基于LTE网络场景的阵列天线选型研究*

李一雷

（浙江交通职业技术学院，浙江 杭州 311112）

0 引 言

LTE阵列天线技术是LTE系统的关键技术。阵列天线模型算法的优劣和参数的选择，直接关系LTE系统的覆盖性能、业务容量和用户数量等关键指标。在工程实践中，阵列天线的选择和参数校正也是LTE网络覆盖规划和优化的主要内容和必备环节。阵列天线不同的模型在不同无线环境中的性能和效果都有显著区别，为阵列天线的设计和选型增加了困难。本文根据阵列天线的传播模型，结合LTE网络高铁场景、乡村场景和密集城区场景，通过仿真实验，给出了阵列天线不同场景下选型设计的建议，具有重要的理论意义和实践意义。

1 阵列天线主要选型参数

根据阵列天线原理[1]，长期演进技术LTE的天线阵列的工作频段处于2 300～2 700 MHz，极化方式为±45°的交叉极化，最大增益大于15 dBi，天线各端口之间的隔离度小于-20 dB，天线的前后比大于23 dB。阵列天线的主要参数还包含阵列间隔和阵列数量。阵列天线较之于普通天线，更需要在阵元间距和阵列数量上进行选择。本文实验中，LTE网络选用工作频率2 645 MHz，极化方向为±45°的交叉极化方式，天线增益为12 dBi，不考虑天线端口隔离度。

1.1 阵元间距的选择

主极化在工作过程中会有对应方向上的方向图，被称作主极化方向图。主极化也有可能产生非预定的极化方向，被称作交叉极化。交叉极化对应的分量图被称作交叉极化分量图[2]。

式中：d为一维线阵阵元间距；λ通常为中心工作频率所对应的波长；θmax为最大扫描角。本文所研究的天线阵列不考虑波束扫描情形，因此主瓣波束指向天线阵列的正前方，θ角为0°，阵元的最大间距为λ。此间距d一般取0.7λ～0.9λ。

由表1所示的实验结果可知，随着阵元之间的间隔减少，方向图衰减越慢，主次瓣的差距越小[3]，同时随着间隔的减少，主瓣越来越宽。

表1 阵元间距对辐射方向的影响

0.9λ

1.2 阵元数量的选择

阵列天线的辐射电磁场是各个单元辐射场的总和，可以根据辐射实情进行具体调整，使阵列天线具有各种不同的功能，而这些功能是单个天线无法实现的。

本文的阵元数量选择采用RFID阵列天线的矩阵设计思想[4]。结合实际工程可使用的阵列天线的阵元的数量，范围为15～25个。

阵列天线在天线阵元配置上采用端射阵，如表2所示的实验结果。

表2 阵元数量对辐射方向的影响

25

随着阵列个数的增加，方向图衰减越快，同时主瓣变窄，方向性变好。

1.3 阵元间距和阵元数量组合配置

结合表1和表2，阵元间距较大的辐射方向效果和阵元数量小的辐射方向效果接近；反之，阵元间距较小的辐射方向效果和阵元数量大的辐射方向效果接近。为了比较不同阵列天线，本文选取了3组阵列天线配置，如表3所示。

表3 阵列天线配置

2 网络场景的选取和需求分析

对于阵列天线，由于阵元间距和阵元数量会引起覆盖效果的区别，根据传播特性，不同的无线网络环境对阵列天线的性能和效果也有着显著影响。工程实践中，阵列天线的选择受无线环境的不同影响，导致无法准确给出选型思路。

在LTE网络规划工程中，一般采用三种具备代表的无线网络场景——高铁场景、乡镇场景和密集城区场景作为研究对象[5]。这些场景代表着LTE网络规划和优化过程中典型的案例。本节将通过覆盖分析和容量分析，研究三种场景下对阵列天线设计选型的不同要求。

