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賦形天線在體育場館無線覆蓋中的應用研究

熱度0票  瀏覽53次 時間:2018年7月27日 10:28
 。1.中國移動通信集團廣西有限公司南寧分公司,南寧 530022;2.中國移動通信集團廣西有限公司玉林分公司,廣西 玉林 537000)摘要:分析賦形角度、天線掛高、空間損耗等多種影響賦形天線覆蓋效果的因素,建立賦形天線的覆蓋模型,并以具體的體育場館案例進行分析,給出賦形天線在體育場館無線覆蓋中的應用設計思路。
  關鍵詞:賦形天線;天線掛高;主服區域;波瓣角度中圖分類號:TN929.5 文獻標識碼:A 文章編號:1673-1131(2015)10-0179-02.
  0 引言
  目前體育場館舉辦大型賽事日益頻繁,賽事期間館內人員密度大,話務量高,頻率資源緊張,因而在體育場館中實現同頻復用提升整體容量就成了一個迫切需要解決的問題。
  賦形天線的天線波瓣在橫截面方向上趨向于矩形,覆蓋波形與場館坐席的幾何形狀可以基本吻合;另外賦形天線無論在水平方向還是垂直方向,在半功率角外波瓣都能夠迅速收縮,可以較好抑制同頻小區間的干擾[1]。因此賦形天線適用于體育場館此類空間開闊無阻擋的區域。
  1 賦形天線覆蓋模型
  1.1 天線掛高
  天線掛高往往受限于實際的安裝環境,在體育場館的場景中,天線一般安裝在馬道上向下往觀眾坐席進行覆蓋。不同場館的馬道高度不一致,一般大型場館比如鳥巢等,馬道高度可達 40~47m 左右,小型場館比如籃球館,馬道高度一般為16~18m 左右。天線掛高主要從兩方面影響了賦形天線的覆蓋效果,一方面是主服覆蓋區域的大小,另一方面是路徑損耗。
  天線主瓣覆蓋范圍如下圖1。
  圖 1 賦形天線覆蓋范圍示意圖
  計算公式如下:
  D = 2 × H ×t a n
  2
  式中:D: 主瓣覆蓋范圍;H: 天線掛高;:波瓣角度.
  在波瓣角度確定的情況下,當天線掛高 H 越高,波瓣覆蓋范圍 D 越大,反之亦反。在實際部署中,可以根據賦形天線方向圖的波瓣角估算覆蓋范圍,再結合實際模測的結果進行調整。
  在天線掛高較低的情況下,天線離坐席的距離比較近,根據自由空間損耗公式可知,路徑損耗對覆蓋效果有較明顯的影響?拷炀一側的坐席有部分區域會處于天線旁瓣的覆蓋區域,但由于該區域距離天線近,在路徑損耗上的減少可以部分抵消由于天線旁瓣抑制帶來的影響。
  1.2 覆蓋模型
  路徑損耗以及場館坐席的會使賦形天線的矩陣覆蓋區域產生變形,賦形天線最終的覆蓋效果是由賦形天線、路徑損耗共同作用產生的結果,具體如下:
  式中:S:接收到的信號強度;Pwr:天線口輸出功率 PL(d);空間路徑損耗,隨著距離 d 而變化;A( ):賦形天線增益,隨著波瓣角度 變化而變化。
  其中路徑損耗和距離之間呈對數關系,在距離天線較近的區域功率衰減較快,遠離天線的區域功率衰減較慢,因而在天線近場和遠場的覆蓋效果有較明顯的區分度。而賦形天線增益主要是和波瓣角度成函數關系,當大于主瓣波瓣角的時候,增益會急速下降,當大于某個角度之后即旁瓣的增益變化開始變得平緩。因而旁瓣和主瓣之間的覆蓋效果也會存在較明顯的區分度。
  所以需充分結合距離和波瓣角度兩者進行設計,可以讓賦形天線覆蓋效果達到最佳。
  2 體育場館應用案例分析
  以廣西體育中心體育館為例說明,該場館可容納 10000人,為第四十五屆世界體操錦標賽的主場館。經過容量估算,為了滿足場館的話務需求需要在場館內進行同頻復用,因此需要通過賦形天線來控制每個小區的覆蓋范圍。
  2.1 天線模測
  為了能夠對賦形天線的覆蓋效果做出一個完整的分析,利用單面賦形天線安裝到實際場地中,進行模擬測試。在體 育場館馬道上安裝一副賦形天線,示意圖如下圖 2:
  圖 2 賦形天線與坐席截面圖
