多频多波束龙伯透镜天线在海域覆盖场景下的应用

郑洪振，高黎明

（佛山市粤海信通讯有限公司，广东 广州 528132）

0 海域无线通信的覆盖距离

无线电波在海平面传播时，传播信号主要有通过空间传播的直达波和经过海面反射的反射波。由于传播损耗很小，信号可以传播到很远的地方，此时，地球表面不能再看作是平面，而应看作球面，需要考虑地球曲率对信号传播的影响。另外，处于传播路径上的岛屿等也会对信号传播产生阴影效应，因此总体上无线传播环境与农村开阔地近似。根据Jhong Sam Lee 和Leonard E.Miller 的观点，在超高频和甚高频频段无线电波地对地传播模型中，地球对电波传播影响的大小取决于传播路径的长短。传播路径越长，影响越大，反之则越小[3]。无线视距与基站天线高度和移动台天线高度密切相关，其关系如图1 所示。

图1 视距覆盖示意图

如图1 所示，R0为地球半径；HT为基站天线挂高，HR为移动台天线挂高，则视距d（m）可由式(1)表示：

由于R0>>HT，且R0>>HR，所以式(1)可以简化为式(2)：

考虑地球半径R0=6 370 km，由式(2)可得：

由于空气的压力、温度、湿度随着高度而变化，介电常数也随高度的增加而减小。由于高空中空气稀薄，介电常数随高度的增加而逐渐趋于1，这使得无线电波在对流层中的传播轨迹不是直线而是沿地球曲率方向的曲线，即无线电波在对流层中传播时出现折射。在标准大气折射下，修正后得到的视距公式为：

其中，HT为基站天线挂高，单位为m；HR为移动台高度，单位为m；d为基站覆盖半径，单位为km。

对于海面覆盖，由于无线电波传输的损耗很小，因此无线信号传播距离很远。此时还需考虑地球曲率对海面传播的影响，不能继续把海面视作平面。如图2 所示：

图2 地球曲率影响

如图2 所示，可以将海面传播环境按距离分为A、B、C 三段。

A 段：从基站到基站可视为点到点，距离设为d1；

B 段：从基站可视点到基站和终端合并可视点之间距离设为d2；

C 段：超过基站和终端合并可视点的地球阴影区域。相当于地球曲率增大到原来的4/3，这样，就相当于在一个半径为Re=6375×4/3=8 500 km 的球体上进行的直线传播。

经过分析，A 段的长度d1（km）与天线挂高H（m）的关系为：。

同样，B 段的长度d2（km）与终端的天线挂高Hr（m）的关系为：。

由于d=d1+d2为等效球体上直线可视的距离，这部分称为视距。

为了得到更远的覆盖，需要使天线的挂高尽量高。但若天线挂高太高，会造成基站的越区覆盖和邻近小区的导频污染，因此沿海覆盖时必须考虑天线挂高的问题。视距与天线挂高的关系，如表1 所示。

表1 天线挂高与覆盖距离关系

1 多频多波束龙伯透镜天线实现海域广覆盖技术方案设计

1.1 龙伯透镜原理

龙伯透镜天线最早是由RK-Luneberg 于20 世纪40 年代根据几何光学法提出的，它是一种球对称的介质透镜天线，是由一个介电常数连续变化的电介质球体构成的[2]，如图3 所示。介质球内的相对介电常数沿球体半径呈球对称分布，由于龙伯透镜在结构上完全对称，因此，在其表面上任意一点放置馈源，都可以形成高增益定向波束，非常适合多频多波束天线设计。

图3 龙伯透镜原理

1.2 龙伯透镜天线与板状天线性能对比

龙伯透镜天线支持超宽频率范围，可广泛应用于大规模应急通信保障、网络大容量扩容改造及5G 移动通信大容量、高话务场景。与现网使用的海域覆盖天线相比，龙伯透镜天线具有以下几个性能特点：

（1）龙伯透镜天线可以支持0.5—2.7 GHz 频段，基本涵盖了当前所使用的全部频段，例如4G 的D/E/F 等频段，同时也支持5G 当前所使用的2.6 G 频段。

