基于天线波束形态设计的5G高铁沿线覆盖方案

董佳，曹景阳，王桂珍，邓伟

（中国移动通信集团研究院，北京 100055）

0 引言

截至2021年上半年，我国高速铁路运营里程达3.79万公里，“四纵四横”高铁网提前建成，“八纵八横”高铁网加密成型，高铁成为国人出行的主要方式，高铁移动通信用户数量大规模增长。同时，随着移动互联网应用的发展，用户对多样化业务感知需求日渐增强，对高铁沿线的网络覆盖也提出了更高要求。作为各大运营商品牌场景，5G高铁沿线的覆盖成为网络建设的重中之重。但5G高铁覆盖方案面临诸多困境，除5G网络频段高、车厢穿损大、多普勒频偏等之外，还存在站点选址难、差异大及单一天线波束形态难以满足所有类型站点连续覆盖需求等问题。本文从高铁基站天线选型角度出发，研究不同站址场景的特点，并提出基于波束形态设计的5G高铁沿线覆盖方案和工参优化方法，可用于指导5G精品高铁网络建设和覆盖质量提升。

1 高铁覆盖空洞问题分析

1.1 现有高铁基站天线波束形态

从波束形态上来看，现有高铁基站天线均为固定波束宽度天线。4G高铁天线对应2T2R站型，主要分为水平33°波宽和65°波宽两种类型，其垂直波束宽度均为7°左右。中国移动的5G高铁天线对应8T8R站型，两个极化方向在水平维各有4个通道，具备波束赋形能力，扫描范围为±30°，相比2通道可同时提升容量与覆盖；但在垂直维仍只有一个通道，无波束赋形能力，垂直波束宽度与传统高铁天线同为7°左右。为了形成天线在垂直维的波束赋形能力，在天线总通道数不增加时，可采用每个极化在水平维和垂直维各2个通道的2×2阵列排布方式，但这种排列方式会减弱水平覆盖能力，也会影响网络配置带来的性能提升效果，因此未获得规模应用。

透镜天线是近两年引入移动通信的新形式基站天线。在高铁场景下已有应用的单波束透镜天线（本文中，多个波束为同一指向的透镜天线统一称作单波束天线，以区分多个波束不同指向的多波束透镜天线），因其垂直维波束宽度相比7°的传统波宽有大幅提升，在部分站址场景下覆盖能力获得了比较明显的改善，受到业界的关注。现有4G/5G高铁天线类型及其性能见表1：

表1 现有4G/5G高铁天线类型（以2.6 G频段为例）

1.2 高铁场景覆盖空洞问题分析

与城区蜂窝覆盖等场景不同，高铁场景为典型的线型覆盖场景。在网络建设时，为满足更好的用户覆盖和业务体验以及公专网隔离需求，我们希望高铁沿线专网信号最大程度地分布在高铁线路上而非沿线外的区域，以保证线路连续覆盖的同时减少高铁专网对公网的干扰。但是受限于高铁站址、天线工参及天线的波束宽度等因素的影响，高铁沿线容易出现覆盖空洞，即弱覆盖区域，如图1 所示：

基站天线通常布置铁路两侧，根据站轨距、站间距和挂高等工参设置不同的下倾角和方位角。基站天线辐射信号的能量分布与天线方向图直接相关，由于下倾角和方位角的存在，基站辐射信号在高铁沿线的覆盖投影如图1 所示，其主波束在水平面的投影与高铁线路存在一定的夹角而非完全重合，这也是出现水平覆盖空洞或垂直覆盖空洞的直接原因。

图1 高铁覆盖空洞示意图

水平覆盖空洞：天线主波束的法线方向（即基站天线的朝向）与站轨距方向夹角一般大于70°，该角度大于天线的水平波束宽度，容易产生水平零点。当天线方向图的水平零点正好投影在高铁线路上时，会在高铁线路上引起水平覆盖空洞。例如，在现网应用中，采用水平波宽33°天线的部分站点会存在水平零点问题，此时如用水平波宽65°天线进行替换，往往能显著改善弱覆盖问题。

垂直覆盖空洞：当天线方向图主波束在地面的投影与高铁线路夹角较大时，其多个下旁瓣的投影也会落在高铁线路上，波瓣间的零点落在高铁线路上就产生了垂直覆盖空洞。在垂直覆盖空洞比较明显的站点，如采用透镜天线等垂直宽波束天线进行替换，能明显改善垂直覆盖零点问题。

2 基于波束形态的5G高铁天线覆盖方案

在第1 节中，我们简单分析了高铁线路覆盖零点存在的原因及对策，但是现网应用中情况往往更为复杂。比如，一个站点会同时出现水平覆盖空洞和垂直覆盖空洞，要同时考虑水平波束宽度与垂直波束宽度的需求，而现有的固定波束宽度天线较难满足；又比如，在一条高铁线路中，站点工参差异较大，根据每个站点的波宽需求去采购安装不同类型的天线也是不现实的。因此，针对5G 高铁线路的高质量覆盖需求，亟需一种系统性解决方案。本节中，我们将具体分析不同工参站点实现连续覆盖对天线波束形态的需求，并基于5G 8 通道站型，提出波束宽度可根据现场站点工参灵活调整的3D 智能高铁天线，最后给出天线工参设置方法，并通过外场试验验证该方案的可行性。

2.1 不同站点对天线波束形态的需求分析

5G 8 通道天线的水平维具有波束赋形和扫描能力，其水平覆盖范围为±30°，基本可满足各类站点对水平波束宽度的需求，因此，本小节中，我们重点考虑各类站点实现连续覆盖对垂直波束宽度的需求。

