基于特性天线的高铁覆盖场景应用研究*

付 康，沙乾坤，高宗杰

（中国移动通信集团新疆有限公司 哈密市分公司，新疆 哈密 839000）

0 引言

目前，我国已经建成了全世界最长的高速铁路网络。高铁乘坐人数众多，已经成为民众出行的首选交通工具，因此解决高铁场景的覆盖具有非常重要的意义。新疆维吾尔自治区内高铁途径地貌复杂多样，有隧道、路堑、防风墙、戈壁、沙漠以及草地，站点资源获取困难，信号损耗快速。部分高铁线路存在覆盖不足、用户感知差的问题。

通过研究基于特性天线的高铁站点覆盖增强方案，提升单站点的覆盖范围和用户感知，减少新增站址资源，能达到“降本增效”的目的。通过高铁增强覆盖方案的研究、典型场景的测试验证以及方案修正等，形成了高铁场景的覆盖方案和方法，用于指导后续的高铁5G 网络覆盖规划建设。

1 透镜天线原理

透镜天线是根据光学理论引入“镜片”概念，在各种形状的电磁辐射器前加装介质透镜，使得电磁波经过“镜片”作用后可以转变成平面波，以得到锥形或圆柱形波束。透镜介质折射率不均匀，把馈源（信源）放到焦点处。它的折射率与位置距球心的距离有关，满足，式中ε(r)为相对介电常数，n(r)为折射系数，2 为选择材料的介电常数，r为当前位置到球体中心的距离，R为球体的半径。当平面电磁波射向“镜片”时，通过“镜片”作用被汇聚到与此平面电磁波相垂直的直径的另一端。这样在此处（通常是焦点）设计放置一个馈源，就能在球天线口面上转换成平面电磁波达到汇聚的作用。整个球面上的任意位置都可以是焦点[1]，如图1 所示。

龙伯球透镜是一种比较实用的透镜天线，是由介质材料做成的圆球体，作用是将不同角度传播的电磁波聚到“镜片”表面的一点，在球的正对不同方向来波球面焦点设置小增益接收天线，通过透镜辐射将发射功率密度提高10 倍以上，天线效率高于90%，如图2 所示。

图1 透镜天线原理1

图2 透镜天线原理2

2 透镜天线与板状天线对比

2.1 特性对比

如表1 所示，人工介质透镜天线与板状天线相比，具备垂直波瓣宽、结构简单、底噪小、辐射效率高以及风阻小等特点。

2.2 覆盖范围对比

如表2 所示，透镜天线不用电调，±3 dB 垂直波束覆盖距离范围为44～1 313 m。传统板状天线采用电调技术，覆盖距离范围为145～753 m。在远距离覆盖上，透镜天线的距离是板状天线的1 倍，覆盖范围更远。

表1 人工介质透镜天线与板状天线的性能对比

表2 ±3 dB 覆盖距离比较（塔高25 m）

3 龙伯球天线应用验证

3.1 应用环境

兰新高铁是连接甘肃兰州与新疆乌鲁木齐的高速铁路，全长1 773 km，新疆境内710 km，其中乌鲁木齐段长112 km，吐鲁番段长228 km，哈密段长370 km，高铁设计时速250 km/h，实际运行时速为200 km/h。大风区段线路达462.4 km，占新疆段线路总长的65.1%。尤其是高铁北侧建设的防风墙，几乎贯穿全程。高速列车车体穿透损耗大，再加上防风墙的阻挡，极大地缩小了基站的覆盖范围。1.2 km 的站间距很难保证连续覆盖[2]。

3.2 试点天线选型

本次测试的天线型号是HT300001 和HT380002产品，应用于高铁覆盖的介质透镜天线。整个天线支持宽频段，水平半功率角和垂直半功率角在30°左右，可以在满足高铁远距离覆盖的前提下，保证由远到近的良好覆盖效果，比传统板状天线有更好的覆盖效果，且质量轻，便于塔上安装，大大降低了天线体积和重量，使天线的应用更加灵活。HT380002 相比HT300001 增加了2.5 dBm 的增益。它的相关电气性能参数如表3 所示[3]。

3.3 试点范围及站点规模

本次试点选择了兰新高铁柳园至哈密、哈密至鄯善路段进行天线替换，并进行覆盖对比测试（兰新高铁哈密全段由FDD1800 站点覆盖）。

柳园至哈密涉及物理站点140 个、天面280 个；哈密至鄯善涉及物理站点125 个、天面250 个。柳园至哈密平均站间距1 120 m，区间问题站点数量6个；哈密至鄯善平均站间距1 115 m，区间问题站点数量11 个。站点区间分布如表4 所示。

基于机械创新设计大赛的卓越工程师培养模式是一种全新工程师培养模式的探索，它基于大学生机械创新设计大赛这个学科竞赛，其目的不仅仅局限于只是比赛，而是要以赛促教、以赛促学。在这种培养模式中，卓越工程师是培养的目的、方向，学科竞赛是途径与方法，两者互为动力，缺一不可。概括起来有以下几方面：

表3 透镜天线电气性能参数

表4 站点区间的分布情况

3.4 测试验证情况

3.4.1 连续覆盖测试效果

如表5 所示，天线替换后，整体指标较替换前均有所提升。VoLTE 测试指标较替换前有明显的提升，替换后VoLTE 全程呼叫成功率、VoLTE 掉话率均有所改善[4]。

（1）柳园至哈密段平均RSRP 值提升1.34 dBm，SINR较之前提升1.65 dB，综合覆盖率（RSRP＞-110 dBm 且SINR＞-3 dB）提升1.80%，下载速率提升1.11 Mb/s。

（2）哈密至鄯善段平均RSRP值提升1.2 dBm，SINR较之前提升1.25 dB，综合覆盖率（RSRP＞-110 dBm 且SINR＞-3 dB）提升2.15%，下载速率提升1.51 Mb/s。

3.4.2 扫频测试效果

如表6 所示，全路段覆盖测试情况如下：从整体扫频来看，柳园至哈密、哈密至鄯善在进行天线替换后，覆盖率和平均SINR基本相当。

如图3 和图4 所示，柳园至哈密、哈密至鄯善替换路段，RSRP基本稳定于-110～-75 dBm。SINR与RSRP相关性较大，RSRP ＜-120 dBm 时，出现少量SINR＜-3 dB 的情况。

表5 兰新高铁哈密段天线替换后ATU 测试对比

表6 兰新高铁哈密段天线替换后扫频测试对比

图3 RSRP 采样点区间统计

图4 SINR 采样点分区间统计

如表7 所示，兰新高铁替换区域，弱覆盖占比大于50%的弱覆盖区域总计23。其中，柳园至哈密段弱覆盖天线数量13 个，哈密至鄯善段弱覆盖天面数10 个。替换后，该问题路段弱覆盖均得到了解决。

如图5 和图6 所示，在对兰新高铁柳园至哈密、哈密至鄯善段进行透镜天线替换后，经过前后测试对比，发现5G 网络接收信号强度和信号质量均得到了明显改善。

表7 天线替换后弱覆盖路段问题解决情况

图5 柳园至哈密天线替换前后RSRP 覆盖图对比

图6 哈密至鄯善天线替换前后RSRP 覆盖图对比

4 结语

通过对兰新高铁哈密段突出弱覆盖路段站点进行透镜天线替换应用，明显改善了局部覆盖，使得整体覆盖率和测试指标均有所提升，后续可应用于高铁覆盖场景区域[5]。经过应用试点，透镜天线相对于常规平板天线能够有效提升覆盖水平和网络质量，改善用户体验。