基于用戶體驗的天線設(shè)計 - 全文

好的無線網(wǎng)絡(luò)離不開好的天線，華為長期投入天線與無線射頻技術(shù)的基礎(chǔ)研究，聚焦終端用戶的綜合業(yè)務(wù)體驗提升，幫助運(yùn)營商從容應(yīng)對多模、多頻、多天線的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求。

聚焦用戶綜合業(yè)務(wù)體驗

天線電氣指標(biāo)不能完全決定網(wǎng)絡(luò)性能

智能終端的日漸普及推動移動網(wǎng)絡(luò)向MBB網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)：單純、高質(zhì)、低流量的語音和短信轉(zhuǎn)變?yōu)槎囝愋汀⒒?、大流量的高速?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)流量模型發(fā)生巨大變化。與此同時，以Android/iOS為操作系統(tǒng)的手機(jī)、平板電腦等智能終端，也使得用戶的手持方式和使用習(xí)慣有了很大不同，單一的聽說變?yōu)槭种覆僮鳎ǘ帱c(diǎn)觸控）、語音識別（SIRI）。所有這些變化最終將會影響用戶的綜合體驗，而作為無線通信的末端，負(fù)責(zé)收發(fā)無線信號的天線，對于決定用戶體驗的整網(wǎng)的性能則起到了舉足輕重的作用。

無線通信的早期功能更多是集中于語音，對天線的要求相對簡單，其設(shè)計時大多關(guān)注于幾項電氣性能指標(biāo)，而忽略其在大網(wǎng)中各指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)的影響。在MBB網(wǎng)絡(luò)下，特別在一個多頻段、多制式、自干擾/互干擾共存的大網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，這幾項指標(biāo)就略顯不足。

例如：如果單純考慮天線的增益或前后比，而不考慮天線的波瓣形態(tài)，則天線在RSCP（Received Signal Code Power，接收信號碼功率）實測指標(biāo)上表現(xiàn)較強(qiáng)，體現(xiàn)為手機(jī)信號顯示也會更好。在單小區(qū)時，這種天線的性能指標(biāo)相對較高，但在一個較大的覆蓋區(qū)內(nèi)，這種天線卻會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)干擾上升，實際會使Ec/Io（信噪比）下降。體現(xiàn)就是用戶看到的信號不錯，但實際下載速率反而下降了。

基于用戶體驗的天線設(shè)計

目前華為網(wǎng)絡(luò)天線設(shè)計的核心理念之一，就是從MBB網(wǎng)絡(luò)的實際模型出發(fā)，不僅考慮天線的電氣性能指標(biāo)，還基于網(wǎng)絡(luò)的整體性能去仿真與修正，使天線的各項指標(biāo)與整體網(wǎng)絡(luò)性能取得最佳平衡。

具體來講，即先統(tǒng)計MBB大網(wǎng)覆蓋下各小區(qū)的模型，并推導(dǎo)出最適合的天線波形，再由波形反向推導(dǎo)出天線的各項設(shè)計指標(biāo)（包括經(jīng)典的參數(shù)指標(biāo)和3D波形圖）；接著通過實測來糾正偏差，最后將糾偏后的數(shù)據(jù)帶回網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行仿真，并重新整理出優(yōu)化參數(shù)再反向迭代回設(shè)計。如此反復(fù)（小閉環(huán)），最終保證天線計算結(jié)果能夠達(dá)到網(wǎng)絡(luò)性能、天線性能、成本的最佳結(jié)合。

