赋形天线在体育场馆无线覆盖中的应用研究
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发布者：lunwenchina
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时间：2018年7月27日 10:28
（1.中国移动通信集团广西有限公司南宁分公司，南宁 530022；2．中国移动通信集团广西有限公司玉林分公司，广西 玉林 537000）摘要：分析赋形角度、天线挂高、空间损耗等多种影响赋形天线覆盖效果的因素，建立赋形天线的覆盖模型，并以具体的体育场馆案例进行分析，给出赋形天线在体育场馆无线覆盖中的应用设计思路。
关键词：赋形天线；天线挂高；主服区域；波瓣角度中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0179-02.
0 引言
目前体育场馆举办大型赛事日益频繁，赛事期间馆内人员密度大，话务量高，频率资源紧张，因而在体育场馆中实现同频复用提升整体容量就成了一个迫切需要解决的问题。
赋形天线的天线波瓣在横截面方向上趋向于矩形，覆盖波形与场馆坐席的几何形状可以基本吻合；另外赋形天线无论在水平方向还是垂直方向，在半功率角外波瓣都能够迅速收缩，可以较好抑制同频小区间的干扰[1]。因此赋形天线适用于体育场馆此类空间开阔无阻挡的区域。
1 赋形天线覆盖模型
1.1 天线挂高
天线挂高往往受限于实际的安装环境，在体育场馆的场景中，天线一般安装在马道上向下往观众坐席进行覆盖。不同场馆的马道高度不一致，一般大型场馆比如鸟巢等，马道高度可达 40~47m 左右，小型场馆比如篮球馆，马道高度一般为16~18m 左右。天线挂高主要从两方面影响了赋形天线的覆盖效果，一方面是主服覆盖区域的大小，另一方面是路径损耗。
天线主瓣覆盖范围如下图１。
图 1 赋形天线覆盖范围示意图
计算公式如下：
D = 2 × H ×t a n
2
式中：D: 主瓣覆盖范围；H: 天线挂高；:波瓣角度.
在波瓣角度确定的情况下，当天线挂高 H 越高，波瓣覆盖范围 D 越大，反之亦反。在实际部署中，可以根据赋形天线方向图的波瓣角估算覆盖范围，再结合实际模测的结果进行调整。
在天线挂高较低的情况下，天线离坐席的距离比较近，根据自由空间损耗公式可知，路径损耗对覆盖效果有较明显的影响。靠近天线一侧的坐席有部分区域会处于天线旁瓣的覆盖区域，但由于该区域距离天线近，在路径损耗上的减少可以部分抵消由于天线旁瓣抑制带来的影响。
1.2 覆盖模型
路径损耗以及场馆坐席的会使赋形天线的矩阵覆盖区域产生变形,赋形天线最终的覆盖效果是由赋形天线、路径损耗共同作用产生的结果，具体如下：
式中：S：接收到的信号强度；Pwr：天线口输出功率 PL(d)；空间路径损耗，随着距离 d 而变化；A( )：赋形天线增益，随着波瓣角度 变化而变化。
其中路径损耗和距离之间呈对数关系，在距离天线较近的区域功率衰减较快，远离天线的区域功率衰减较慢，因而在天线近场和远场的覆盖效果有较明显的区分度。而赋形天线增益主要是和波瓣角度成函数关系，当大于主瓣波瓣角的时候，增益会急速下降，当大于某个角度之后即旁瓣的增益变化开始变得平缓。因而旁瓣和主瓣之间的覆盖效果也会存在较明显的区分度。
所以需充分结合距离和波瓣角度两者进行设计，可以让赋形天线覆盖效果达到最佳。
2 体育场馆应用案例分析
以广西体育中心体育馆为例说明，该场馆可容纳 10000人，为第四十五届世界体操锦标赛的主场馆。经过容量估算，为了满足场馆的话务需求需要在场馆内进行同频复用，因此需要通过赋形天线来控制每个小区的覆盖范围。
2.1 天线模测
