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无线通信
一种基于高精度扫频数据的天馈性能评估方法
文章来源:本站原创  发布时间:2014-08-20  浏览次数:825
作者:金光云 王旭明  
(中国移动通信集团辽宁有限公司网络优化中心)
摘要:GSM网络部分天线由于老化等各种原因导致性能下降,造成天线实际覆盖与规划不符。现网基站天线几乎无告警体系,并缺乏成熟、可操作的天线性能评估方法,本文是基于高精度扫频数据的天馈性能评估······
关键词:高精度、相对差值。
1.概述
      目前GSM网络部分天线由于老化等各种原因造成了性能下降,导致网络天线覆盖与前期规划不符,信号覆盖主要表现有:主波瓣弱,旁后瓣强,合理下倾情况下覆盖变形等问题,极易造成对周边网络产生干扰,影响网络服务质量。运行的现网天线性能基本没有告警体系,缺乏成熟、可操作的方法,对现网大规模使用中的天线进行性能评估。天线空间暗室实验室评估可以检查出天线的各种性能,将现网正在运行的天线一一送进实验室是很困难的事情,这样不但成本过高,而且还会对现网造成影响,缺乏可操作性。如何有效、可操作、低成本的评估现网使用中的天线性能是行业难题之一。针对这个难题,研究出一套基于高精度扫频实测覆盖效果数据与对应类型的出厂标称的天线波瓣图数据表对比算法,形成天线性能评估方法理论模型,评估现网天线性能的系统平台。
      该平台旨在建立有效、可操作、低成本的评估方法及工具,检验出现网天线性能参数不及格,并严重影响网络服务质量的问题天线,从而提升网络质量。在平台实现过程中,软件自动将高精度数据与后台指标数据进行筛选及匹配,自动输出天线性能差的问题小区列表和问题图层。天线性能评估系统研发成功后,能够极大提高网络质量及工作效率,降低网络运营成本。
2.天馈系统性能评估平台构建

      以高精度扫频数据为基础,生成实际覆盖模型。根据天线工参数据生成天线理论覆盖模型。根据两种模型每经纬度点的差强差值构建评估算法,以达到评估天线性能的目的。在平台实现过程中,软件自动将高精度数据与后台指标数据进行筛选及匹配。自动输出天线性能差的问题小区列表和问题图层,天线性能评估平台体系如图2-1。

图 2-1天线性能评估平台体系
3.模型建立
3.1 天线辐射性能评估采用的极化数学坐标系

      如图3-1,理论上,一副天线在水平切面(地面)的辐射性能 ,是以该天线所在位置为中心,与周围任意信号场强、距离、夹角都有关系。根据以上特性关系建立1个平面极化坐标,均用坐标F(L,γ)函数表示,在坐标上根据场强分布情况,映射出天线增益、半功率角、前后比等天线辐射性能。

