透镜天线在居民小区的应用探讨*

查 昊，朱巧玉

（1.中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019；2.中国联合网络通信有限公司江苏省分公司，江苏 南京 210019）

0 引言

随着4G 和5G 移动通信技术的普及与业务迭代发展，大型城市的虹吸效应越来越强，以及城市区域的不断扩大，居民住宅小区的数量持续增多，居民对于移动网络的需求日益增强，而小区楼宇的覆盖场景日益复杂，仅依赖室外射灯天线的覆盖方式无法达到预期效果。而采用传统的楼内分布式天线系统（Distributed Antenna System，DAS）覆盖技术，总拥有成本（Total Cost of Ownership，TCO）居高不下。在确保网络性能的前提下，如何对居民住宅小区进行有效的覆盖建设，已成为当前运营商关注的核心问题[1]。

在网络规划、建设和优化的长期过程中，由于地理位置和无线环境因素的影响，如传统天线覆盖能力的有限性等因素，现网中长期存在难以解决的弱覆盖问题[2]。特别是在通信场景中占据重要地位的城区，网络结构的不断完善使得深度覆盖问题成为当前通信领域最重要的挑战之一。为此，本文将探讨透镜天线在相同测试条件下，在环境复杂的小区场景中，能否实现对传统射灯天线更有效、更有深度的区域覆盖，从而为解决现网中的疑难问题提供一种可选择的深度覆盖方案。

1 透镜天线原理及产品介绍

本文讨论的透镜是当前广泛应用的Luneburg 透镜。Luneburg 透镜天线因其特有的径向折射率分布结构，可以将天线的球面波转换为平面波，进而精确控制天线的波束方向[3-5]。

具体而言，天线位于Luneburg 透镜的焦点位置，其发出的球面波进入透镜区域后，依据折射定律，会向透镜中心高折射率的区域折射，透镜的折射率则从中心向外逐渐降低[6-7]。这种梯度分布的透镜能够将各个方向的球面波转换为具有相同特性的平面波，进而从透镜表面射出的电磁波形成很窄的平面波束。这种结构不仅避免了天线测向错误，还使得天线能够准确指向目标方向。此外，这种折射率结构还可以让Luneburg 透镜天线具有较高的增益[8-9]。相比之下，普通天线的波束较宽，且具有一定的曲率。因此，Luneburg 透镜天线能够形成指向性强且宽度较窄的平面波束。

利用Luneburg 透镜天线的这些特点，可以形成多波束天线和赋形天线。利用Luneburg 透镜天线形成的多波束天线的特点有：端口隔离度高，方向图边缘滚降陡，水平旁瓣低，波束间干扰小；易于实现立体多波束；所有波束的增益一致，覆盖更均匀；天线损耗小，效率高；水平波束指向在整个频段内固定不变；每个单元形成一个波束，设计简单，天线可靠性高，重量轻；特别适合场馆、车站、广场、高校和应急通信车等场景。常规板状天多波束天线与透镜多波束天线的方向图对比如图1 所示[10]。

图1 常规板状天多波束天线与透镜多波束天线方向图对比

利用Luneburg 透镜天线形成的赋形天线的特点有：易实现特殊场景覆盖的赋形方向图；馈电网络简单，天线整体损耗小、效率高；天线体积小、重量轻；特别适用于高铁、高速公路、体育馆等特殊场景覆盖。透镜赋形天线场馆覆盖示例如图2 所示[10]。

图2 透镜赋形天线场馆覆盖示例

2 透镜天线居民小区场景验证

在3 种类型的典型住宅小区场景下，对新老天线的替换进行深入的测试研究，旨在全面评估网络覆盖的全貌和天线性能的优劣。

2.1 场景1：低层覆盖高层楼宇

2.1.1 测试概述

在某小区的1#栋25F（高度约为75 m），对其对面的2#栋32F（高度约为96 m）的高楼层区域进行覆盖。两栋楼之间的距离在50 m 左右。原先的设计方案采用了2.1 GHz，双发双收（Two Transmit Two Receive，2T2R）的远程射频单元（Remote Radio Unit，RRU），其TX1/RX1 端口与电梯分布系统相连。而TX2/RX2 端口则通过两个功分器分出，接上射频缆线，并外接了4 副单极化普通射灯天线，每两副天线覆盖一个单元。这个场景主要是验证RRU 连接单极化射灯天线对密集高层小区的穿透能力。由于楼宇之间的落差较大且结构复杂，计划将2 个单极化射灯天线3 和4 替换为一面垂直双波束透镜天线，以覆盖2#栋的2 单元。本文将在相同的站址环境下，对比两种天线的覆盖效果。具体的实施过程如图3 和图4所示。

图3 低层打高层原射灯天线覆盖

图4 1#栋替换透镜天线

2.1.2 测试比对及评估

本节将对比分析低层覆盖高层楼宇的场景下，射灯天线与Luneburg 透镜天线的性能差异。以下是表1 的内容，它详细列出了在不同楼层测试位置的网络性能指标，包括物理小区ID（Physical Cell Identities，PCI）占比、平均参考信号接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP）、平均信干噪比（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio，SINR）及覆盖率等，以便于评估天线在实际应用中的表现。其中，PCI 占比表示在特定区域内，PCI信号覆盖的百分比，RSRP 衡量接收到的信号强度。SINR 衡量信号质量，覆盖率表示信号强度超过特定阈值（例如，-105 dBm，3 dB）的区域百分比。

