深度覆盖下的特殊场景天线及应用

　　【摘 要】针对高层居民楼覆盖以及电梯覆盖两种典型的特殊场景，分别提出垂直面大张角天线和高增益面阵天线的新解决方案，用于提升LTE覆盖。经在多个城市现网部署验证，上述新的天线方案可以有效改善LTE覆盖以及使网络整体性能良好。
　　【关键词】TD-LTE 网络覆盖 高层楼宇 电梯 垂直面大张角天线
　　[Abstract] Considering two typically specific scenarios of high-rise building and elevator coverage， new solutions， wide-vertical-angle antenna and high-gain array antenna， were presented to improve LTE coverage， respectively. Verified in existing networks of multiple domestic cities， aforementioned antenna solutions can effectively improve LTE coverage and overall network performance.
　　[Key words]TD-LTE coverage high-rise building elevator wide-vertical-angle antenna
　　1 引言
　　随着TD-LTE的商用，移动用户数量将持续增加，仅仅依靠宏站的覆盖已不能有效满足用户日益增长的需求，各种特殊场景下的LTE深度覆盖和业务保障需求日益紧迫。
　　本文重点讨论两种常见的特殊场景，居民小区高楼覆盖场景以及电梯覆盖场景。
　　传统的小区居民楼采用对数周期天线、高增益射灯天线以及排气管天线来进行小区网络覆盖。但由于居民楼楼层越来越高，楼间距越来越窄，传统小区的天线覆盖方案已不能满足需求，本文提出一种全频段覆盖的高层楼宇覆盖的垂直面大张角天线，一副天线即可覆盖整栋高楼，施工点较少、安装便利、可靠性较高。
　　传统的电梯覆盖方案施工较为复杂，并且由于安装节点较多，施工和维护费用较高。此外，电缆长度与电梯长度相当，损耗较大。本文提出一种全频段覆盖的电梯覆盖专用的高增益面阵天线，一副天线+普通信源即可覆盖30层楼高的电梯；若采用满格宝信源，则可以完成10层左右楼宇的覆盖。该方案施工和维护更加方便，故障点更少、总体可靠性更高，总体成本也更低。
　　2 高层楼宇覆盖专用的垂直面大张角天线方案
　　2.1 提出背景和方案介绍
　　现有高层住宅楼楼层越来越高，30多层居民楼并不罕见，同时楼间距也越来越窄，部分开发商以最小40m的楼间距来设计。楼宇对打天线的旁瓣增益与主瓣相差10dBi以上，能量太小，无法覆盖对应楼层，所以需要采用天线垂直面主波束来覆盖整个楼宇。以30层楼高（约90m）、40m楼间距为例，所需要的垂直面波数宽度为66 。普通14.5dBi射灯天线垂直面角度仅为30 ，一付天线无法覆盖一栋楼；排气管天线虽然增益较高，但是垂直面波束仅为7 ，主瓣无法覆盖整一栋楼宇；对数周期天线和小射灯天线增益较低，无法满足覆盖要求，同时对数周期天线外罩未做紫外线防护，容易老化。表1是常用的楼宇对打天线方案性能对比。
　　2.2 TD-LTE现网测试结果
　　（1）与排气管天线对比
　　随后对高中低不同楼层进行入户测试，测试结果如图2、表3所示。
　　测试结果表明，垂直面大张角天线基本满足LTE的覆盖需求。
　　（2）与对数周期天线对比
　　从测试结果可以看出，各层RSRP在-85  -72dBm，
　　覆盖效果良好，垂直面大张角天线平均相比对数周期天线提升约5dB。
　　（3）与普通射灯天线对比
　　某省某居民楼高30层（约90m），楼间距为48m，经计算，所需的主瓣波束宽度为62 。对普通射灯天线和垂直面大张角天线进行对比测试，测试结果如图3、表5所示。   从测试结果可以看出，大张角射灯天线在中低楼层相比原有射灯天线覆盖提升约10dB以上，在高层与普通14.5dBi增益的天线相当。
