發(fā)布時間：2023-09-01 | 作者：阿爾創(chuàng)
LTE高增益定向天線副波瓣高鐵覆蓋研究
在高鐵覆蓋中，一般都是采用高增益定向天線進(jìn)行覆蓋，高增益天線雖然增益大，對遠(yuǎn)端的覆蓋好，但同時高增益天線也存在主波瓣角度小，對副波瓣抑制度大的缺點(diǎn)，而高鐵動車組車體損耗大、速度快，對于副波瓣覆蓋路段能否覆蓋好需要做詳盡研究分析，特別是對LTE網(wǎng)絡(luò)這樣頻段較高的網(wǎng)絡(luò)更是如此。
當(dāng)動車內(nèi)2.1GHz LTE信號強(qiáng)度需-105dBm以COST-231 HATA模型為參考：Lp（dB）=[15+33.9lgf-13.82lghb-α(hm)] + [44.9-6.55lghb] lgd +Cm
可得出不同的天線高度的最遠(yuǎn)覆蓋距離如下表所示：
表1：高鐵覆蓋不同場景時最遠(yuǎn)覆蓋距離
可見，在同樣的LTE RRU情況下，使用23dBi的天線只要25米高的鐵塔就能覆蓋750米，使用21dBi的天線鐵塔的高度需要為35米。
COST-231Hata模型和Okumura-Hata模型是主要用于的宏小區(qū)傳播模型，對于高鐵高架等無遮擋情況需要采用參考模型，入射角損耗參考模型。郊區(qū)要求車廂內(nèi)邊緣信號強(qiáng)度大于-105dBm，此時進(jìn)行模型計算：RxL ≤（Pout +Gant）－LK－β－Lc
可以算出下表其他情況的覆蓋距離：
表2：高架橋場景不同增益和不同天線高度最遠(yuǎn)覆蓋距離
天線高出列車窗口、能直視的情況下（天線桿距鐵路垂直距離50m或100m，比鐵路高架高出5~6米，天線與鐵路之間沒有樹木、建筑物遮擋）。
由于上述的覆蓋預(yù)算都是以主波瓣增益進(jìn)行預(yù)算的，因此主波瓣（即半功率角范圍）覆蓋范圍是沒有問題的，如下圖所示的線D1和D2所包圍的覆蓋路段S2。
圖1：副波瓣覆蓋高鐵示意圖
而副波瓣覆蓋路段S1雖然距離天線路徑損耗小，但由于不知道這個范圍內(nèi)天線的實際增益，因此要得出副波瓣各方向上的三維增益，并根據(jù)該方向上的路徑損耗進(jìn)行綜合評估，得出是否能完成覆蓋的結(jié)論。
由于現(xiàn)在天線準(zhǔn)確的方向圖只有水平面和垂直面兩個平面方向圖，而無法給出天線任意方向的三維方向圖，進(jìn)而根據(jù)該方向的路徑損耗進(jìn)行鏈路預(yù)算，要計算出高增益定向天線副波瓣的覆蓋性能需要經(jīng)過以下步驟：
1、根據(jù)覆蓋距離、天線增益、天線掛高和與鐵道的垂直距離計算出主、副波瓣的覆蓋路段，因為有多個要素因此有多種結(jié)果；
2、依次選取天線傷多個覆蓋鐵道的水平面和垂直面的副波瓣組成的三維方向角度，根據(jù)這些角度計算該方向上的增益；
3、根據(jù)該天線覆蓋鐵道方向的增益及路徑損耗，看是否能達(dá)到覆蓋要求。
因此根據(jù)參考文獻(xiàn)【1】的計算方法在已知的水平面和垂直面兩個平面方向圖得出任意方向的方向圖，計算方法摘錄如下：
根據(jù)這個方法進(jìn)行方向圖的預(yù)測，與天線各方向?qū)嶋H的增益誤差不會超過5dB，精度較高，由此得出的方向圖是可以信賴的。
高鐵水平波瓣和垂直波瓣覆蓋角度示意圖如下面兩個圖所示：
根據(jù)各采用的21dBi×32°×6°和23dBi×16°×6°的2GHz天線的水平和垂直波瓣圖，估算出水平面和垂直面任意角度的增益下降dB數(shù)，由于天線的方向圖中有些很深的陷波，這些陷波占據(jù)的角度寬度都非常小，因此對覆蓋不會造成很嚴(yán)重的后果，所以需要將其進(jìn)行均化處理，因此可根據(jù)方向圖擬定任意方向角上的增益：
