盖没有问题。但存在比较严重的越区覆盖问题。如在A基站所在楼内，手机所在的服务小区为与A基站1小区具有相同BCCH（广播控制信道）频点的B小区，而B小区位于市郊距A基站6km处。这样，就产生两方面的问题：在A基站1小区覆盖范围内，B小区信号形成同频干扰，导致下行链路质量；当选择B小区作为服务小区时，由于它的邻区只做了与它地理上有相邻关系的小区，而在A基站附近的小区没有做成它的邻区，这样当它的信号变得不可用时，它的邻区信号也不好，产生孤岛效应，就容易发生切换失败乃至掉话。经实地勘测，B小区天线挂高为50m，造成严重的越区干扰。因此可采用降低B小区的天线挂高或者将更换为电调下倾天线以加大下倾角度，从而减小B小区的覆盖范围，避免对A基站1小区的干扰。
3、结束语
天线的选择和设置，作为天馈优化的重要环节，不仅决定了网络覆盖性能，还关系到网络的质量指标。随着天线技术的发展，各种新型天线的涌现，将使得天线的选择和设置更加灵活。因此，设计人员必须针对不同的地理环境、服务要求、现场情况仔细选择天线类型和电气性能，优化设置天线参数。以达到控制电磁能的空间分布，改善网络覆盖质量，均衡网络话务负荷，避免由于天线选择和设置不当造成的覆盖盲区、干扰、切换、越区覆盖等问题，使网络资源得以充分合理的利用。（后卫编辑）
