基于龙伯球天线技术解决高话务密度场景的无线组网研究

李红霞

【摘要】    龙伯透镜（Luneberglens）诞生于1944年，由德国物理学家龙伯发明。龙伯球透镜运用了凸透镜汇聚光线的原理，本质上是一个球形的多面折射透镜，它可以将通过透镜的光线分别在透镜两侧进行相互折射，从而形成一个放大的镜像。而龙伯球天线就是龙伯球透镜在移动通信领域的一种具体应用。相比较于传统天线而言，龙伯球天线具有波束窄、增益高的特点。本文提出了一种基于龙伯球多波束天线的高话务场景解决方案，并在实际应用中取得了显著的成效。

【关键词】    龙伯球天线    容量    高话务场景

引言：

随着网络媒体的发展，客户的业务特点也发生了极大变化，从以前的发短信、打电话，逐步过渡到即时通信、短视频、在线直播等，对移动数据流量的需求急剧增加。伴随着客户业务量的大幅增长，对移动通信网络容量提出了极高的要求。

依据现有的传统天线多层组网方法，在解决大话务区域容量问题时将会面临诸多瓶颈。一是由于多层网小区间覆盖范围高度重合，不利于各小区间负载均衡，各容量层间的均衡门限难以控制;二是由于单小区的覆盖面积较大，在频点复用层数较高时，容易产生重叠覆盖，若用户数过多，还会产生邻区终端干扰，严重影响小区性能及用户感知。

基于以上传统天线多层组网方法的弊端，以及结合龙伯球天线窄波束、高增益、多頻段的特点，新乡移动提出了基于新型龙伯球多波束天线的大话务解决方案，并在实际应用中取得了显著的效果。

一、龙伯球多波束天线介绍

龙伯透镜（Luneberglens）诞生于1944年，由德国物理学家龙伯发明。龙伯球透镜运用了凸透镜汇聚光线的原理，本质上是一个球形的多面折射透镜，它可以将通过透镜的光线分别在透镜两侧进行相互折射，从而形成一个放大的镜像。而龙伯球天线就是龙伯球透镜在移动通信领域的一种具体应用。

如果球体是均匀的同类介质，里面的电磁波是不可能“拐弯”的，因此龙伯透镜模型的一个重要前提，就是球体从外到内材料的介电常数是梯度变化的。通过控制透镜的材料以及电磁波的传播方向，龙伯透镜可以让任何方向入射的电磁波，都会汇聚到球面上的某一个点上。而龙伯球天线就是运用了这一特性，只要在球体表面放上馈源，就可以产生很好的增益效果，让信号朝指定的方向辐射，也可以接收指定方向过来的信号。

二、龙伯球多波束天线的性能优势

“龙伯球天线”具有超宽频率范围，可广泛应用于大规模应急通信保障、4G 网络大容量扩容改造及 5G 移动通信大容量、高话务场景。与传统大话务保障使用的板状天线相比，龙伯球天线具有以下几个性能特点：

2.1频率范围宽

龙伯球天线可以支持0-2.6GHz频段，基本涵盖了当前所使用的全部频段，例如4G的D/E/F等频段同时也支持移动5G当前所使用的2.6G频段。

2.2垂直波束宽

垂直波束3dB瓣宽为18度，远大于传统天线（15dBi板状天线典型值7度）。垂直波束很宽可以得到良好的站下覆盖效果，深度覆盖效果更加理想。

2.3水平波束窄

1.8GHz时水平波束3dB瓣宽只有13-15度，约是传统天线的1/4左右，这使得它在65°方向可以集中更多个扇区，可以良好的控制重叠覆盖;同时更窄的波束也使得天线可以对沿街商铺、景区道路等特殊场景实现精准的覆盖。

2.4高增益

由于波束更窄，也使得龙伯球天线在单载波上可以实现更高的增益，传统的4T4R天线的增益约为10dBi左右，而龙伯球天线增益可以可达18-19dBi，可以实现更好的深度覆盖。

三、基于龙伯球天线的高话务场景解决方案介绍

基于以上龙伯球天线窄波束、高增益的特点，龙伯球天线可以在相同方向内集中更多的波束，从而提升覆盖及容量。通过使用这种龙伯球多波束天线来替代原有的单波束天线，可以将传统基站所使用的六边形覆盖方式进行进一步的分割，以提升组网密度，有效的促进演唱会、景区等大话务场景的容量吸收。

