基于天線與扇區(qū)劃分技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

如今，對(duì)于更好的信號(hào)強(qiáng)度以及更快的下載速度的需求，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。我們一直在尋找能提高手機(jī)或電腦Wi-Fi連接信號(hào)強(qiáng)度的方法。無(wú)論居家生活，在外工作，還是四處奔波，您都需要良好的信號(hào)接收能力以便通信，而良好的信號(hào)接收能力又取決于天線和足夠的網(wǎng)絡(luò)容量。有時(shí)雖然信號(hào)接收能力不錯(cuò)，但下載仍舊緩慢，通話掉線，則是由于網(wǎng)絡(luò)容量有限，以及/或者干擾強(qiáng)度較大導(dǎo)致。解決網(wǎng)絡(luò)容量問(wèn)題的一個(gè)方法就是采用扇區(qū)劃分技術(shù)。天線以及扇區(qū)劃分對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化而言，具有至關(guān)重要的意義。

天線

首先讓我們從天線的基本知識(shí)入手，了解一下為何天線是如此重要的元素。天線是無(wú)線通信系統(tǒng)最關(guān)鍵且常常也是最顯而易見(jiàn)的部件之一。無(wú)論是在高聳的通信塔上，還是在Wi-Fi適配器或手機(jī)上，或大或小，你都能看到它的身影。由于每種天線均有特定的用途，因此其大小和形狀也各式各樣。但是，所有天線都有一個(gè)相同之處：它們是決定通信質(zhì)量和通信范圍的關(guān)鍵所在。天線的有效覆蓋距離即為它所在的蜂窩，而多個(gè)蜂窩則組成了蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)與其他通信方式的不同體現(xiàn)在蜂窩的復(fù)用原理上。蜂窩復(fù)用是通過(guò)對(duì)特定蜂窩的運(yùn)行中的單個(gè)頻率的“復(fù)用”或再次分配，從而提高網(wǎng)絡(luò)容量的一種方法。

若要讓這一過(guò)程發(fā)生作用，需要對(duì)蜂窩的形狀及其配合方式加以考慮。如下圖所示（圖1），蜂窩通常呈連鎖六邊形。根據(jù)服務(wù)區(qū)域密度的不同，六邊形蜂窩既可以輻射方圓數(shù)英里，也可以僅覆蓋幾百英尺。

圖1

扇區(qū)劃分

與早先的無(wú)線電通信一樣，由于距離彈性極大，因此與噪音問(wèn)題相比，信道靈敏度受外部干擾的限制更大。采用定向天線在方位（水平方向）和高度（垂直方向）上均可用的特定的扇區(qū)形狀劃分，可實(shí)現(xiàn)精確覆蓋，并最大限度地降低與鄰近蜂窩之間的干擾。

蜂窩之間的相互關(guān)系是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。這一指標(biāo)定義了蜂窩之間以及組成蜂窩的扇區(qū)之間的能量重疊；通常被稱為扇區(qū)功率比，是指由天線輻射圖形成的期望覆蓋區(qū)域外信號(hào)功率與區(qū)域內(nèi)的信號(hào)功率之比（圖2）。扇區(qū)功率比越低，天線的抗干擾性能越好。

圖2

在具體實(shí)踐中，尤其是蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，扇區(qū)功率比越高，則意味著毗鄰覆蓋區(qū)域的天線間干擾也越強(qiáng)。當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)信號(hào)發(fā)生重疊時(shí)，會(huì)造成干擾增強(qiáng)，從而降低網(wǎng)絡(luò)性能，例如，從一個(gè)蜂窩進(jìn)入另一個(gè)蜂窩時(shí)手機(jī)會(huì)發(fā)生掉線。為防止此類問(wèn)題的發(fā)生，蜂窩網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行精確的扇區(qū)劃分規(guī)劃。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)的概念要求反復(fù)不斷地使用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的頻率或代碼，以支持海量的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。為最大限度地減少相同頻率或代碼上蜂窩之間的干擾，運(yùn)營(yíng)商采用了扇區(qū)劃分技術(shù)。如果干擾抑制水平較低，則意味著頻率資源相同的蜂窩之間的距離就要較長(zhǎng)。通過(guò)扇區(qū)劃分來(lái)抑制干擾，不但可縮短復(fù)用頻率資源小區(qū)的距離，而且可以提高頻譜效率，擴(kuò)大容量，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

隨著蜂窩基站密度的增大，為減少蜂窩之間的相互影響，通常會(huì)縮小每個(gè)蜂窩的覆蓋區(qū)域。而縮小蜂窩基站覆蓋范圍的方法之一，便是降低天線的輻射中心高度。但是，由于這種方法可能會(huì)把天線置于建筑或樹(shù)木等周?chē)系K物之下，因此結(jié)果通常不太理想。由于目前大多數(shù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用了扇形天線，因此可采用第二種方法——波束傾斜，以降低覆蓋范圍。通過(guò)將天線的垂直面波瓣向下傾斜，可縮小水平方向上的覆蓋范圍——這也正是相鄰蜂窩基站發(fā)生干擾的區(qū)域。

