高效能WCDMA天线有效优化CapEx和OpEx WCDMA

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1  Diversity分集增益的重要性
在实际的移动通信中，除了愈高频空间传播的损耗愈大外，再加上多径衰落（Mul t ipathFading）、阴影衰落（Shadow  Fading）等等的衰落效应，而且当信号受到高大建筑物（例如移动台移动到背离基站的大楼面前）或地形起伏等的阻挡，接收到的信号幅度将降低。另外，气 象条件等的变化也影响信号的传播，使接收到的信号幅度和相位发生变化。这些都是移动信道独有的特性，它给移动通信带来不利的影响。

如果想利用加大发射功率或高度等方法来克服这种深衰落是不现实的，而且会造成对其他基站的干 扰，而采用分集方法即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降 低深衰落的概率。相应地，还需要采用分集接收技术减轻衰落的影响，以获得上行链路分集增益，提高接收灵敏度，在GSM和WCDMA网络中，这些分集接收技 术都已得到了广泛应用。

另外，手机用户要求愈来愈多的功能，同时还要求支持更长的使用时间，新款手机的发射功率控制得更严格，手机天线更细小，出现上下行链路不对称、上行链路较弱而下行链路较强的问题，所以出现基站天线的分集技术以提升上行链路的增益。

2 空间分集天线系统
空间略有变动就可能出现较大的场强变化。当使用两个接收信道时，它们受到的衰落影响是不相关的，且二者在同一时刻经受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此这一设想引出利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集。

空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小，分集效果就越好。这里所提的相关性是个统计术语，表明信号间相似的程度，因此必须确定必要的空间距离。

空间分集接收是在空间不同位置上设置几副天线，同时接收一个发射天线的微波信号，然后合成或选 择其中一个强信号，这种方式称为空间分集接收。在移动通信系统中，空间分集要求的天线间的距离一般为12～15个波长，以保证接收天线输出信号的衰落特性 是相互独立的。也就是说，当某一副接收天线的输出信号很低时，其他接收天线的输出则不一定在同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路从中选出信号幅 度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低信道衰落的影响，改善传输的可靠性。空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另 外单独的接收天线及大空间的安装位置，这些在现代化城市中很难满足。

3 矢向分集双极化天线的出现
为了克服空间分集这些缺点，近年来又生产出定向双极化天线。两个在同一地点、极化方向相互正交 的天线发出的信号呈现出互不相关衰落特性。利用这一特点，在发射端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线，在接收端同一地点装上±4 5°交叉极化两副接收天线，就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量E x和E y。所谓定向双极化天线就是把±4 5°交叉极化两副接收天线集成到一个物理实体中，通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果，所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是 它只需一根天线，结构紧凑，节省空间，缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线。

分集增益依赖于天线间不相关特性的好坏，通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分 集。空间上的位置分离保证两面接收天线分别接收不同路径来的微波信号，同时也使两面天线间满足一定隔离度的要求。若采用交叉极化天线，同样需要满足这种隔 离度要求。对于极化分集的双极化天线来说，天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定微波信号上行链路分集增益的主要因素。该分集增益依赖于双极化天线中两 个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性，并且在整个120°扇区及切换重叠区内保持很 好的水平跟踪特性，代替空间分集天线所取得的覆盖效果。为了获得好的覆盖效果，要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区 范围内的正交特性，即两个分集接收天线端口信号的不相关性，决定了双极化天线总的分集效果。为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特 性，两个端口之间的隔离度通常要求在30 dB以上。

4 交叉极化比
在极化分集中，两个极化振子之间不相关性在数值上的表现即为交叉极化比。该指标是作为衡量双极 化天线电气性能最重要的参数之一，充分说明双极化天线的分集效果。图1即为场型测试时源天线与被测天线其中一组振子同极化时测试出来的天线场型对比，红色 为同极化振子测试曲线，蓝色为正交振子测试曲线，两个曲线之间的差值即为该天线的交叉极化比。

该指标的好坏之间影响到天线在覆盖区域内的接收效果，这一指标不仅仅是指天线主方向上的不相关 性，还包括天线±60°的不相关性指标，而且±60°时的交叉极化比更为重要。目前YD/T  1059-2004规定天线在主方向上的交叉极化比不应低于15  dB，在±60°时的交叉极化比不应低于10  dB。这一要求也是目前国外通信行业所使用的统一规范。

5 空间分集增益VS矢向分集增益
作为首先提出交叉极化天线作矢向分集的天线制造商，凯仕林公司对于天线如何提升分集增益尤为重视，在振子设计时充分考虑并推出矢量振子的概念，使得凯仕林天线在实际使用中接收效果明显优于其他天线，能够达到空间分集的分集增益。以下是凯仕林公司实测的一些数据。