　　2.3 小结
　　以上测试结果表明，垂直面大张角天线可以替代现有的楼宇对打天线进行覆盖，在成本方面与普通射灯天线相当。此外，考虑到伪装的便利性以及避免高层信号干扰，建议天线尽量放置在楼顶且需要大下倾，保证天线主瓣对准底层楼宇以解决一楼弱覆盖问题。
　　3 用于电梯覆盖的高增益面阵天线
　　3.1 提出背景和方案介绍
　　电梯覆盖主要采用以下两种方式，一种是传统的电梯覆盖方案，一种是随行电缆方案。
　　随行轿厢方案采用＂信源+随行电缆＂的方式，并在轿厢顶部安装小功率的有源设备来达到覆盖轿厢的作用。这种方案的随行电缆需要采用专用电缆，电缆随着轿厢上下，老化速度较快，可靠性差，并且需从电梯取电，有源设备工作信号不稳定。施工较为复杂，施工和维护费用较高。此外，和传统电梯覆盖方案一样，电缆长度与电梯长度相当，损耗较大。随行电缆方案如图5所示。
　　本文提出一种新型的电梯覆盖方案（如图6所示），它由＂信源+高增益面阵天线＂以及连接它们之间的短电缆构成。该方案仅需要在电梯井的顶部或底部安装一个高增益面阵天线（30层以上可考虑在顶部和底部各安装一个），相比传统方案（3 4层就安装一个天线点位）施工和维护更加方便，故障点更少、总体可靠性更高，总体成本也更低，并且由于天线可以贴近信源安装，因此电缆损耗更小。
　　信源可以是普通信源，也可以是满格宝。＂满格宝+电梯专用高增益天线＂可以用于容量需求不高的楼宇场景，可进一步降低设备和施工成本。
　　3.2 高增益面阵天线介绍
　　诸如电梯、隧道等狭长环境，由于信号在里面多次反射，相比同等长度的自由空间路径，其路径损耗较大。为了减少信号的损失，需要提升天线的增益、压窄天线的波束宽度以尽可能地让天线的波束直射到轿厢。然而，常规17dBi宏站天线长度为1.5m，宽度仅为160mm，它的水平波束宽度和垂直波束宽度分别为65 和7 ，水平面波束宽度较宽，容易形成多次反射。为了充分利用天线的口径，需要进一步压窄水平波束宽度以提高增益。
　　为了兼顾天线增益和天线尺寸，综合一下，采用垂直维度和水平维度同时布阵、高低频振子嵌套摆放的方案，使得面阵天线增益和尺寸如表6所示：
　　3.3 现网测试结果
　　（1）普通信源覆盖
　　1）GSM900信源覆盖对比
　　以某省19层居民楼覆盖为例，传统电梯覆盖方案是在电梯井道的3、7、10、13、18层侧壁分别安装一副对数周期天线，共5副；现在只需要在电梯井的底部（如图7所示）安装一副高增益面阵天线，即可覆盖19层楼，具体结果如图8所示。而且相比于原来的信源功率，可以节省10dB。
　　2）DCS1800信源覆盖对比
　　3）LTE信源覆盖对比
　　（2）满格宝信源覆盖
　　以某省8层普通写字楼为例，层高3.5m，在没有GSM和LTE信源的情况下，可采用满格宝将室外信号延伸进来并放大，通过新型天线覆盖电梯的方案（这是一种低成本的解决方案），可用于电梯容量不大的情况。测试结果（如表7所示）表明，＂满格宝+电梯覆盖专用高增益天线＂可满足8层楼宇的覆盖。满格宝安装方案图如图11所示：
　　3.4 小结
　　从现有测试来看，电梯覆盖专用高增益天线可以替代传统对数周期天线方案，用于居民楼和写字楼的高层电梯覆盖。用一副电梯覆盖专用高增益天线即可完成约30层高层电梯的覆盖，同时由于仅有一个天线点位，故障点位较少，整个电梯覆盖系统可靠性较高，且后续维护和安装较为方便，与传统方案相比，可较大幅度节省成本，同时由于天线点位较少，后续维护成本也较低。＂满格宝+电梯天线＂方案可进一步降低成本。
　　依据现有电梯天馈馈入功率来看，电梯覆盖专用高增益天线在大部分点的覆盖效果更好。并且在现有天馈功率点的基础上适当降低馈入功率，也能完成相同楼层高度的电梯覆盖，多余功率可用于写字楼平层覆盖或者居民楼对打。
　　此外，该高增益面阵天线可用于类似于电梯井的狭长环境，譬如隧道的覆盖，相比于漏缆，可以减少投资成本。
　　4 结论
　　针对居民楼覆盖和电梯覆盖等特殊场景，本文分别提出用于居民楼对打的垂直面大张角天线以及高增益面阵天线的解决方案，经多省现网测试证明，该方案可以明显提升LTE深度覆盖，同时还能大大节省投资成本，具有良好的应用前景。