最簡(jiǎn)單的波束傾斜方法是，通過(guò)利用大多數(shù)天線供應(yīng)商均提供的調(diào)整支架，對(duì)整個(gè)扇形天線進(jìn)行機(jī)械傾斜。但是，這種方法有一個(gè)主要缺點(diǎn)，即無(wú)法保證整個(gè)扇區(qū)內(nèi)水平方向上覆蓋范圍縮小的一致性。由于在正前方的方向上覆蓋范圍的縮小要快于其他方向，因此，蜂窩覆蓋范圍的縮小會(huì)出現(xiàn)不均衡。這種現(xiàn)象可以用一個(gè)可量化術(shù)語(yǔ)表示，即“方向圖變形（patternblooming）”。

先進(jìn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通常采用更加巧妙的辦法，即通過(guò)電子下傾實(shí)現(xiàn)扇區(qū)天線垂直面波瓣的傾斜。這種方法可以使天線保持豎直安裝，通過(guò)改變各單元的電相位來(lái)實(shí)現(xiàn)波束傾斜。這樣便可實(shí)現(xiàn)波瓣的360度均衡傾斜，保持蜂窩覆蓋范圍縮小的一致性。對(duì)于電下傾天線來(lái)說(shuō)，無(wú)論傾斜量如何，均不會(huì)導(dǎo)致方向圖變形現(xiàn)象的增加。

電下傾還有另外一個(gè)好處，就是可以在先進(jìn)的天線系統(tǒng)中遠(yuǎn)程予以實(shí)現(xiàn)。隨著長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）等更加復(fù)雜技術(shù)的成熟，這一功能將變得更為重要。采用了LTE技術(shù)的自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）便可根據(jù)需求不斷進(jìn)行自我優(yōu)化。SON部署的主要特點(diǎn)是與電下傾相關(guān)的、動(dòng)態(tài)的覆蓋范圍調(diào)整。

用更少的天線來(lái)滿足更高容量的需求

如前文所述，定向蜂窩天線的輻射范圍通常為120度（三分之一圓周）。安裝在三角塔上時(shí)，三套此類天線便可實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋。但是在人口稠密的城區(qū)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的需求量也更大，則需要通過(guò)采用更窄波束的天線（稱為六扇區(qū)方案）來(lái)處理附加通信量。盡管已經(jīng)證明，這種方案可有效擴(kuò)大容量，但由于需要以雙面天線取代單面天線，這不但會(huì)為通信塔帶來(lái)重量和風(fēng)荷載挑戰(zhàn)，而且可能會(huì)在區(qū)域劃分和塔頂資源分配等方面出現(xiàn)問(wèn)題，因此其應(yīng)用受到實(shí)際條件的限制。

最近提出的解決方案認(rèn)為，可采用康普公司的雙波束天線來(lái)解決這一問(wèn)題。該天線可產(chǎn)生中心間隔角度為60度的兩束相互獨(dú)立的38度波束。如圖3所示，這種雙波瓣方式不但可提供理想的覆蓋范圍，而且只需3個(gè)天線便可取代6根獨(dú)立的單波束天線。

圖3

在開(kāi)放場(chǎng)所、戶外活動(dòng)區(qū)域或高密度容量區(qū)（例如市區(qū)商務(wù)樓）等容量需求更高的區(qū)域，即便服務(wù)要求再高、容量需求再大，也可通過(guò)增加天線波束數(shù)量，縮小波束寬度來(lái)滿足。外形各異的3波束、5波束甚至18波束天線，不但可顯著提高容量，而且可通過(guò)采取提高天線增益、抑制對(duì)其它扇區(qū)的干擾等信噪比改善措施，來(lái)提高數(shù)據(jù)的吞吐量。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

各種新技術(shù)正在以驚人的速度得到開(kāi)發(fā)與部署。LTE是如今眾所周知的尖端網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。由于吸收了多入多出（MIMO）的概念，LTE有望徹底重塑網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行方式。MIMO技術(shù)可將數(shù)據(jù)分為多個(gè)數(shù)據(jù)流，采用多個(gè)天線在同一時(shí)間以相同的頻率進(jìn)行發(fā)送。2x2MIMO是指在下行鏈路中采用2個(gè)天線用于傳輸，手機(jī)中用2個(gè)天線進(jìn)行接收。

這一技術(shù)進(jìn)步令人興奮之處在于，MIMO性能接近了射頻通信的傳統(tǒng)限制極限，即香農(nóng)定理設(shè)定的限制，香農(nóng)定理描述了在給定帶寬條件下，數(shù)據(jù)吞吐量的大小。如圖4所示，在實(shí)際應(yīng)用中，僅可獲得帶寬的理論最大值的3dB以內(nèi)。借助2X2MIMO技術(shù)，容量有望達(dá)到受香農(nóng)定理限制的傳統(tǒng)3G網(wǎng)絡(luò)的兩倍。

圖4

對(duì)于LTE系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，若要最大限度發(fā)揮MIMO潛能，則必須盡可能降低干擾，這便意味著，對(duì)于新的4GLTE網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，扇區(qū)劃分具有更加重要的意義。如今，無(wú)線用戶需要在加快速度的同時(shí)，確保通話的穩(wěn)定性，因此，為了給當(dāng)下和未來(lái)打造穩(wěn)健的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速可靠傳輸和無(wú)縫語(yǔ)音功能，采用適合的天線和扇區(qū)劃分技術(shù)勢(shì)在必行。

從圖3可以看到，康普雙波束天線具有更小的波束間重疊。這種特性在LTE網(wǎng)絡(luò)中對(duì)容量的提升作用會(huì)更大，因?yàn)樗沟蒙葏^(qū)間的劃分更加精確了。