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优化无线网络的制胜法宝--天线和扇区塑形技术

http://www.c114.com.cn ( 2015/7/17 17:33 )

随着智能手机的普及,用户对于网络速度和充沛的数据流量的渴望已成为当今社会除了空气,水之后的第三大必需品。无论处于移动中还是在家里,我们总是期待能够使用快速稳定的网络连接。

正因如此,网络正面临着巨大的容量紧缺危机。移动社会对数据有着巨大需求,且钟情各种高带宽应用,因此无线网络面对的压力越来越大,处于压力之下的网络又努力试图跟上时代发展步伐,这一点在LTE长期演进环境中尤甚。解决容量问题的一个有效方法是扇区塑形。这是一种通过塑造天线方向图形状的一个巧妙方法,使运营商能够开拓出更多容量,提高覆盖范围,并限制干扰程度。扇区塑形可以处理所有这些问题,并通过控制扇区之间的干扰,助力提升网络性能。此外,它还有助于增加信道数量以利于用户接入。

天线

天线是无线系统的重要和关键组成部分,也是无线网络最明显的构成组件。天线有不同的形状和大小,专门为实现特定目的而打造。天线功能能达到的周围距离称为蜂窝,类似这样的多个蜂窝便组成蜂窝网络。通过在特定蜂窝内重新分配特定的频率,这些蜂窝还可以被重复使用以增加网络容量。通常情况下,蜂窝以互锁六边形图案表示。根据所服务区域的密度,这些六边形的距离或长达数英里,或只有几百英尺。

扇区塑形

信道灵敏度受到外部干扰的限制,而非像老式无线电通讯那样历来都受到噪音问题的限制。通过其利用定向天线实现的方向图赋形专门技术(包括方位角(水平方向)和垂直角(垂直空间)),扇区塑形这种方法可以在对相邻蜂窝造成极小干扰的情况下实现精确覆盖。

相邻蜂窝与扇区之间的能量重叠是一个关键的性能指标。扇区功率比是对在某个期望的接收区域内、外获得的信号功率进行的比较,作为某个天线辐射方向图的结果。该比值越低,说明天线的性能越好。

在蜂窝网络应用中,扇区功率比越高,则表示相邻覆盖区域内天线之间的干扰越高。由于在重叠区域内信号的竞争,干扰可能会增加,并最终降低性能。这会导致诸如电话掉话等性能问题;为防止出现这样的干扰,必须进行精确的扇区分割规划。

为了支持巨大数量的语音和数据通信流量,蜂窝网络会在整个网络内多次重复利用频率或信道编码。通常情况下,在相似频率或编码上工作的蜂窝会面临很高的干扰,这些干扰可以使用扇区塑形技术来最小化。通过扇区塑形和由此带来的干扰约束程度的提升,同样的频率或信道编码可在相互靠近的蜂窝内被重复使用,同时还可提高频谱效率、容量和网络性能。

随着蜂窝基站密度的增加,为了降低蜂窝之间的干扰,单个蜂窝基站的覆盖范围经常会被缩减。人们可以通过降低天线的高度来缩减覆盖范围,但这种做法通常是不可取的,因为它会增加将天线置于诸如建筑物或植物枝叶等诸多周围障碍物之下的机会。另一种减少覆盖面积的方式是通过使用扇区天线波束倾斜即下倾。所谓波束倾斜,是指天线的垂直方向图倾斜。这样做可以减少水平方向的覆盖范围——在该方向上会发生对相邻蜂窝基站的干扰。

通过使用大多数天线供应商都供应的调整支架来机械地倾斜整个扇区天线,可以最轻松地实现这一点。但覆盖范围在天线法线方向上会缩减的较多,而在远离法线的其他角度上则缩减的较少。这一现象也被称为“方向图变形”。

先进的网络会利用电下倾角来恰当地倾斜扇区天线的垂直波束。天线会仍然保持直立,而波束倾斜通过改变传递到每个元件的电相位来实现。这有助于实现蜂窝覆盖范围的一致缩减。该倾角可在不扩大“方向图变形”的情况下增加。

此外,电下倾角也可以使用先进的天线系统远程控制来实现;随着向诸如长期演进(LTE)等更复杂的技术的迁移,未来先进的天线系统将变得更加重要。

用更少的天线来满足更高容量的需求

由于蜂窝天线是有方向性的,通常可覆盖120度,因此如果将3组这样的天线一起安装在三角形塔架上,就可以覆盖所有方向。在人口稠密的地区,增加的流量可以使用较窄的聚焦天线(称为六扇区方案)进行处理。该方案是一个行之有效的增加容量的方法,但在实际执行上却面临限制,因为它需要使用两个天线面,而此前只需一个即可——这样做会导致重量和风载问题。

这个问题可以使用多波束天线克服;举例来说,多波束天线可以产生两个独立的38度波束,两个波束中心以60度指向分开。这种双波束方案能够提供出色的覆盖范围,并且只需要三根天线,而不是六根独立的单波束天线。对于高密度容量地区的更高容量需求,使用更窄波束的天线甚至可以为要求最苛刻的区域提供容量。诸如3波束、5波束、甚至18波束天线等替代选项具有能够显著增加容量的形状,并且还可通过提高天线增益并约束对其他扇区造成的干扰 来提高信噪比,从而提高数据吞吐量。

展望未来

目前正在开发中的新技术有许多,当今最受关注的前沿网络被统称为LTE网络,具有彻底改变网络性能的潜力。LTE网络采用的是一种名为“多输入多输出”(MIMO)的概念,可以将数据传输分割成多个数据流,并使用多个天线在相同频率上同时发送这些数据流。

MIMO可以应对由“香农定律”(Shannon’s Law)定义的典型射频通信限制因素,这一点使得MIMO性能变得如此杰出。香农定律支配着在某特定带宽传输的吞吐量规模。在实际应用中,你只能期待获得不到3 dB的理论最大带宽,而使用2x2 MIMO,你则有可能将受该定律制约的传统3G网络的容量增加一倍。

如果人们希望实现MIMO潜力的最大化,则需要将干扰降至最小化。有鉴于此,对于4G/LTE网络而言,扇区塑形就变得更加重要。用户对更快速度和无缝服务的需求不断增加,这意味着选择合适的天线和使用扇区塑形技术将成为所有运营商的重要考虑因素。

   来源:厂商供稿

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