（2）在1 710 MHz 频率，垂直波束3 dB 瓣宽接近18°，远大于传统天线（15 dBi 板状天线典型值7°）。垂直波束很宽因此可以得到良好的站下覆盖效果，深度覆盖效果更加理想。

（3）球形龙伯透镜天线垂直波宽、交叉极化比对比传统板状天线有明显优势。

（4）同等体积下龙伯透镜天线更容易构成更多数量及维度的多波束。

对于海域覆盖，不仅需要做到对海面的连续覆盖和深度覆盖，有时候还需要考虑重点区域的覆盖，如旅游景区、港口、捕鱼作业区、海产养殖区、油井的覆盖等。这些区域不仅需要解决覆盖率的问题，还需要保证有足够的话务容量和话音质量。透镜天线和现网海域覆盖天线的比较如表2 所示。

表2 透镜天线和现网海域覆盖天线性能比较

1.3 无线网络规划

图4 为一般无线网络规划流程。在无线网络规划中，网络仿真是规划流程的重要组成部分。通过仿真，能更精确地预测网络容量、覆盖和性能，能提供比手动规划更详细的分析结果。通过仿真，可以了解网络建成后的大致情况，从而更合理估计网络规模和投资规模。目前，几乎所有的主流设备商都会在建网前后对网络进行仿真调整。

图4 网络规划流程

本次仿真采用Aircom 公司的Enterprise（3G）软件，仿真流程包括仿真准备和仿真过程两部分。不同软件在细节上有所不同，但是一些基本信息的建立都是必需的。图5 是以Enterprise 软件为例显示仿真的流程示意图。

图5 仿真流程图

仿真预测中，用户容量的分配采用离散移动台蒙特卡罗（Monte-Carlo）分析方法，仿真移动话务量分布，并对上行链路及下行链路进行分析，整个预测过程要迭代进行，直到发射功率达到稳定值。在多次系统仿真的基础上进行统计平均。通过分析覆盖、干扰、反向功率和切换状况等输出结果，评估规划方案。如果覆盖质量等未能满足要求，需进行站点优化，常用的优化措施包括调整基站位置、数量、发射功率、天线方向的高度等，然后重新进行仿真运算，这是一个循环往复的过程，直至满足各项需求。

1.4 天线类型、电子地图及传播模型选择

远站站间距控制在18 km 以内，近站站间距控制在4～8 km，近远站站间距在4～6 km。近站距离邻站在4 km 左右时，建议选用20.1 dBi/32.5（天线增益20.1 dBi，水平半功率角为32.50，以下同）的天线；近站距离邻站在4～6 km 时，建议选用17 dBi/65 的天线；近站距邻站在6～8 km 时，建议选用17 dBi/65 或者17 dBi/90 天线。根据实际情况，考虑采用双扇区或者调整扇区方位角以达到覆盖目标。

电子地图：本次仿真所使用的电子地图精度是50 m。

传播模型：本次仿真，采用Okumura-Hata[4]的通用传播模型，根据海域传播的特点，选用的海域传播模型如下：K1=139.58，K2=44.90，K3=-2.55，K4=0，K5=-13.82，K6=-6.55，K7=0.7。其中：K1和K2为截距和斜率，它们对应于一个固定偏移量和基站与移动台之间距离的对数值的复用因子；K3是移动台天线的高度因子，通常为天线有效高度；K4是复用因子；K5是有效基站天线高度的增益因子；K6是Okumura-Hata 模型的复用因子；K7是衍射系数，是衍射计算的复用因子。

1.5 天线参数

700 MHz 频段站点安装龙伯透镜天线（EHS1LB063A），天线具体参数如表3 所示，天线方向图如图6 所示，天线实物图如图7 所示。

表3 天线性能参数

图6 天线方向图

图7 天线实物图

此次使用的龙伯透镜天线增益小于现网的4448 天线，参见表4：

表4 龙伯透镜天线与4448天线的增益对比

2 多频多波束龙伯透镜天线海域覆盖验证

703—798 MHz 频段是为5G 移动通信开辟的，因空间传输损耗低，更有利于远区覆盖。测试目的是验证703—798 MHz 频段在海域场景下的远距离覆盖和扩容效果，测试地点为山东烟台。

