一种网络规划中天线参数取值方法的研究

梁高光，温正阳，戚帆，李伟然

（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司, 石家庄 050021）

1 引言

LTE是近年来通信技术的热点之一，随着LTE运营牌照的发放，各大运营商正在如火如荼地建设LTE网络。LTE网络是一个全新的通信网络，网络规划的质量决定了将来的网络运营效果，因此网络规划的重要性不言而喻。

网络规划中一个重要的方面是天线的参数设置，主要包括天线的挂高、方位角和下倾角3个要素。按照蜂窝移动通信理论，所有的基站应该是覆盖相同面积的正六边形区域。但由于实际条件的限制，通信网络的结构不是标准的蜂窝结构，各个基站的差异性比较大。这些因素导致天线的设置不可能按照统一参数配置，必须根据各个基站的具体情况加以处理。传统的网络规划一般将所有基站天线采用同一个初始的参数，在此基础上根据仿真结果逐站进行优化处理，这种做法耗费较多的时间和计算资源。

鉴于传统方法的弊端，本文提出一种基于基站位置信息的计算基站天线参数的方法。该方法通过计算基站与相邻基站的位置关系，采用公式计算的方法设置天线的各个参数。从而将整个规划区内的覆盖问题转化成局部地区单一基站的覆盖问题，再将此过程应用于所有基站达到将整个网络结构优化的目的。相比传统的规划方法，论文提出的方法不仅省时省力，而且具有较高的精准，可控性良好。既能够保证区域内的覆盖效果，又能有效地控制小区间的干扰问题。

2 理论分析

本章详细介绍了天线参数的计算过程。主要分为两个步骤，第一步是寻找目标基站的3个相邻基站并且计算出相对于目标基站的具体方位角度和距离，第二步是根据相邻基站的信息计算出的天线各个参数。

2.1 相邻基站定位

网络规划中一般都以经纬度标志基站的地理位置，通过经纬度可以计算任意两站之间的距离。现在已经有较多的可以实现距离计算的公式，其中比较精准一种如公式（1）所示：

公式中，R为地球半径，一般取6 378 km；x0、y0、 x1、y1分别为两个基站的经纬度。

对于目标基站而言，通过循环使用公式（1）可以得到与其他任何基站的距离。其次，要判定相邻基站的方向，需要采用如下公式：

公式（2）中λ表示相邻基站的相对方向，x0、y0为目标基站的经纬度，x1、y1为相邻基站的经纬度。

相邻基站的关系就是记录3个不同扇区方向的最近基站的距离和方向。由公式（1）和公式（2）可以得到其他所有基站的距离和方向，然后从这些基站中找出3个相邻基站。实现方法是循环检查3个备选相邻基站是否存在于同一扇区内，判定方法为与中心基站做直线连接，两个夹角不超过90°则认为在同一扇区内。首先采用最近的3个基站作为备选相邻基站进行判定，如存在于同一扇区内则继续寻找次近基站替换同一扇区内较远基站。对新的备选相邻基站再次进行判定，以此类推。最终得到目标基站的相邻基站。

此外，有一些边界基站只有一个或两个相邻基站，需要特殊对待。

2.2 天线挂高计算

为达到网络覆盖要求同时避免基站越区覆盖造成干扰，基站天线的挂高需要根据基站站间距进行设置。天线的挂高没有准确的计算公式，但根据仿真和测试经验可以有一些参考数值，根据覆盖场景的不同可以有几种不同的挂高范围。根据电磁波传播衰减模型，LTE在密集城区的覆盖半径约为300～400 m，天线挂高设置在30～35 m左右；在郊区及县城的覆盖半径可达500 m以上，天线挂高可在密集城区的基础上适当增加5 m左右为宜。

受到实际条件的限制，天线挂高大多不能够设置在理想的位置。多数情况下基站选址完成后天线的挂高可调整范围很小。因此，通常在规划中一般不对天线挂高进行调整，而是将挂高控制在一定的范围之内即可。市区一般不低于20 m，最高不超过50 m。本文的方法只对挂高进行检查而不做改变。

2.3 天线方位角计算

天线的另一个重要参数是天线的方位角。现代蜂窝基站一般采用定向天线分3个小区进行覆盖，3个天线主瓣所指向的方向即为该小区的方位角。方位角决定该小区的覆盖范围，因此合理设置方位角非常重要。

