高层建筑覆盖新型天线的应用及其分析＊

董健，李晓明，王超，王荣军

（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，石家庄 050011）

1 引言

随着TD-LTE建设的深入开展及城市化进程的加快，原有方式解决高层楼宇覆盖问题效果欠佳，楼宇内客厅卧室等部分区域时常出现用户体验较差的情况，带来网络投诉。中国移动设计院勇于创新，深入研究天线结构及技术化解网络难题，研制出水平覆盖较宽、垂直覆盖可调节的新型天线，既可达到室分天线覆盖效果，又可弥补现有射灯天线易产生外泄的不足。该新型智能天线，也称为层层通天线，晓明天线，是一种新型八通道智能天线，具有垂直方向赋形能力。可以根据不同覆盖需求（各种高层楼宇和重点用户），配置合理的天线参数，半功率30°～90°可调节。前期已在多个省市移动公司进行了试点应用，实现了6层住宅楼、13层党政办公楼、30层居民住宅楼（100 m左右）、35层写字楼（125 m）等各种高度楼宇的有效覆盖。

2 新型天线的研制思路及技术特点

2.1 采用针对楼宇小区的覆盖思路

将传统“地表平面覆盖”思路转变为以楼体为单位的“三维空间立体覆盖”思路，每个楼体即为一个小区，称作楼体小区。以楼体高度（底层与顶层）和宽度（最左边与最右边）作为该楼体小区的覆盖边缘，以该楼体的高度作为垂直面广播波束预置条件和扫描区域，以楼体宽度作为波束水平面宽度要求，并严格控制对外干扰，匹配实际场景需要，实现以最少数量天线系统实现针对性精确覆盖，适应各种高层建筑覆盖需求。

2.2 提出一种覆盖能力可调节的智能天线

振子的谐振方向保持不变，例如保持垂直极化或者双极化，横向构成多行阵元，而纵向为多列可调间距的结构。在垂直方向上，针对覆盖楼体高度配置匹配的广播波束权值实现精确覆盖，和利用互易传播关系实现业务波束在垂直面不同楼层间跟踪用户的通信方式。在水平方向上，可通过改变纵向多列振子间预置相位和机械进行微调间距的结构获得不同的水平面波束宽度，达到覆盖楼体宽度的要求。同时，本技术所研制天线辐射电磁波充分利用楼体小区中，楼板的纵向空间隔离效应，提高纵向空间抗干扰能力、复用效率和系统容量，降低能耗的目的。利用电磁波的隧道传播效应获得楼层内的最大传播深度。由于主波瓣控制采取精确化方式，结合在天线设计中采取了旁瓣抑制的相关技术，可保障对楼宇外侧的泄漏干扰最小化。

2.3 产品系列化满足多样性需求

根据应用场景特点，该新型智能天线已有多款，以满足各种应用场景需要。第一种为单4G型号，通过压缩阵元尺寸，使天线的整体尺寸大大减小，仅是一般天线的1/3大小尺寸，适宜选站，降低安装难度，提高功效，提高周围物业认可度。第二种为太阳能板美化型，为采用利用太阳能板外型的美化天线思路。第三种为射灯外罩美化天线，为采用利用射灯外型的美化天线思路。第四种为支持多系统型，该天线集成了2G/4G振子，采用集束电缆，实现了一个天面实现2G/3G/4G多系统的的覆盖，可节约天面资源，满足部分LTE弱覆盖的区域对2G的需求也同样强烈，而单LTE系统无法一次性解决的问题。第五种为全向灯杆型，适用于小区内部。

2.4 充分发挥广播波束权值调整技术

新型天线其垂直方向半功率角可配置成30°～90°。通过天线模型生成对应的方向图，或者通过微波暗室测试结果方向图，可供不同场景选择需要，选择合适的权值时，结合勘察情况给出初始配置权值，并结合现场测试情况，进行调整。假定50 m的楼间距，采用90°权值，向上的覆盖高层能力为H=50×tan(90/2)=50 m，若天线挂高在楼宇中间位置，其可以覆盖100 m高度的楼宇。可以看出，此天线在垂直方向上具有很强的覆盖能力。同时，此天线广播波束水平面波束宽度20°～30°，可满足一般楼体水平覆盖要求。针对不同的高层楼宇，规划和设计合理的广播波束赋形可以充分发挥智能天线的优势。

2.5 提供网优服务产品

依托上述的新型天线，形成了一种室外覆盖室内的低成本、低工程量、易协调的覆盖方法，提供一种网优服务产品，图1给出了技术方案示意图。该项目的推广不仅改善了网络覆盖，同时也在加深各地市TD-LTE网络维护人员对智能天线权值的理解，提升运营商网络维护、优化水平与能力。

图1 技术方案示意图

3 新型天线适用场景与应用效果

典型场景1：32层楼宇，附近底商安装单4G型层层通实现“低打高”的覆盖形式，如图2所示。

典型场景2：32层楼宇，楼顶安装射灯型层层通实现“高打低”的覆盖形式，如图3所示。

典型场景3：高山景区或滑雪场等有需求场景，可安装层层通实现“低打高”的覆盖形式。

图2 某楼宇应用效果（左图：楼宇外观；右图：31层入户RSRP）

图3 某楼宇应用效果（左图：楼宇外观；右图：8层入户RSRP)

该新型天线曾参展中国移动全球合作伙伴大会，并入选中国移动2017年4G无线网建设指导意见，并在辽宁、河北、内蒙古、宁夏、青海、甘肃、云南、新疆、山西、贵州、山东、天津、湖北、福建等省市得到了现网应用。

多地测试结果中，整楼公共区域（如楼道、电梯前等公共区域），RSRP通常可提升15.1 dB，SINR提升13.3 dB，平均RSRP可达-94.7 dBm，SINR可达9.4 dB，速率平均提升30.3 Mbit/s，提升效果显著。LTE室分覆盖目标为室内分布的覆盖区域内满足RSRP＞-105 dBm的概率大于95%，SINR＞6 dB的概率大于95%。由于上述测试结果为公共区域，RSRP与上述标准相差一面墙或门的衰减（10-15 dB），可以推断本方案满足无线宽带的接入设计要求。

4 小结

针对当前高层建筑室内TD-LTE深度覆盖不足的问题，本文研制出新型天线，并结合广播波束赋形技术，实现了各种高度的高层楼宇、山区道路等区域的有效覆盖。结果表明该方案可作为高层楼宇和重点用户深度覆盖的一种技术手段，具有成本低、建设周期短，兼容性好等特点。

[1] 李晓明，董健, 等. 一种适合高层建筑密集区域覆盖的智能天线[J]. 电信工程技术与标准化, 2012(5).

[2] 董健，李晓明, 等，一种低成本易协调LTE高层住宅覆盖解决方案[J]. 电信工程技术与标准化, 2015(12).

[3] 董健，李晓明, 等. 一种楼宇高度自适应的TD-LTE深度覆盖解决方案[J]. 移动通信，2016(7).