2.1 测试工作准备

由山东烟台移动市公司协调测试船只（船高29 m，航线满载3 000 人左右），确认测试日期，尽量考虑风小浪小，可出海较远距离。测试设备清单如下：

（1）GPS 3 个；

（2）华为CPE PRO 1 个；

（3）板状天线（SMA内针，SMA口和IPEX转接线）2个；

（4）Mate 40 pro 手机5 部；

（5）便携PC 2 台（1 主+1 备）；

（6）辅料：插排2 个、扎带若干、胶带1 卷。

2.2 站点情况

选取GGH050651R_ 救捞局西_ 救捞局作为测试站点，安装龙伯透镜天线，测试站点高度为169 m（海拔129 m+挂高40 m），机械角、电子下倾角调整为0。测试站点环境如图8，测试站点位置、场景参数见表5。

表5 测试站点的位置、场景参数

图8 测试环境

基站天线挂高为169 m，移动终端高度估算3 m，用式(4)计算的视线距离是60.7 km，大于此距离进入半阴影区，加上船体对电磁波的遮挡，信号很不稳定，测试结果会有很大偏移。因此，超过60 km 的数据仅具有参考意义。

2.3 测试方案

本次测试选用各频段站点的1、2 小区，共安装两个龙伯透镜天线，经过对比RRU 采用4T4R（4 发4 收），即每个小区占用两个龙伯透镜天线一侧波束，与RRU采用2T2R（2发2 收），即一个小区各占用一个龙伯透镜天线比较，采用4T4R 同位点RSRP 高2 dB 左右，下载速率提高50 Mbps，上传速率提高20 Mbps，因此测试采用4T4R 方案。

每个小区占用两个龙伯透镜天线一侧波束，其中1 小区连接两个龙伯透镜天线的左侧波束，2 小区连接两个龙伯透镜天线的右侧波束。利用改装CPE 对703—798 MHz频段进行拉远测试。

2.4 测试结果

（1）龙伯透镜天线航线拉远测试。对加载龙伯透镜天线小区进行拉远测试，在CPE 测试703—798 MHz 同时进行上传下载测试，移动700 M 约在75.6 km 处脱网。测试结果见表6。

表6 龙伯透镜天线航线拉远测试结果

（2）703—798 MHz CPE 拉远测试覆盖距离，测试路径如图9。

图9 703—798 MHz CPE拉远测试路径

（3）龙伯透镜天线与普通天线各频段覆盖情况对比。703—798 MHz 频段使用龙伯透镜天线覆盖特性最远可覆盖75.6 km，边缘RSRP 值为-113.39 dBm。同RSRP 值时，普通天线最远可覆盖77.6 km。覆盖距离为45 km 内，龙伯透镜天线下载速率普遍高于普通天线。龙伯透镜天线与普通天线测试路线如图10，CPE 测试结果对比如表7。

表7 CPE测试结果对比

图10 龙伯透镜天线与普通天线测试路线

（4）703—798 MHz 龙伯透镜天线海域覆盖效果

经过测试，龙伯透镜天线在703—798 MHz 频段的增益与普通天线大致相同，且因龙伯透镜天线信号在超远距离稳定性好，下载速率有明显提升。

3 结束语

随着网络覆盖的日驱完善和移动运营商对海面信号覆盖的日益重视，海面信号覆盖的投入势必加大。龙伯透镜天线以其高增益且多频多波束的特性，使信号距离海岸线60 km 的航线覆盖率达到90% 以上，重点覆盖区域移动通信信号可以覆盖至100 km 以上。随着第五代移动通信技术的全面应用，在海面作业的移动手机用户不仅可以和家人、朋友保持畅通无阻的话音通信，还可以流畅地通过手机拨打视频电话、浏览网页、欣赏图片、观看高清晰的视频和电视节目，使枯燥无味的海上生活变得丰富多彩。