表3：21dBi和23dBi板狀天線水平垂直任意角度估算
以3°為角度寬度單位列舉增益下降dB數(shù)，，除個別深度陷波由于角度寬度很小，對覆蓋影響不大，因此做了均化處理外，除此之外誤差最大不超過2dB。根據(jù)上面兩個算式及增益衰減表可以得出某種情形的覆蓋預(yù)算，具體如下表：
表4：平地模型情形之1副波瓣覆蓋電平計算
表中：S為任意選取的水平或垂直副波瓣覆蓋的鐵軌長度；
d為站址距離鐵軌的垂直距離；
H為覆蓋天線與MS的高度差；
φ為覆蓋距離為s的天線水平偏離角度，φ=φ1/2 +φ1’- arctan(S/d)；
GH(φ) 為水平方向偏離φ時增益下降dB數(shù)，通過查表6得出；
θ為覆蓋距離為s的天線垂直偏離角度，θ=θ1/2 +θ1’- arctan(S/H) ；
Gv(θ) 為垂直方向偏離θ時增益下降dB數(shù)，通過查表3得出；
G(φθ)為水平方向偏離φ、垂直方向偏離θ時的天線增益下降dB數(shù)，通過文獻(xiàn)【1】的計算方法得出；
Ls為覆蓋天線與鐵軌距離為s位置的路徑損耗，由于距離較短，采用自由空間損耗加上車輛損耗及衰落儲備得出，即 Ls = 32.5+20Log（2.17GHz）+20Log(（s^2+d^2+H^2）^0.5) + 21 + 8,其中32.5為自由空間損耗常數(shù)，2.17GHz 為LTE系統(tǒng)工作頻率，21為車輛損耗，8為衰落儲備。
LL為最大覆蓋距離時的路徑損耗值，LL=129+24=153dB；
RXL為距離為s的覆蓋電平，RXL= -95+LL - Ls +G(φθ)。
同理按照上面的計算方法，可以得平地模型和高架橋模型各種情形的副波瓣覆蓋情況，集結(jié)為下表：
注1：32°×50×9表示天線增益為21dBi，距離鐵軌距離50米，天線相對MS掛高9米的情形。表5：平地模型情形1副波瓣覆蓋電平計算
由于是采樣進(jìn)行計算，因此實際范圍可能會超出上表所列范圍3dB左右。但以上所有情形下最小覆蓋電平為-91dBm，即使減去3dB誤差也有-93dB的覆蓋電平，不影響覆蓋。在大量的數(shù)據(jù)分析中得到以下有用的結(jié)論：
1、接收電平小于-80dBm的區(qū)域都是在覆蓋距離為小于50米的范圍，而天線對這段距離覆蓋由于入射角度大，車輛損耗小，因此實際覆蓋電平要大于本文預(yù)算的覆蓋電平。
2、23dBi天線副波瓣覆蓋路段平均接收電平要小，這是增益大的能量更為集中，天線副波瓣抑制度大有關(guān)。
3、23dBi天線雖然副波瓣覆蓋鐵軌距離大，但最低覆蓋電平要好于21dBi天線，而其覆蓋距離又明顯強(qiáng)于21dBi天線，說明23dBi的板狀定向天線比21dBi的板狀定向天線用于線狀覆蓋時更有優(yōu)勢。
4、目前考慮設(shè)備的導(dǎo)頻功率為38dBm，是一個相對較大的值，當(dāng)導(dǎo)頻功率降低時，由于副波瓣覆蓋距離縮短，副波瓣是可以更好的完成覆蓋的。
5、由于天線增益越高，主波瓣角度越小，因此在實際工程應(yīng)用中調(diào)校天線覆蓋方向時要特別注意方向要準(zhǔn)確，要根據(jù)天線掛高和天線距離鐵軌的距離計算天線的水平下傾角和與鐵路的夾角，否則很容易造成部分區(qū)域覆蓋不足的問題出現(xiàn)。
通過前文大量的計算和分析，可以得出的結(jié)論是采用21dBi和23dBi天線進(jìn)行高鐵覆蓋時副波瓣覆蓋范圍的接收電平完全可以達(dá)到設(shè)計要求，且增益大的天線副波瓣覆蓋最低電平要好于增益低的天線。當(dāng)然以上的計算完全是通過理論的方法得到，可以通過實際路測進(jìn)行驗證。
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