图 3-1扫频采样点在水平极化平面空间坐标上的位置
3.2 建立以现网目标天线为原点的极化坐标系
      为建立以现网目标天线为原点的极化坐标系,需按照以下三个步骤进行:
(1)以目标小区天线地理位置作为极化坐标系原点。
(2)以天线方向角为极化0度角,按顺时针递增(0度→360度)。
(3)泛映射到极化坐标系中的任意扫频采样点,均用坐标函数F( L,γ)表示
3.3 扫频数据映射到天线评估数学坐标的方法
      扫频信息包含:测试采样点地理坐标信息经纬度(longitude,latitude)、信号源标识CELL ID、BCCH、BSIC、信号强度(RSSI)、信号质量(C/I)、采样点场强排序等系统通过查询数据库,实现对现网天线数据提取及目标天线数据评估,完成扫频测试数据映射到目标天线评估坐标系中。
      假设:目标评估天线所在位置经纬度为(x、y),扫频测试点经纬度为(a、b),单位为度,则坐标映射到天线评估坐标为F(L, γ),则映射公式如下:
      公式1: L = R *{arc cos[cosb*cosy*cos(a-x)+sinb*siny]}
      备注:R=地球半径(6371.004 km)
      公式2:
      γ= 
      备注:ɑ:评估天线的方向角(小区库查得)
      β:以天线为原点,测试点位置与天线位置连线与北极方向的顺时针夹角
      β=arcsin({arccos[cos(b-y)]}/arccos[cosb*cosy*cos(a-x)+sinb*siny])
      所有测试点,映射到在天线评估坐标系F(L, γ)中,都有相对应的扫频场强值,以及相关小区的信号识别信息。
3.4 天线评估坐标系中单位面积实测信号强度计算原则
      以路面扫频实测数据为依据,将测试数据映射到天线评估坐标系中,取信号最强信号场强为计算数据,为避免路面测试路线重复导致对评估结果造成干扰,将以栅格的方式作为计算单位:计算0.0005精度,30米*30米为统计单位,落入该面积的n个测量点的信号取平均值为该统计单位的场强值。分别计算统计单位得到最强信号及目标评估天线(小区)最强信号平均值作为该统计单位的实测场强值。统计单位  Rxlev =  / n。
在评估坐标系中,每一个有扫频测试采样统计单位里,可得到目标天线(小区)在该坐标的实测试值信号场强 Rxlev。
      实测RSSI(L, γ,Rxlev)=
      注:RSSI 为坐落在位置的扫频采样点实测的场强强度。
3.5 天线评估扫频数据及场强达标阀值选取原则
      在天线评估坐标F(L, γ)中,由于路面扫频数据属于路面抽样测试的特点,利用扫频数据评估天线影响覆盖的增益、半功率波瓣、前后比性能。评估抽取的扫频数据原则如下:
(1)主波瓣扫频数据统计坐标范围数据选取原则:
      F(L, γ) ,
      备注:
      γ坐标中主波瓣γ’天线水平波瓣角选取范围是120度。
      L取垂直半功率角地面收敛的距离,作为主覆盖范围。其中T为天线下倾不收敛距离,取5KM。天线评估坐标中的主波瓣覆盖范围。
(2)旁瓣扫频数据坐标范围数据选取原则:
      F(L, γ) ,
      备注:
      γ坐标中旁波瓣γ’天线水平波瓣角选取范围是120度。
      L取垂直半功率角地面收敛的距离,作为旁瓣覆盖范围。其中T为天线下倾不收敛距离,取5KM。作为天线评估坐标中的旁瓣波瓣覆盖范围。
(3)背瓣扫频数据坐标范围数据选取原则:
      F(L, γ) ,
      γ坐标中旁波瓣γ’ 天线水平波瓣角范围为120度。
      L取垂直半功率角地面收敛的距离,作为后瓣波瓣覆盖范围。其中T为天线下倾不收敛距离,取5KM。作为天线评估坐标中的后瓣波瓣覆盖范围。
(4)达标信号场强阀值RSSI’的选取原则:
      在天线评估坐标中,以垂直波瓣角度上3dB角地面收敛距离L的圆范围内,即坐标系中(1)主,(2)旁,(3)背瓣范围内即
      F(L, γ) ,
      圆内统计单位(30米*30米为统计单位),有1个或以上扫频数据采样的为有效统计单元,对统计单元场强排序,由强到弱排序累计,累计最强的50%有效统计单位所对应的信号场强为阀值:RSSI’选择为达标阀值-70dBm。
4.效果呈现
      通过高精度扫频数据采集,实施对现网大批量天线进行一次性评估,给出相应的天线更换、调整等优化建议。
1、依据评估软件性能得分算法,本性能得分越低,表征覆盖性能越差,筛选出超过阀值的问题天线,并提出更换建议。
2、评估结果与话务指标进行关联分析,综合输出优化建议。
4.1 天线评估系统平台效果

      天线评估系统的应用,是基于高精度扫频数据基础上,进行的天线性能打分评估,通过评分判断出小区的问题严重程度,从而定位出问题小区。天线评估分析系统主要包含报表、地理化定位、问题小区输出等功能,平台应用流程如图4-1。

图 4-1天线评估平台应用流程图
4.2 案例效果呈现
      通过试用本评估软件对现网天线进行评估,评估结果中“铁北1”小区增益和前后比性能较低,对“铁北1”小区进行更换天线实施验证。

1、对“铁北1”小区进行天线更换后,对小区再次进行扫频测试,进行评估,如图4-2。

图 4-2更换天线前后覆盖对比图

2、通过对“铁北1”小区进行更换天线前后两周话务指标进行统计对比,更换天线后小区的掉话率及干扰指数等关键性指标均有提升变化,如图4-3。 

图 4-3更换天线前后指标对比图
5.小结
      在整个移动通信系统中,空间无线信号的发射和接收都是依靠天线实现的,虽然天线在整个网络建设中所占经费比例不到3%,但它对无线网络性能的影响却超过60%,可以说如果没有好的天线,就不会有好的无线网络,更不会有高质量的无线通信服务。因此,如何客观、全面地评估天线的性能和品质,在整个移动通信系统中有着重要意义。
参考文献:
[1] 韩斌杰、杜新颜、张建斌编著,GSM原理及其网络优化[第2版],机械工业出版社,2009
[2] 中兴通讯VC教育管理中心编著,GSM移动通信技术原理与应用 ,人民邮电出版社,2009
[3] 罗涛、乐光新编著,多天线无线通信原理与应用,北京邮电大学出版社,2005
[4] 张威编著,GSM网络优化原理与工程(第2版),人民邮电出版社,2010
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