3.1 龙伯球多波束组网方案与单传统组网方案对比

在原有的蜂窝组网方案中，单波束覆盖呈六边形，若需要进一步提升容量，则需要在单层网基础上叠加载波、采用多层组网。此种组网方案在频点复用层数较高时，就不可避免的容易产生重叠覆盖，邻区干扰等，同时多层网之间的负荷均衡不好控制，会在一定程度上影响小区性能及用户感知。而使用龙伯球多波束天线可以在相同覆盖方向内集中更多的波束，减少重叠覆盖的同时也成倍的提升了网络容量。龙伯球多波束组网方案的覆盖效果如下图所示：

3.2 容量评估与扇区规划

与传统组网方案相同、在使用龙伯球多波束天线天线组网方案进行高话务场景保障时，首先需要根据用户数流量预估，规划保障区域内所需的基站数量以及小区数量。可根据以下流程逐步规划：

1.预估高话务场景内用户数，根据平均吞吐量推算出最大业务量，并可以根据需要预留保护余量。

2.根据估算的场景内总业务量以及最大用户数，结合每小区可承载业务量及用户数估算得出所需基站数量以及小区数量。

3.在确定了所需的基站数量、每基站扇区数量、每扇区下的小区数量后，还需要对各小区进行精准的频率规划，尽可能使用更多频率，充分发挥龙伯球天线窄波束宽的优势，通过频率之间的隔离来降低干扰水平。

四、龙伯球组网方案应用效果

4.1 世乒赛直通赛保障应用效果

2021年5月3日至7日，中国·新乡2021“直通WTT大满贯·世乒赛”暨奥运模拟赛在新乡市平原（建业）体育中心举行。现场参与人数最高可达6000+人，同时只有场馆只有一个入口，用户同时涌入，对网络容量挑战压力巨大。另外，由于比赛场馆是正在建设中的场馆，馆内外没有任何通信设备，通信保障基本上是从零开始。新乡移动提出了利用龙伯球天线的窄波束、高增益的特点，开通两辆应急车部署龙伯球天线来精准覆盖广场及场馆入口。每个龙伯球天线下部署5个小区，使用F/A/D/FDD1800四个频点交替错开。规划效果如下图所示：

比赛期间，现场感知良好，在用数达到峰值时，浏览网页、看视频等也未出现任何卡顿。经过统计，2021年5月3日至7日，世乒直通赛期间，龙伯球天线下单日日均流量高达414.4GB，在话务高峰时，龙波球天线下承载的用户数超过1000人，下行用户感知速率超过8Mbps，上行用户感知速率达到6Mbps。

4.2 长垣美食节保障应用效果

2020年9月27日～10月1日长垣市亿隆广场举办第二届长垣美食文化节，现场商户近百家，同时有厨艺展示、艺术时装秀等活动。现场保障时存在两大难点：一是活动现场人流量大、人员密度高，业务量大，对网络感知要求高;二是活动现场选址困难，需充分考虑施工难度、网络覆盖质量，快速部署开通。新乡移动利用龙伯球天线多波束、大容量、高增益、天线方向性强、同频干扰小的特点，活动现场部署2个龙伯球天线，开通4个FDD载波，每个波束分布在扇区两端精准覆盖沿街商铺，同时也抑制了同频干扰，提升网络质量与容量。

2020长垣亿隆广场美食节（2020-09-27～10-01）活动保障部署通信应急车一辆（开通12个E频段小区、6个FDD小区、3个D频段小区），周边宏站扩容6个小区，优化均衡24个小区。活动期间，总流量累计1354.26GB，环比日常增幅156.58%;峰值用户数5767，环比日常增幅691.08%;其中仅龙伯球天线日均吸收用户数达到1714人次，日均吸收流量高达258Gb。龙伯球天线分流情况如图4所示。

五、结束语

龙伯球天线具有超宽频率范围，可广泛应用于大规模应急通信保障、4G 网络大容量扩容改造及 5G 移动通信大容量、高话务场景。与传统大话务保障使用的板状天线相比，龙伯球天线具有支持频率范围更广，垂直波束更宽，水平波束更窄，单波束增益更高的特点，可以有效的解决传统多层组网带来的干扰、均衡复杂等问题。新乡移动在中国·新乡2021“直通WTT大满贯·世乒赛”暨奥运模拟赛以及长垣美食节大话务场景保障中均采用了龙波球天线保障，并取得了显著成效，后续可在景区、演唱会等大话务场景保障中持续推广和使用。

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