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移动通信
GSM网络中多波束天线的研究与实践
文章来源:本站原创  发布时间:2014-08-08  浏览次数:1037

GSM网络中多波束天线的研究与实践

 

李拓

(中国移动辽宁公司鞍山分公司 114001)

 

摘要:根据GSM 系统的实际应用,对多波束天线在现有GSM 移动通信系统中的性能改善及其融合方案进行了研究及实践论证,建立了多波束天线GSM 系统融合方案模型,为多波束天线与现有移动通信系统的融合奠定了基础。

关键词:移动通信系统 多波束天线 系统融合

 


1.引言

高话务场景的优化一直是大中城市网络优化的难点,处于场景中的客户多数是网络敏感客户,对网络的轻微变化感知明显,容易造成网络投诉,这就要求高话务场景的优化要十分谨慎。另外,对高话务场景的优化要考虑到频率、小区容量、基站选址等问题,实施扩容看似简单的手段,在这种场景下受到种种限制而难以实施,或实施后产生很大的负作用。

目前移动通信基站使用的天线大多数为扇区天线,用于覆盖120°扇区。基站与移动用户通信时,天线的功率大部分消耗在整个覆盖小区的传输中,而且会造成大量的同频干扰,限制了系统容量的增长。在蜂窝移动通信系统中引入多波束天线能显著降低移动通信网的干扰,从而提高系统的容量。

多波束天线(MultipleBeam Antenna)由于能够以高增益来覆盖较大的地面区域,而且又能根据需要调整波束形,针对高话务场景优化难题,鞍山移动结合现有的天线产品和软件应用,提出以多波束天线与小区分裂相结合来提升容量减少干扰达到高容量,高质量的目的。

2.多波束天线提高GSM 移动通信系统性能分析

在GSM 移动通信环境中,信号主要受到快衰落和慢衰落两种影响。快衰落是由于信号传播过程中的多径效应造成的,其统计规律服从瑞利分布。慢衰落是信号在传播路径上地形地物的变化等因素导致的,服从对数正态分布。分析多波束天线对GSM蜂窝移动通信系统的影响,采用信道统计模型能够较好地反映多波束天线的作用,其性能主要通过中断概率(outage probability) 得到体现。假定存在N 个同频复用小区, 射频防护比为γ,天线波束数目为M ,系统的中断概率为载波干扰比( C/ I) 小于射频防护比时的概率:

(式1)

根据蜂窝移动通信快衰落和慢衰落的联合统计特性,我们可以得到:

对上式进行积分并利用变量代换,可得:

上式中,

   其中, MY和σY 分别是同频干扰信号的均值和方差, `S d 为慢衰落信号中值, Zd 为载波干扰比与射频防护比之比值,均用dB 表示。在此概率的计算中,考虑了天线旁瓣电平L 的影响。式(1) 的第2 项:

Pavg ( m , n) =描述了在信号到达角为θ的条件下,存在n 个同频干扰小区及本小区

天线阵中m 个波束干扰情况下的平均条件概率,主要体现多波束天线中单元天线数目及相应的波束宽度对系统容量的影响。其中信号到达角θ的概率密度函数为:

这个概率密度与小区的复用因子K 密切相关。通过对系统中断概率的计算,我们可以进行天线对系统容量提高的分析,讨论天线的波束宽度及旁瓣电平对系统容量的影响。图1给出了3 ×4 小区复用时,三扇区小区天线相比, C/ I增益与波束宽度之间的关系的计算机仿真结果。 由图1 可以看出,基站采用波束宽度为30°,旁瓣电平小于- 12 dB 的

天线, 可以使载波干扰比提高将近6 dB。

 

图1. C/I增益与波束宽度关系(3×4小区复用)

3.多波束天线应用

解决高话务场景主要从三个方面着手:覆盖、容量、频率。在覆盖上做到精细控制,减少过覆盖、多重信号重叠造成的各种优化困难。在容量上,以需求为导向,提升网络容量,解决接入困难的问题。频率问题实际是质量问题,是在高话务场景中解决由于信号重叠、载频数量多造成的频率干扰。鞍山移动提出的高话务场景容量提升综合解决方案是以多波束天线应用为基础,结合目前广泛使用的多密度载频,应对高话务场景的话务突增和容量不足。

 

图2。高话务场景容量提升综合解决方案

3.1多波束天线电气指标

表1.多波束天线电气指标


 

图3水平波瓣与垂直波瓣图

3.2波束天线模拟覆盖

多波束天线能产生多个锐波束的天线。这些锐波束(称为元波束)可以合成一个或几个成形波束,以覆盖特定的空域。多波束天线有水平多波束天线和垂直多波束天线,目前应用较多的是水平多波束,单付天线可以在水平方向上产生多个不同角度的锐波束,每一个锐波束在水平方向的覆盖角度约为10°~20°,相比普通天线45°~60°的范围更窄,有利于信号的集中发射和精细覆盖。同时,波束之间的隔离度要足够大,避免不同波束之间的信号干扰。