如前文所述，基站天线的主波束在地面投影与高铁线路的夹角较大时，将直接导致垂直零点的出现，而当天线的垂直波束宽度越宽时，垂直零点的数量和影响也会相应变小。但是天线设计时提升垂直波束宽度又会牺牲增益，因此，为了均衡考虑增益和垂直波束宽度，不同站点连续覆盖所需要的条件为天线垂直波宽刚好等于基站天线方向图主波束在地面投影与高铁线路的夹角大小，等效地，可以认为天线垂直波束宽度θV需要大于等于覆盖近点相对天线的仰角θ1与覆盖远点相对天线的仰角θ2之差δ，如图2 所示，即：

图2 高铁线型场景三维覆盖模型

其中h为天线挂高，d为站轨距，D为覆盖距离。

2.2 基于波束形态设计的8TR 3D智能高铁天线

传统8 通道高铁天线垂直波束宽度固定为7°左右，为了适配各种工参条件的站点连续覆盖需求，我们提出一种垂直维波束宽度可调方案。各站点情况虽然差异较大，但站点的站间距、站轨距和挂高值在建设初期已经确定且一般不会改变，因此天线的波束宽度可调功能也不需要实时调整功能，仅需在开站优化工参时设置即可，这就大幅简化了设计方案。

传统8 通道高铁天线由4 列双极化天线振子构成，各列天线的电下倾角由一个传动装置同时控制，即同时调整（调整范围如2°～12°）。在本方案中，我们采用各列天线振子的电调角度独立可调的方案，即每列阵子都可以具有不同的下倾角。为了实现这一功能，需要更改天线内部的移相传动方案。为每一列振子的移相网络设计单独的传动机构，不同列的传动机构分别控制，不再相互连接。当前多频独立电调天线已成为基站天线产品的主流，电调天线的远程控制单元RCU 一般都设计成双电机方案，一个选档电机用于待调整目标阵列的选择，另一个调节电机完成电下倾角的远程调整。因此，采用双极化4 阵列间独立传动的方案只需要增加选档电机的档位，无需新增电机，整个传动方案的成本增加并不多，这也是本方案的优势之一。通过不同阵列电下倾角的组合设计，可以实现单元方向图分层效果。在合成波束上看，不同方位角度上的最大增益指向不同的下倾角度，如图3 所示：

图3 波束宽度可调的天线方向图示意图

从图3 中我们可以看到，天线水平法线方向的最大增益（深红色表示）电调倾角较小，在约水平±20°时，其最大增益电调倾角较大。我们定义这两个最大增益点的指向之差为该天线的等效垂直波宽，这样对于垂直波宽为7°、电下倾角范围2°～12°的天线，在满足交叠电平的情况下，该天线的等效波束宽度即为7°～13°连续可调，从而可以适配不同站点的需求。采用该设计的波束特征可以完美适配高铁场景下基站天线下倾角度近大远小的特征，有效避免水平和垂直零点的问题，如图4 所示。

图4 3D智能高铁天线波束形态适配高铁线型场景示意图

2.3 天线工参设置及外场验证

为了验证上述波束形态适配理论，我们选择了站点工参差异较大的6 个连续站点12 副天线进行试点，对比测试了三种波束模式：传统7°波宽模式、优化波宽模式和垂直13°宽波束模式。传统波宽模式时，所有天线的垂直波束宽度设置为7°；优化波宽模式时，各个天线的等效垂直波束宽度根据站点工参计算并设置；垂直13°宽波束模式时，所有站点均设置为13°。6 个站点的工参及天线垂直波宽优化角度如表2 所示：

表2 6个站点的工参及天线垂直波宽优化角度

根据前述公式计算每个天线站点的远近点下倾角差异θ1-θ2，并根据如下原则调整天线波束宽度：

当θ1-θ2＜7°时，天线波束宽度选择7°；

当7°≤θ1-θ2≤13°时，天线波束宽度选择接近的度数，如θ1-θ2=7.9时，天线垂直波宽调整为8°；

当θ1-θ2≥13°时，天线波束宽度选择13°。

垂直波束宽度调整完成后，按照天线水平最大增益指向覆盖远点的原则设置天线方位角，垂直维最大增益点指向远点的方法设置天线下倾角，即完成了工参设置。测试结果如图5及图6所示。

从图5中可以看出，通过波束宽度优化后，站点1、3、5的近点零点问题明显改善，零点处覆盖提升5～7 dB，优化站点线路平均RSRP提升3～4 dB。结果符合预期，由此可以证明波束宽度调整对不同站点类型连续覆盖需求的积极意义。

图5 传统7°波宽模式与优化波宽模式测试结果对比

从图6中可以看出，所有站点波束宽度均调整为13°后，在原本需要调宽垂直波束宽度的1、3、5站点，性能依然有所提升，但是在不需要调宽垂直波束宽度的2、4、6站点，性能出现下降，这是由于展宽垂直波宽导致增益降低导致的，由此也说明了波束宽度并非越宽越好，而是要根据站点差异性，针对性优化调整。

图6 传统7°波宽模式与垂直13°宽波束模式测试结果对比

通过外场的实测验证可以看出，3D智能高铁方案可以根据站址工参灵活调整天线的等效垂直波宽，从而有效缓解垂直零点的问题，同时保持了传统垂直窄波束天线的增益优势，因此在发挥天线覆盖能力的同时消除零点问题，使得覆盖更加均匀。

3 结束语

本文通过建立高铁线型场景三维覆盖模型，剖析了水平和垂直覆盖零点的本质，进而提出高铁天线波束形态适配不同站点类型连续覆盖需求的理论，并设计了3D智能高铁天线方案及波束调整方法，通过外场测试验证了该理论的正确性。本文提出的方案可发挥天线最大增益性能，避免为保证近点覆盖压低下倾角导致的站间距收缩问题，方案在其他公路大桥等线型场景中同样适用，具有广泛的应用价值。