通过和主设备制造商合作设置单基站测试平台采集数据，分别在北美和欧洲各设置空间分集天线系统 和±45°极化分集天线系统作比较，空间分集设置用两根VPol  1710~2170 65°18 dBi天线，而±45°极化分集天线用单根高交叉极化比的XPol1710~2170 65°18 dBi天线，就是在整个扇区±60°范围 内都能在10 dB以上，主方向更能实现22 dB以上。

使用凯仕林天线，对于空间分集和极化分集可以达到相同的分集增益，在城市或郊区都有4~6  dB的分集增益。由此测试可知，高交叉极化比天线的分集能力与空间分集天线系统相同，而极化分集的好坏密切关系到网络KPI误比特率和掉话率的好坏。


6 良好的分集增益天线如何优化CapEx和OpEx
高效能天线的高交叉极化，能提升整个扇区的分集能力，反之，低交叉极化比天线令系统失去分集功 能，影响网络质量和容量，以下进行分析，比较高效能高交叉极化凯仕林天线和低交叉极化比的天线进行网络规划，如图2所示，从而更清晰地了解到高效能天线如 何优化网络投资CapEx和营运成本OpEx。

如图2所示，为欧洲网络优化的的一个案例，同一个片区，达到相同的网络覆盖和容量。在该案例 中，由于以前采用天线的交叉极化比不满足要求，为了实现和高交叉极化凯仕林天线的相同Ec/Io目标，低交叉极化比天线需要再增加30多个扇区才能满足网 络需要（共130个扇区），而换上高交叉极化凯仕林天线，只需要总共100个扇区即可实现覆盖，当然低交叉极化比天线可能较高效能高交叉极化凯仕林天线便 宜，但使用低交叉极化比天线额外增加的基础设施需要增加25%的总投入作为补偿，由于租金和能源消耗增加25%的运营成本，总网络CapEx和OpEx都 需要额外增加25%。

2010年10月，该网络将原有的天线更换为凯仕林天线742215V01（XPol1710-2170 65° 18 dBi）天线后，网络指标有了明显改变，再次验证之前的网络规划比较和分析。网络KPI数据的综合结论是，上行链路切换接近减小6%，2G网络总的数据通信量量增加27%，3G网络总的数据通信量增加35%和3G总的视频+语音通信量增加44%。

综上所述，交叉极化比作为基站天线的关键技术指标之一，可以确保网络拥有最佳表现，提高数据吞吐量，改善掉话率，使得网络通信量平衡，并且可以减少运营成本和资本支出。
7 高效能的高增益天线的出现
在下行链路方面 ， 由于WCDMA在2100 MHz的传播距离较900 MHz短50%，那么WCDMA系统需要多于3倍的基站数目覆盖同等面积的区域，但该建议需要大量金钱和时间的投入，所以较快速和较低成本的方法是利用更 高效能的高增益天线在高频段传播时补偿损耗。尤其在WCDMA的演变中出现更高调制的运行，如从WCDMA的1.8 Mbi t/s升级到HSPA的14.4 Mbi t/s，再升级到HSPA+的42 Mb i t/s，都需要较高的电平和高信噪比环境运行，而高效能天线可以有效提升电平和高信噪比，因而提升基站容量。
表1利用标准的18  dBi天线和高效能19  dBi天线作新网络规划仿真比较，从而量化投资成本。


在网络1的仿真中使用上18  dBi天线，在一个外国案例中，以-96 dBm作覆盖电平仿真，这个案例中的片区需要145个基站点作基本覆盖。在网络2的仿真中使用上19  dBi天线作同一个片区的仿真，以-96  dBm作覆盖电平仿真，基本覆盖只需要137个基站覆盖一个片区，总共减少5.5%的基站建设。欧洲的建设基站成本约15万欧元，这个成本包括站点的勘 察、施工建设、设备器材等等。这个片区可减少1200万欧元的投资，而－18  dBi标准天线和19  dBi高效能天线的价格差为200欧元， 这个案例的天线成本增加只是8.2万欧元，节省超过百万欧元的投资成本，而长期的营运费用亦可减低，当然网络维护效率可以大幅提升。

图3为18  dBi天线和19  dBi天线的不同电平值和覆盖范围的比较，可以看到在不同电平值水平，19dBi天线有更广的覆盖，所以19  dBi天线对于高阶调制比18  dBi有更大程度的帮助，有效提升基站容量。由于用上高效能天线，基站之间的距离稍远，而天线增益较大，所以在大部分扇区范围内能提升接收电平值和信噪 比。可以推出，如果以20  dBi甚至21  dBi天线作为新WCDMA网络规划的标准天线，网络投资Ca pEx和成本会有更大的优化空间