为了能够对赋形天线的覆盖效果做出一个完整的分析，利用单面赋形天线安装到实际场地中，进行模拟测试。在体 育场馆马道上安装一副赋形天线，示意图如下图 2：
图 2 赋形天线与坐席截面图
为了了解赋形天线的覆盖性能，对东西看台区域每隔 10m取一个抽样点进行测试，收集赋形天线覆盖的采样数据值 。
2.2 数据分析
对采样数据进行插值，并采用等值线的方式进行绘制，如下图 3：
图 3 赋形天线与坐席示意图
西侧看台主要由赋形天线的旁瓣来覆盖，波瓣角度约为66~90 度。根据天线规格说明书，大于 50 度之后天线旁瓣抑制应当大于 18dB。由上图可以看出，西侧看台信号强度分布约在-68~-74dbm 以下，相比赋形天线主瓣覆盖区域的采样值-44dbm，约弱了 24~30dB。
同时考虑到路径损耗的影响，根据自由空间损耗公式计算，东侧看台路径损耗比西侧看台小 6dB 左右。在扣减路径损耗的影响之后，可知道赋形天线在西侧看台方向的增益比主瓣增益弱 18~24dB 左右，和赋形天线厂家标称的规格大体相符。
2.3 主服区域
在体育场馆室分设计中，赋形天线在东西两侧的看台进行对称安装。根据容量需求，需要在东西看台进行同频复用，假设同频复用要求 SINR 大于等于 12dB。根据模测结果，取西侧看台的最强信号强度-68dbm 作为同频干扰强度，那赋形天线的主服边缘强度必须大于 -68dbm + 12dB=-54dbm。在等值线图上可以描画出主服区域的覆盖范围，如下图 4：
图 4 赋形天线与坐席示意图
考虑到赋形天线的波瓣角度的左右对称，可以得出赋形天线的主服区域近似为一个 22m×16 米的矩形区域，和观众坐席区域基本吻合。
2.4 天线对比
2.4.1 赋型与普通天线的对比
前期体育馆通过射灯天线进行覆盖，根据现场测试情况可知，本侧看台主服小区的信号强度约比对面看台小区的信号强度强 6~8 dB。 考虑到路径损耗，根据自由空间损耗公式进行计算，可以知道这 6~8dB 主要是由东西侧看台在路径损耗上的差异来贡献的，射灯天线基本没有旁瓣抑制。
2.4.2 与鸟巢赋形天线的对比
北京鸟巢赋形天线的测试效果如下图 5：
图 5 赋形天线与坐席示意图
从上图可以看出，如果以-20dB等值线作为鸟巢赋形天线的覆盖区域，单根天线覆盖距离可以达到 100m 左右，考虑到鸟巢和我们的体育馆的天线挂高不一致，鸟巢的马道高度在40~47m，而体育场馆的马道仅有 16m~18m 高左右，大概是鸟巢马道高度的 1/2~1/3，因而覆盖半径也应该相应地缩小。从体育场馆的等值线图来看，-20dB 等值线的覆盖距离也仅为40m 左右，约是鸟巢赋形天线的 100m 覆盖的 1/2~1/3。两种天线的性能较为接近。
3 室分设计
根据上面确定的单面赋形天线的主服区域，结合体育场馆观众坐席的尺寸可以计算出每块区域所需部署的赋形天线的数 量以 及位 置。在体 育场 馆中，东 侧看 台尺 寸约 为66m×25m，按照每面天线覆盖区域为 16m×22m，约需要 4 面赋形天线，均匀安装在东侧看台马道上，可基本满足东侧看台的无缝覆盖。同理，西侧看台尺寸与东侧看台对称，可同样部署天线。
4 结语
在应用赋形天线的过程中，需要综合考虑赋形天线性能指标、天线挂高、目标SINR等多个因素进行综合计算，根据计算结果确定单天线的覆盖范围，最终得出最佳的部署方案。赋形天线在广西体育中心体育馆的成功部署，为后续其它场馆及会展中心的无线覆盖设计提供了良好的范例。
参考文献：
[1] 汪颖.赋形天线在场馆室内分布设计中的应用[J].电信工程技术与标准化,2006(12).
[2] 张鹏展 新技术在开放式场馆覆盖中的综合应用[J].邮电设计技术,2012(9).
作者简介：晏远为，男，硕士，主要从事无线网络的规划和优化工作；黄正彬，男，主要从事无线网络的规划和优化工作；黄国鑫，男，主要从事无线网络优化工作。