  為了了解賦形天線的覆蓋性能,對東西看臺區域每隔 10m取一個抽樣點進行測試,收集賦形天線覆蓋的采樣數據值 。
  2.2 數據分析
  對采樣數據進行插值,并采用等值線的方式進行繪制,如下圖 3:
  圖 3 賦形天線與坐席示意圖
  西側看臺主要由賦形天線的旁瓣來覆蓋,波瓣角度約為66~90 度。根據天線規格說明書,大于 50 度之后天線旁瓣抑制應當大于 18dB。由上圖可以看出,西側看臺信號強度分布約在-68~-74dbm 以下,相比賦形天線主瓣覆蓋區域的采樣值-44dbm,約弱了 24~30dB。
  同時考慮到路徑損耗的影響,根據自由空間損耗公式計算,東側看臺路徑損耗比西側看臺小 6dB 左右。在扣減路徑損耗的影響之后,可知道賦形天線在西側看臺方向的增益比主瓣增益弱 18~24dB 左右,和賦形天線廠家標稱的規格大體相符。
  2.3 主服區域
  在體育場館室分設計中,賦形天線在東西兩側的看臺進行對稱安裝。根據容量需求,需要在東西看臺進行同頻復用,假設同頻復用要求 SINR 大于等于 12dB。根據模測結果,取西側看臺的最強信號強度-68dbm 作為同頻干擾強度,那賦形天線的主服邊緣強度必須大于 -68dbm + 12dB=-54dbm。在等值線圖上可以描畫出主服區域的覆蓋范圍,如下圖 4:
  圖 4 賦形天線與坐席示意圖
  考慮到賦形天線的波瓣角度的左右對稱,可以得出賦形天線的主服區域近似為一個 22m×16 米的矩形區域,和觀眾坐席區域基本吻合。
  2.4 天線對比
  2.4.1 賦型與普通天線的對比
  前期體育館通過射燈天線進行覆蓋,根據現場測試情況可知,本側看臺主服小區的信號強度約比對面看臺小區的信號強度強 6~8 dB。 考慮到路徑損耗,根據自由空間損耗公式進行計算,可以知道這 6~8dB 主要是由東西側看臺在路徑損耗上的差異來貢獻的,射燈天線基本沒有旁瓣抑制。
  2.4.2 與鳥巢賦形天線的對比
  北京鳥巢賦形天線的測試效果如下圖 5:
  圖 5 賦形天線與坐席示意圖
  從上圖可以看出,如果以-20dB等值線作為鳥巢賦形天線的覆蓋區域,單根天線覆蓋距離可以達到 100m 左右,考慮到鳥巢和我們的體育館的天線掛高不一致,鳥巢的馬道高度在40~47m,而體育場館的馬道僅有 16m~18m 高左右,大概是鳥巢馬道高度的 1/2~1/3,因而覆蓋半徑也應該相應地縮小。從體育場館的等值線圖來看,-20dB 等值線的覆蓋距離也僅為40m 左右,約是鳥巢賦形天線的 100m 覆蓋的 1/2~1/3。兩種天線的性能較為接近。
  3 室分設計
  根據上面確定的單面賦形天線的主服區域,結合體育場館觀眾坐席的尺寸可以計算出每塊區域所需部署的賦形天線的數 量以 及位 置。在體 育場 館中,東 側看 臺尺 寸約 為66m×25m,按照每面天線覆蓋區域為 16m×22m,約需要 4 面賦形天線,均勻安裝在東側看臺馬道上,可基本滿足東側看臺的無縫覆蓋。同理,西側看臺尺寸與東側看臺對稱,可同樣部署天線。
  4 結語
  在應用賦形天線的過程中,需要綜合考慮賦形天線性能指標、天線掛高、目標SINR等多個因素進行綜合計算,根據計算結果確定單天線的覆蓋范圍,最終得出最佳的部署方案。賦形天線在廣西體育中心體育館的成功部署,為后續其它場館及會展中心的無線覆蓋設計提供了良好的范例。
  參考文獻:
  [1] 汪穎.賦形天線在場館室內分布設計中的應用[J].電信工程技術與標準化,2006(12).
  [2] 張鵬展 新技術在開放式場館覆蓋中的綜合應用[J].郵電設計技術,2012(9).
  作者簡介:晏遠為,男,碩士,主要從事無線網絡的規劃和優化工作;黃正彬,男,主要從事無線網絡的規劃和優化工作;黃國鑫,男,主要從事無線網絡優化工作。



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