 

图4 天线波束模型

在高话务场景应用多波束天线,单根多波束天线最大相当于5 根传统天线,也就是可连接5 个小区,在容量上相当5 个小区的通信容量之和,满载配置时能够满足10 万人的通信需求。在信号覆盖方面,由于高容量多波束天线具有很高的隔离度,它的覆盖效果远远好于常规天线的覆盖效果,非相邻的波束可以配置同邻频,频率可以重复使用,有利于改善无线信号质量。

传统定向天线只能在一个方向上发射信号波束,覆盖一个区域。对于高话务场景,例如校园、群众文化广场,由于用户群体很大,通常情况下,即使单个小区满配也不一定能满足业务需求。因此需要有多个小区对同一个场景进行重复覆盖,通过小区之间的业务均衡来分担整个区域的业务。这就要求网络维护人员不但要保证良好的覆盖和容量,还要对参数进行合理配置,才能达到业务的均衡。多波束天线可发射多个窄角波束,分散覆盖整个区域。 相当于是把一个大的场景分成多个区域来覆盖,与小区分裂的原理相似。由于多波束天线的波束窄、隔离度高,可以做到精细覆盖控制,减少由于越区覆盖、信号漂移造成的干扰问题,大大降低了后续优化的难度。

3.3方案实现

多波束天线在高话务场景的典型应用是采用分布式基站BBU+RRU+多波束天线,例如五波束天线的典型应用示意如下:

 

图5多波束天线的典型应用

在基站侧,用5 套多密度的RRU 与五波束天线连接,最大可实现对同一场景提供5*12=60 个载频的覆盖。对现网已采用RRU 设备的基站,只需更换天线即可实现。可以控制小区的无线容量和频率规划,有效提高资源利用率,减少扩容带来的频率干扰问题。

4.实施情况

4.1方案目的

本次实验仅选取实验小区更换一副五波束天线,观察更换后原小区覆盖区域的整体业务量、拥塞及相关测试指标的变化,评估多波束天线对覆盖的改善情况。

4.2 实验小区介绍

本次实验选定西柳交通宾馆3小区,同站各小区的基础信息如下表:

 

图6小区信息

西柳交通宾馆1小区方向主要覆盖西柳服装批发市场,具体实地环境如下:

 

图7小区覆盖环境

4.3 天线更换方案

对西柳交通宾馆3小区实施天线更换,原小区12 载波分裂为3 个小区,配置为6/6/8。

分裂方案如下:

Table 2 Scheme

方案



5.1 网络指标5.试验成果

西柳交通宾馆基站基站(含GSM900 和DCS1800)原先共有6 个小区,3小区业务最高,这两个小区覆盖的区域正是此次实验所应用的场景。分析多波束天线技术运用后西柳交通宾馆3小区覆盖区域内各项指标变化情况。

5.1.1 话务量

西柳交通宾馆3小区原先覆盖西柳批发市场,最忙时话务可达到142 爱尔兰。分裂为3\4\5 三个小区后,区域总体话务量相比原先有所增加,最忙时话务达到193 爱尔兰,增幅达到35%。

5.1.2 数据流量

西柳交通宾馆3小区天线更换前、后,小区原覆盖范围内的全天数据业务下行流量从原先981MB 上升到2898MB,尤其是数据峰值时段,增长达230MB,业务挖潜效果明显。

5.1.3 PDCH占用数

多波束天线运用后,西柳交通宾馆3小区原覆盖区域由3 个小区覆盖,可用无线信道数量增加,平均占用PDCH 数较以前有所增加,虽然每个时段PDCH数量增加,但是由于下行流量增长幅度更大,西柳管委会3\4\5三个小区的PDCH 承载效率仍高于分裂前(每PDCH 约4.0MB),达到每PDCH 约5.2MB。

5.1.4 无线利用率

由于西柳管委会3小区更换天线后进行了小区分裂,单个小区的配置较原先减少,在闲时,无线利用率较更换天线前提高。在忙时无线利用率超过预警值,与更换前相差不大。

5.1.5 语音质量

在更换天线前、后,小区SQI 质量保持良好。ICMBAND 统计全部为ICMBAND1 采样点,没有出现上行干扰。

6.结束语

本文对多波束天线在现有GSM移动通信系统中的性能分析并结合实际网络进行验证,分析实践表明采用多波束天线,可以提高GSM系统载波干扰比,使小区频率复用更为紧密,增加网络容量,而且,完全利用现有基站设备,不增加系统复杂度。

References (参考文献)

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张威,GSM网络优化-原理与工程,北京:人民邮电出版社,2003.10.

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