這種閉環(huán)的設(shè)計思路“始于網(wǎng)絡(luò)性能，終于網(wǎng)絡(luò)性能”。而要做到這一步，首先是設(shè)計模型與真實模型必須精確匹配。依靠強(qiáng)大的研發(fā)和網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)能力，華為收集并綜合導(dǎo)入了大量的MBB無線模型，涵蓋多頻段、多制式、多場景等各種參數(shù)，能夠根據(jù)不同MBB業(yè)務(wù)模型網(wǎng)絡(luò)的綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行全網(wǎng)仿真，得出最適合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的天線方向圖形，再指導(dǎo)天線產(chǎn)品設(shè)計仿真并得出天線的設(shè)計形態(tài)，以確保天線設(shè)計原始參數(shù)匹配真實網(wǎng)絡(luò)。

任何理論上的設(shè)計和實際輸出結(jié)果間都可能存在一定差異，對于一個可見的產(chǎn)品可直接通過測量比較，而對于無形的電磁波信號，就必須利用特殊手段對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行跟蹤和驗證。目前華為引入了全球最先進(jìn)的天線測試場——SG128測試場（該測試場通過CNAS認(rèn)證，可提供CNAS認(rèn)證報告），可以實現(xiàn)對天線3D維度的高精度測量，并輸出3D方向圖文件。

實測結(jié)果見分曉

我們將使用網(wǎng)絡(luò)天線理念設(shè)計的的天線和傳統(tǒng)方式設(shè)計的天線進(jìn)行了實測對比。為了便于解釋和比較，圖1左側(cè)為其水平剖面圖，其中綠色背景是目標(biāo)小區(qū)覆蓋范圍，收到的信號應(yīng)該越強(qiáng)越好，綠色區(qū)域外則是對鄰區(qū)的干擾，應(yīng)該快速下降，并保證信號越弱則干擾越?。粓D1右側(cè)為垂直剖面圖，同樣，綠色背景為主要覆蓋區(qū)域，信號應(yīng)該越強(qiáng)越好，而其它部分特別是綠色區(qū)域左邊部分，信號應(yīng)該越小越好，以降低對其它小區(qū)的干擾。

將上述網(wǎng)絡(luò)天線實際的波形圖放入大網(wǎng)，在一片連續(xù)區(qū)域上對綜合業(yè)務(wù)進(jìn)行仿真，可以看出，大網(wǎng)環(huán)境下，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)天線理念閉環(huán)方式設(shè)計的天線，相比傳統(tǒng)方式設(shè)計的天線，在信號質(zhì)量和整網(wǎng)數(shù)據(jù)吞吐性能上都有明顯提升（圖2中，Ec/Io用于評估信號質(zhì)量，是信號強(qiáng)度和鄰區(qū)干擾的綜合考慮；HSDPA Throughput則是體現(xiàn)在HSDPA 業(yè)務(wù)上的平均吞吐率，是衡量網(wǎng)絡(luò)容量的重要指標(biāo)）。

應(yīng)對多頻、多模、多天線網(wǎng)絡(luò)

利舊站址帶來的新問題

傳統(tǒng)運(yùn)營商可能只有一張900M的GSM網(wǎng)絡(luò)，用戶增加后，GSM1800被引入；隨著MBB的到來，運(yùn)行于2.1G的UMTS、2.6G頻率的LTE等技術(shù)也紛紛被引入。這種情況下，站址天面資源緊張、天線租金成本高企。在新選站址成為一個公認(rèn)難題的今天，利舊成為必然途徑，而利用舊站址新建天饋卻會帶來一系列問題。

新建天饋一般包括安裝鐵塔、抱桿、射頻饋線以及天線等，由于相當(dāng)多的成本為剛性，大部分運(yùn)營商通過增加鐵塔的塔面或增加抱桿來實現(xiàn)共址及共塔安裝。但不少站點(diǎn)由于規(guī)劃初期沒有預(yù)期到多系統(tǒng)的天饋共站安裝，尤其是在鐵塔的建設(shè)中，目前還沒有規(guī)范、客觀評估確定是否適合增加塔面。即使可以增加塔面，新塔面高度也不一定適應(yīng)覆蓋區(qū)的要求。另外，射頻饋線的增加也給站點(diǎn)共享帶來一定的施工難度，如能否增加走線梯，雷擊保護(hù)是否能夠落實等等。因此天饋共享成為最重要的解決方案之一。