2.1 高铁场景

2.1.1 场景描述

高铁场景主要指高铁周围，此时可能周边缺乏LTE基站而导致高铁列车上用户没有LTE网络。

2.1.2 覆盖需求

该场景下，仅需要对铁路进行覆盖，同时一个小区在同样的射频功率内发射距离最远，以减少切换次数，降低切换风险[6]。在保证容量一致的情况下，不仅可以减少切换带来的掉话风险，还能减少基站，节省投资成本。要求一个高铁基站最远有效覆盖距离越大越好（RSRP大于-100 dBm的覆盖距离）。因此，高铁场景下，对阵列天线的覆盖距离是重要的选型考虑参数。

2.2 乡镇场景

2.2.1 场景描述

农村乡镇包含集镇和农耕区，在集镇存在部分的用户，而农耕区是用户活动范围。所以，乡镇需要进行广覆盖。

2.2.2 覆盖需求

农村乡镇整体话务量较低，但是覆盖区域要求比较广。因此，要求在同样基站数量情况下，阵列天线的有效覆盖面积（RSRP大于-100 dBm的面积）越大越好。

2.3 密集城区场景

2.3.1 场景描述

在密集的城区存在大量的用户，且整个密集城区都是用户活跃范围。

2.3.2 覆盖需求

在密集城区存在大量用户，为了避免拥塞，基站间距比较近，基站一般覆盖3个小区，需要完成周围一圈的完全覆盖，避免盲区存在。同时，因为城区存在阻挡，所以需要天线对区域内覆盖整体强度较高，以吸纳普通社区的话务量。在LTE网络中，PRB利用率越高，网络容量越高。

3 不同场景下阵列天线的仿真选型

将阵列天线模型纳入武汉凌特电子技术有限公司的LTE网络优化仿真平台UltraRF，工作频率、极化方向、天线增益仍采用第2节中的参数。

通过该平台可以获得基站有限覆盖范围、基站有效覆盖率、良好覆盖率和PRB占用比例。这些指标是衡量LTE网络在高铁场景、乡镇场景以及密集城区场景的网络指标。通过对比这些网络指标。衡量不同阵列天线下的网络性能，从而为阵列天线的天线选型提供依据。

3.1 高铁场景仿真

构建石武铁路的一部分，部署一个高铁仿真测试场景小区，方位角和铁路保持一致。在保证天线其他射频参数不变情况下，按照表4中的3种阵元间距和阵元数量组合仿真测试，查看小区覆盖范围，通过参数统计查看RSRP大于-100 dBm的最远覆盖距离。高铁场景希望有效覆盖距离尽量远。通过仿真结果对比发现，第三种选型组合的阵元间距0.7λ、阵元数量为25时，有效覆盖距离最远。

表4 高铁场景下有效覆盖距离仿真结果

3.2 乡镇场景仿真

仿真环境为武汉市黄陂区域下的一个集镇，按照现网基站位置部署2个基站，在保证天线其他射频参数不变的情况下，按照表5的组合调整阵元间距和阵元数量进行仿真测试。通过测量规定区域内LTE信号覆盖面积进行对比。然后，查看小区覆盖范围、RSRP大于-100 dBm的覆盖面积。表5的覆盖效果图中，深色区域为RSRP大于-100 dBm的覆盖范围。在乡镇场景下，侧重有效覆盖面积即第二种选型组合，采用阵元间距0.8λ、阵元数量为20时的有效覆盖面积最大。

表5 乡镇场景下有效覆盖面积的仿真结果

3.3 密集城区场景仿真

对武汉青山区域，按照现网基站位置对钢花街社区周围的基站进行部署，在保证天线其他射频参数不变的情况下，按照表6调整阵元间距和阵元数量进行仿真测试。通过测量规定区域内LTE信号优良覆盖率来进行对比。对比覆盖效果，深黑色区域是覆盖偏弱的区域；覆盖效果上，第一种参数组合的覆盖效果最好，计算的系统PRB占用率也最高。在密集城区场景应达到较高的PRB，当采用阵元间距0.9λ、阵元数量为15时，PRB占用率最高，符合运营商在密集城区的规划思路。

