基于MATLAB的LTE智能天线广播波束仿真与权值优化

汪 鹏 张德树 吉洪武

中国移动通信集团天津有限公司

0 引言

TD-LTE网络普遍采用的8通道智能天线，作为一种阵元系统，智能天线可以通过改变各天线阵元的激励（即权值，包含幅值及相位）实现天线波束赋形。天线波束赋形又可进一步划分为业务波束赋形（自适应波束赋形）和广播波束赋形。

LTE网络中，小区参考信号（CRS）采用广播波束赋形，小区参考信号用于小区选择、重选、切换等下行信号质量评估，其覆盖性能决定着小区的有效辐射范围。LTE系统中，广播波束赋形采用预制权值方式，通过对智能天线阵列施加特定的幅度和相位激励，形成扇区广播波束覆盖的辐射方向图。优化广播波束权值设置，可控制广播波束的辐射方向图，降低小区间干扰、实现系统信干比的最优化。

本文主要通过对LTE智能天线广播波束覆盖方向性进行分析，借助MATLAB强大的数值计算能力及绘图功能实现LTE天线辐射方向仿真，结合现网天线权值设置进行优化，实现覆盖范围、覆盖质量的最优化设置。

1 LTE智能天线阵方向图分析及MATLAB仿真

1.1 LTE智能天线阵方向图分析

智能天线是N列取向相同的天线按照一定方式排列和激励，利用波的干涉原理形成预定波束的陈列结构天线。其中4+4双极化天线是TD-LTE网络中普遍采用的一种典型8通道天线，其天线阵布放示意图如下所示。

图1 4+4 交叉极化智能天线

以4+4双极化天线某一极化方向为例，其在单个极化方向上构成4阵列等距直线天线阵。设阵列间隔为d，则时域上阵元n（n取值1、2、3或4）与阵元1的相位差为：k×(n-1)×d×cosθ (其中 k=2π/λ)。

图2 TD-LTE智能天线阵列示意图

设天线各阵列空间取向一致，单个阵列最大电流振幅为I，各阵列初始幅值激励分别为m1、m2、m3、m4、初始激励相位分别为ϕ1、ϕ2、ϕ3、ϕ4，则某一阵列电流In表示为：

天线各阵列在H面的方向性函数相同，以阵列1为参考天线，设E1m为不考虑激励阵列1最大电场场强，则设置权值激励后阵列1、阵列n在远场产生的场强分别表示为：

根据电磁场叠加原理，观测点总电场矢量E如下：

以阵列1为参考天线，则LTE智能天线方向性函数可表示为：

设：

对于4阵列LTE智能天线，f1（θ）为元因子，只与阵元天线的结构与架设方位有关，与权值激励无关；fa（θ）为阵因子，取决于阵列间的相对位置（阵列方式）以及幅值及相位激励设置，与元天线无关。本文主要讨论不同权值设置对阵因子影响。

1.2 LTE智能天线阵方向图的MATLAB仿真

LTE现网智能天线权值配置通常采用天线厂家建议权值配置，权值幅度值多采用有损配置方式（部分端口幅度激励不为1）。有损配置方式会引起波束权值损耗，使得实际天线广播波束增益降低2.5-4dB，导致小区覆盖范围的减少。

MATLAB是美国MathWords公司开发的建立在向量、数组和矩阵基础上的一种分析和仿真软件包，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。基于MATLAB可方便实现天线波束辐射方向图仿真计算以及数据可视化图形化呈现。

为解决传统有损天线权值影响小区有效覆盖范围的问题，建议对LTE智能天线采用无损权值配置方式，同时基于MATLAB编程实现阵列天线方向图仿真计算与绘制，直观实现有损与无损权值配置下智能天线广播波束辐射情况对比，为现网推广应用提供参考。下表为现网常用的LTE F频段及D频段有损及无损权值配置参数：

表1 TD-LTE F频段智能天线权值配置

表2 TD-LTE D频段智能天线权值配置

根据公式7，利用MATLAB程序可以绘制出LTE智能天线在不同权值配置下其广播波束阵因子方向图。

图3 F频段智能天线有损权值与无损权值阵因子方向图对比

图4 D频段智能天线有损权值与无损权值阵因子方向图对比

如上图所示，根据MATLAB仿真对比分析，在F频段（1.9GHz）及D频段（2.6GHz），LTE智能天线在无损权值配置下，其阵因子方向图增益均明显优于有损权值配置。为此计划将MATLAB仿真结果推广现网于LTE现网小区，通过对LTE现网小区应用无损广播权值配置，进一步分析理论仿真与现网实际应用结果对比，验证权值优化对LTE单小区有效覆盖范围增强效果。

2 基于权值归一化调整效果分析

2.1 F频段智能天线权值归一化效果对比

选取爱尚宝峰F-1小区开展有损及无损权值调整扫频对比试验，该小区天线方向角70度、下倾角10度，其不同权值配置下扫频覆盖RSRP电平分布图如下：

图5 F频段智能天线不同权值配置下扫频覆盖对比

表3 F频段智能天线不同权值配置下扫频采样分布

根据图5所示，对比扫频覆盖效果，在该小区天线主瓣覆盖方向（如图中圈示），无损权值配置下覆盖效果明显优于有损权值配置。根据周边道路锁小区扫频采样点分析，无损权值配置其平均RSRP电平为-86.56dBm，有损权值配置下平均RSRP电平为-89.13dBm，无损权值归一化后平均覆盖电平提升2.57dB。

2.2 D频段智能天线权值归一化效果对比

选取沧江道D-3小区开展有损及无损权值调整扫频试验，该小区天线方向角300度、下倾角12度，其不同权值配置下扫频覆盖RSRP电平分布图如下：

图6 D频段智能天线不同权值配置下扫频覆盖对比

表4 D频段智能天线不同权值配置下扫频采样分布

根据图6所示，对比扫频覆盖效果，在该小区天线主瓣覆盖方向（如图中圈示），无损权值配置下覆盖效果明显优于有损权值配置。根据周边道路锁小区扫频采样点分析，无损权值配置其平均RSRP电平为-96.02dBm，有损权值配置下平均RSRP电平为-99.70dBm，无损权值归一化后平均覆盖电平提升3.68dB。

3 天线权值归一化效果分析

根据MATLAB仿真以及F频段及D频段小区扫频效果对比，无损权值设置下小区有效覆盖范围、平均覆盖电平均有提升。基于以上分析，在塘沽网格54下完成天线权值归一化推广，效果对比如下：

表5 无损权值归一化推广效果对比

根据对比，无损权值归一化实施后，统计日均数据流量、日均RRC均有增长，同时路测LTE覆盖率、平均RSRP覆盖电平以及SINR等指标有不同程度改善，整体推广效果良好。

4 结束语

本文通过对TD-LTE现网8通道智能天线权值对阵因子辐射方向图的影响分析得出，有损权值因幅度激励不为1导致广播波束覆盖增益下降，影响小区有效覆盖范围。通过MATLAB仿真直观验证了有损与无损权值对广播波束增益的影响，与理论分析相吻合。

通过对现网F频段、D频段单小区LTE智能天线配置无损广播权值，对比扫频数据分析，其单小区平均RSRP覆盖电平提升约2.5～3.5dB。进一步将无损权值配置推广在网格簇区域内全部小区，无损权值配置下网络质量在路测覆盖率、覆盖电平、流量吸收等方面均有不同程度提升。通过广播权值配置优化实现了LTE网络的覆盖性能、网络质量的有效提升，达到了预期效果。