傳統(tǒng)的天饋共享不僅有成熟的技術(shù)方案，而且已有長期的商業(yè)應(yīng)用，但帶來一個重要問題，就是不能簡單地合并后發(fā)射，而必須在一根天線上解決好不同頻段間干擾和不同頻率信號獨(dú)立電下傾角調(diào)整問題。由于在不同頻段無線傳播的模型完全不同，在規(guī)劃和優(yōu)化時，必須根據(jù)不同的頻段進(jìn)行調(diào)整。例如，高頻段信號比低頻段信號傳播損耗大，在共鐵塔和天饋時，必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃獨(dú)立地對不同頻段進(jìn)行電下傾角的調(diào)整，才能保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和性能。

從容應(yīng)對多頻使用場景

作為擁有15年設(shè)計經(jīng)驗的基站天線生產(chǎn)廠家，華為積累了大量的成熟經(jīng)驗，目前已研發(fā)并推出了完整的網(wǎng)絡(luò)天線Single解決方案，其中包括雙頻、三頻和多頻合路器；支持4到6端口甚至更多到8、10端口的多端口天線以及各種制式下的外置濾波器等系列產(chǎn)品，保證了緊湊空間下天饋系統(tǒng)共享的實現(xiàn)，并已在包括全球范圍內(nèi)較早制定天饋共享規(guī)定的國家（如巴西、印度等）得到了批量應(yīng)用。

針對多頻天線干擾和獨(dú)立電傾角控制問題，例如CDMA850和GSM900，傳統(tǒng)的天饋多口解決方案是用外部合路器將不同頻段的系統(tǒng)合路在一起，然后將兩路射頻信號輸入一套能覆蓋790-960MHz的振子中去。這種方案很大程度上限制了各系統(tǒng)的獨(dú)立網(wǎng)優(yōu)，尤其是無法實現(xiàn)獨(dú)立的下傾角調(diào)整，在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時一張網(wǎng)優(yōu)化則另一張網(wǎng)會同步被影響。如果需要實現(xiàn)獨(dú)立下傾角的功能就要利用兩套振子，實際變成物理上集成的兩根天線，這樣天線面積將會是原來的兩倍大，天面租金可能倍增，并且安裝、防風(fēng)等特性都會變差。

針對該設(shè)計缺陷，華為的網(wǎng)絡(luò)天線Single解決方案在天線內(nèi)部采用振子復(fù)用技術(shù)，同樣的一套790-960MHz的振子，可復(fù)用到790-862和880-960MHz兩個子頻段中去，且兩個子頻段都能實現(xiàn)獨(dú)立的下傾角調(diào)整，有效解決了多頻不同制式網(wǎng)絡(luò)的天饋擴(kuò)容問題，又可以將天線做得盡可能小。從外觀看來，多頻天線仍然可以保持和原有天線一樣的外觀。

好的無線網(wǎng)絡(luò)離不開好的天線，華為長期投入天線與無線射頻技術(shù)的基礎(chǔ)研究，將始終在MBB時代助力運(yùn)營商創(chuàng)造高性能、低OPEX的網(wǎng)絡(luò)。

相關(guān)鏈接：CNAS（China National Accreditation Service for Conformity Assessment），是根據(jù)《中華人民共和國認(rèn)證認(rèn)可條例》的規(guī)定，由國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會批準(zhǔn)設(shè)立并授權(quán)的國家機(jī)構(gòu)，統(tǒng)一負(fù)責(zé)對認(rèn)證機(jī)構(gòu)、實驗室和檢查機(jī)構(gòu)等相關(guān)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可工作。獲得CNAS授權(quán)的實驗室，有權(quán)對任意廠家的天線產(chǎn)品提供權(quán)威檢測報告。