表6 密集城区场景下的PRB仿真结果

2 0.8λ 2024.66 3 0.7λ 2522.67

3.4 选型方案

对比在3个不同场景下共计9次的实验，可知：

（1）随着阵列阵元间距减少，天线波束赋形方面主瓣会变窄，而覆盖距离会有所提升；相反，阵元间距增加，主瓣会变宽，覆盖距离有所降低；

（2）随着阵元数量的增加，天线波束赋形方面主瓣会变窄，而覆盖距离会有所提升；相反，阵元数量减少时，主瓣会变宽，覆盖距离有所降低。

结合场景属性的覆盖需求，给出下面基于场景的阵列天线选型方案：

（1）在高铁场景下，期望单个小区覆盖距离较远的同时，天线主瓣方向也变窄，在不影响外界网络的同时，减小切换次数和运营商基站投资成本。结合仿真数据，该场景下阵列天线选型时，建议选取的阵元间距较小、阵元数量较大，如阵元间距0.7λ、阵元数量25是较理想的选型。此外，根据更具体的实际需求，可在该区间附近进一步细化设计，以达到符合具体高铁场景覆盖效果的最佳设计。

（2）在乡镇场景下，期望小区能够最大范围地覆盖周围环境。天线主瓣覆盖的区域范围越大越好。结合仿真数据，在满足LTE基本业务的情况下，建议阵元间距和阵元数量都在合理范围内折中选取。例如，在阵元间距为0.8λ、阵元数量为20的组合附近，寻找满足乡镇阵列天线设计数据。

（3）在密集城区场景下，期望小区能够最大程度提升覆盖区域内的覆盖电平，同时提升系统容量，这需要加强对覆盖区域内的优良覆盖率。该场景下，建议选取的阵元间距较大、阵元数量较小，如阵元间距为0.9λ、阵元数量15是较理想的选型。另外，根据具体要求，可在该区间附近细化设计，以满足具体密集城区对阵列天线的设计需求。

4 结 语

本文通过分析给出了阵列天线的阵元间距、阵元数量之间的三种组合选型类型，并从工程实际出发，在LTE常见的三种网络场景下，对这三种选型进行了模拟实验，指出了不同LTE网络场景下的阵列天线选型建议，为不同网络场景下的阵列天线进一步细化设计提供了方向。

[1] 余道华.基站天线阵列设计[J].信息通信,2015(01):165.YU Dao-hua.Base Station Antenna Array Design[J].Information Communication,2015(01):165.

[2] 滕飞,李淑颖,盛喆等.LTE基站天线阵列设计[J].现代电子技术,2014,37(11):88-90.TENG Fei,LI Shu-ying,SHENG Zhe,et al.Design of LTE Base Station Antenna Array[J].Modern Electronics Technique,2014,37(11):88-90.

[3] 王曼珠,张喆民,崔红跃.MATLAB在天线方向图中的应用与研究[J].电气电子教学学报,2004(04):24-27.WANG Man-zhu,ZHANG Zhe-min,CUI Hong-yue.The Application and Study of Antenna Radiation Pattern Based on MATLAB[J].Journal of IEEE,2004(04):24-27.

[4] 吴龙.一种基于阵列天线的无源RFID混合定位系统[J].信息与电脑(理论版),2016(13):62-63.WU Long.A Passive RFID Hybrid Positioning System Based on Array Antenna[J].China Computer &Communicatio,2016(13):62-63.

[5] 肖清华,汪丁鼎,许光斌等.TD-LTE网络规划设计与优化[M].北京:人民邮电出版社,2013.XIAO Qing-hua,WANG Ding-ding,XU Guang-bin,et al.TD-LTE Network Planning Design and Optimization[M].Beijing:People's post and Telecommunications Publishing House,2013.

[6] 张宵.LTE高速场景下随机接入算法的研究[D].武汉:武汉理工大学,2012.ZHANG Xiao.Research on Random Access Algorithm in LTE High Speed Scenario[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2012.