关于天线方位角的设置，有几个重要的原则：一是所有小区应能够将基站的覆盖区域全部包括；二是避免同基站之间小区干扰，3个小区之间必须保证60°以上的夹角。另外，为避免相邻基站干扰和保证覆盖，方位角设置应使小区相邻基站方向错开，避免相互对打。

在2.1节中已经计算出目标基站在3个不同方向上的相邻基站距离和角度，由此可以根据上述几种原则确定目标基站3个天线的方位角。计算方法为将相邻基站的角度两两取平均值即可，公式如下：

公式（3）中λ1、λ2、λ3分别是3个相邻基站的相对角度；α1、α2、α3分别为目标基站的3个方位角。

另外，如果α1计算结果为负数，则将该值加上360°作为α3，另外两个角度依次上延作为α1、α2。

2.4 天线下倾角计算

最后一个参数是天线下倾角，也是网络结构中最重要的参数。合理的下倾角可以控制基站的覆盖范围，增大基站站的覆盖区域的信号强度，同时减少与相邻小区的干扰。

关于下倾角，计算公式如下：

公式（4）的计算是将天线的上半功率波瓣对准小区边缘时所得到的，这样保证小区内的都能够在天线半功率角内。其中h为发射天高度；R为小区的覆盖半径；θ0.5为垂直平面内的半功率波瓣宽度。

根据2.1节计算出的相邻基站数据，可以得出3个小区的覆盖半径R。小区的覆盖半径R应为与同一方向相邻基站距离的1/2多一点，具体参数可根据具体情况进行适当调整。再由公式（4）可以计算出该小区天线的下倾角。

2.5 小结

本章中详细介绍了天线参数的计算过程，通过简单的公式计算可以精准地计算出来。另外，通过大量的仿真和测试验证，有一些较为普遍的参数可以采用，这样可以更进一步简化参数设置的过程，避免了公式计算。但基本原理还是基于基站的邻区关系。经验参数如表1所示。

表1 天线设参数经验值

3 仿真验证

网络规划工作常借助于网络规划仿真软件，这些软件一般都支持地理信息的导入，能够模拟电磁波的传播并显示基站的覆盖效果图。本文采用的ANPOP仿真软件，通过对比传统方式和本文中的方法两种天线参数设置方法的仿真结果进行理论验证。

3.1 仿真原理介绍

论文提出的方法采用某城市的LTE规划进行仿真验证。城市规划区面积约为20 km2，采用F频段进行覆盖。按照初步规划采用了102个基站，306个小区进行仿真。

对比方案采用传统方法，将基站天线统一设置方位角和下倾角，3个方位角设置为60°/180°/300°，下倾角设置为10°。采用ANPOP软件进行仿真，结果作为对比依据。

实验方案按照论文提出的方法进行方位角和下倾角的设置。其他仿真参数与传统方法的设置完全一样，进行第二次仿真。

3.2 仿真数据对比

LTE仿真中主要的两个指标是参考接收信号功率RSRP和信噪比SINR。其中RSRP是衡量基站覆盖信号强弱的标志，而SINR是衡量各个基站之间干扰水平的标志。

两种仿真方案的结果对比如图1和图2所示，左侧为对比方案仿真结果，右侧为实验方案仿真结果。

图1 RSRP仿真结果对比

图2 SINR仿真结果对比

从规划区内找到典型的区域进行分析，可以看到对比方案明显存在覆盖盲区干扰情况，如图3所示。

图3 典型区域对比

从仿真结果可以看出，传统天线参数设置方法由于没有考虑与相邻基站的位置关系而采用统一的参数设置，最终导致一些区域出现弱覆盖或无覆盖的情况，信号较差；而另一些区域基站越区覆盖，干扰严重。采用论文提出的方法进行天线参数设置可以有效的避免上述两种情况。整体效果上明显优于传统设置方法。

4 结论

论文提出了一种LTE网络规划中天线参数的设置方法，采用了基于地理位置分析周边基站关系的方法确定基站天线参数。论文细致地阐述了天线各个参数的计算方法，并通过实际案例进行操作和验证，采用该方法实现了很好的效果。该方法可以实现快速的规划和优化，节省大量时间和计算资源。本文提出的方法对于仿真有很大帮助，同时也可以指导实际建站方案。网络优化中也能够起到实际作用。论文中天线参数的具体计算公式需要根据具体场景进行优化和论证，但基本方法值得肯定。

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