表1 低层打高层射灯天线与透镜天线指标对比

经观察，2F、3F、20F 在替代PCI 占比指标后，其结果反而较之前有所下降，与此同时，1F 的RSRP和SINR与替换前相比也有所不足，这种情况可以通过后期的优化策略进行改善。整体而言，透镜天线和射灯天线的波束指向性和高增益特性在本案例中得到了更加充分的体现。具体的指标提升情况如下文所述。

（1）替换小区PCI 占比由45.95% 提升到57.52%，提升了11.56%。

（2）平均RSRP指标由-101.64 dBm 提升至-97.59 dBm，提升了4.05 dB。

（3）平均SINR指标由11.89 dB 提升至14.04 dB，提升了2.15 dB。

（4）覆盖率（RSRP＞-105，SINR＞-3）由65.41%提升至91.52%，提升了26.11%。

2.2 场景2：高层覆盖低层区域

2.2.1 测试概述

本文选择了某小区74#栋18F（层高55 m）的楼宇作为天线安装地点，目标是覆盖对面的低层别墅区域。原先的方案是使用2.1 GHz 2T2R RRU 外接隐蔽天线进行覆盖，这一场景被视为城区高层覆盖低层区域的典型。本文的目标是验证天线定点覆盖效果，观察是否存在越区覆盖，由于低层建筑之间的密集性及楼宇结构的复杂性，这个问题显得尤为重要。因此，计划替换原先的2 面垂直双波束透镜（使用1 个波束）和1 面射灯天线进行比对。具体的实施方案如图5 和图6 所示。

图5 透镜天线高层覆盖低层测试区域

图6 透镜天线单波束连接

2.2.2 测试比对及评估

本节将对比分析低层覆盖高层楼宇的场景下，射灯天线与Luneburg 透镜天线的性能差异。以下是表2 的内容，它详细列出了在不同楼层测试位置的网络性能指标，包括PCI 占比、平均RSRP、平均SINR 以及覆盖率等，以便于评估天线在实际应用中的表现。表2 中，SINR 未填写处为邻区覆盖体现，隐蔽天线为内置下倾角，其余测试指标一栏填写度数为预设下倾角。

表2 高层覆盖低层隐蔽天线、射灯天线、透镜天线指标对比

别墅小区室外道路的实测数据已证明前两款天线均为垂直大张角双极化天线。在测试过程中，测试区域的道路环境空旷无遮挡，因此整体覆盖性能优异。经过调整透镜天线的下倾角，单波束透镜天线强大的波束指向性得到了验证，这有助于更好地控制其覆盖范围，防止出现越区覆盖。

2.3 场景3：高层覆盖低层区域

2.3.1 测试概述

选择小区9#栋28F（85 m）楼层，对应对面的10#栋28F（85 m）高楼区域，楼间距达到50 m。原先的解决方案包括采用3.5 GHz 2T2R RRU 通过馈线连接65°垂直波束宽度双极化射灯天线，用以覆盖1 单元的范围。相似地，该场景也可视为密集高层小区穿透能力验证的例证，楼宇结构同样复杂。为了提升覆盖效果，这次计划更换为使用1 面垂直双波束透镜天线覆盖1 单元，对比两者的覆盖效果。具体实施情况如图7 和图8 所示。

图7 同楼层覆盖原射灯天线覆盖示意

图8 9#栋替换透镜天线示意

2.3.2 测试比对及评估

本节通过对比测试，评估了在同楼层覆盖场景下，射灯天线与Luneburg 透镜天线的性能差异。表3详细列出了在不同楼层测试位置的网络性能指标，包括PCI 占比、平均RSRP、平均SINR 以及覆盖率等，以便于分析和比较两种天线在实际应用中的表现。

表3 同楼层覆盖射灯天线与透镜天线指标对比

由表3 可知，在同一楼层的覆盖区域，替换后的网络性能指标显著改善，具体表现如下文所述。

（1）替换小区PCI 占比指标由52.79%提升到71.74%，提升了18.95%。

（2）平均RSRP指标由−101.59 dBm 提升到-89.62 dBm，提升了14.58 dB。

（3）平均SINR指标由5.77 dB，提升到14.58 dB，提升了8.82 dB。

（4）覆盖率（RSRP＞-105，SINR＞-3）由62.07%提升至93.45%，提升了31.38%。

3 应用场景分析

通过本次试点验证，归纳总结居民小区可用透镜天线的场景，具体如表4 所示。

表4 透镜天线深度覆盖方式

3 类场景中，透镜天线利用其波束方向性、信号穿透性强且稳定的特性，以及单波束波瓣窄且易于控制覆盖范围、支持频宽丰富、频谱利用率高等优点，有效地解决了小区深度覆盖问题。然而，也需要关注透镜天线成本较高（约为射灯天线的10倍）、机械扫描难度较大、对准确度要求较高等不足。因此，不建议对原有小区的射灯天线进行大规模的替换，建议针对高负荷、高价值小区及区域，采用透镜天线与射灯天线相结合的方案，以实现用户体验与成本投入的最佳匹配。

4 结语

本文通过实地测试，证实了Luneburg 透镜天线在提升居民小区网络覆盖质量方面的显著效果。透镜天线的引入，有效提高了网络的PCI 占比、RSRP 和SINR 平均值，以及整体覆盖率，为运营商提供了一种有效的深度覆盖解决方案。尽管透镜天线的成本和安装维护要求较高，但其在提升用户体验和网络性能方面的长期价值不容忽视。未来，随着技术的进一步成熟和成本的降低，透镜天线有望在更广泛的通信网络部署中发挥重要作用。