CDMA网络电调天线及其网管系统应用分析

【摘要】电调天线系统可满足CDMA网络3G业务发展的需求。文章首先介绍了电调天线的原理与应用场景,及其相比于常规天线的优点;接着给出了电调天线综合网管系统的结构和两种组网方式,详述了其应用价值;最后分析了电调天线及其网管系统的应用现状与前景。

【关键词】电调天线 电调网管系统 CDMA 呼吸效应 3G

1 概述

作为空间电磁信号与移动基站收发信机间的接口,基站天线是移动通信系统的重要组成部分,直接关系到移动通信网络的覆盖范围和网络优化与运营指标。基站天线的选择和设置成为无线网络覆盖与优化的重要手段。

鉴于CDMA网络的技术特点,为了给用户提供清晰流畅的话音和高速可靠的3G数据业务,运营商要能提供实时优化和动态调整、以减少多元化业务动态流量造成的呼吸效应的网络服务,同时要能减少干扰的产生。而在业务密集区域逐步使用具有手动调节或远程控制功能的电调天线系统,可满足CDMA网络3G业务发展的需求。

据不完全统计,目前在欧美发达国家的3G移动网络中电调天线的比例大约为60%,而随着市场需求的增加及网络优化的深入,移动通信运营商对具有数字远程控制功能的天馈产品将有更高的要求。

2 电调天线

所谓电调天线,即指通过电子手段调整下倾角度的移动通信系统基站天线。电子下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位,改变垂直分量和水平分量的幅值大小,从而改变合成分量场强强度,使天线的垂直方向图呈一定角度的下倾。

目前电调天线大致可分为手动电调和遥控电调两种类型;而根据电机所处位置,又可分为电机内置与电机外置两种方式。遥控电调可分为塔下调节和远程网管调节两种场景。

2.1 实现原理

馈电网络将天线振子阵列i(i=1,2,…,M)的所有辐射单元通过移相器顺次激励出相差Φ,可改变各个天线辐射单元馈电相位,各个天线辐射单元合成即实现电调天线的连续电下倾。其原理如图1所示:

图1 电调天线的实现原理

对于间隔排列为d的M个单元振子的子阵列i(i=1,2,…,M),当相邻单元的相位呈等相均匀分布时,天线最大波束形成于法向正前方;当相邻单元的相位依次相差Φ时,最大波束形成于θ0空间方向。

相差定义为

Φ=2πdsinθ0/λ

其中:λ为工作波长,d为同一阵列中相邻单元的水平方向间距,θ0为下倾角。

2.2 应用场景

手动电调天线主要用于补网、扩容等小范围,比之机械调整天线下倾角省时省力且准确安全,可以不断电操作。

内置电调天线可以在塔下、机房遥控操作,比之手动电调更省时省力、准确安全。外置电调比之内置电调则更机动,电机发生故障时可方便更换,使用起来更为灵活、可靠。

通过远程网管调节方式可以在网管中心远程控制几千基站的电调天线,使网络优化效率、质量、费用控制达到极致。如将网络运行数据与电下倾角控制相结合,可为干扰、负载、小区范围的控制提供有效的优化手段。

2.3 应用价值

在实际网络建设与优化调整时,相比非电调常规天线,电调天线具有如下优点:

(1)全天候调节,省时省力

通过天线远程网管系统实现远程遥控调节,克服了常规天线需人工上塔调整费时费力的缺点,不但安全可靠,且可全天候实现对天线下倾角的调节。

使用电调天线,可以一次性地解决网络运维以及优化调整的难题,最大程度地降低网络运维成本,而且可以在最短的时间内对调整效果进行验证和进一步调整,还可有效、方便、快捷地解决话务高峰期随时间转移的问题(工作区域和生活区域的切换、交通枢纽区域用户随时间的变化)。

(2)远程调节,开源节流

常规的天线在调整天线下倾角时,需要人工爬塔操作,不管是从人员安全还是网络运行安全的角度考虑,均应先闭站;但闭站势必引起运营业务收入损失,且天线调整也需要一定的费用。

采用电调天线远程调整天线下倾角则无须闭站,能够尽可能减少话务损失,且节省了天馈人工调整费用。

(3)避免畸变,降低干扰

常规天线在大角度机械下倾时方位覆盖图畸变,容易引起覆盖的邻区干扰,导致覆盖性能变差。

电子下倾和机械下倾带来的天线方向图变化的差异随着下倾角度的增加而逐步增加。实践证明,电调天线下倾角度在1°～5°变化时,其天线方向图与天线机械下倾方式大致相同;当下倾角度在5°～10°变化时,其天线方向图较天线机械下倾方式稍有改善;当下倾角度在10°～15°变化时,其天线方向图较天线机械下倾方式改善较大;当电调天线下倾15°后,其天线方向图较天线机械下倾方式明显不同。这时天线方向图形状改变不大,主瓣方向覆盖距离明显缩短,整个天线方向图都在本基站扇区内。增加下倾角度,可以使扇区覆盖面积缩小,但不产生干扰,这样的方向图是我们需要的,意即采用电调天线能够降低呼损,减小干扰。如图2所示:

图2 电子下倾与机械下倾的天线方向图变化

3 电调网管系统

3.1 系统结构

目前行业内电调天线综合网管系统包括:电调天线中心控制单元CCU和电调天线网管软件。控制信息通过网管软件传达给CCU,再由CCU通过多芯电缆传达给室外控制单元RCU,由RCU完成对电调天线角度的调整,从而实现通过电调网管系统对区域所有电调天线下倾角的控制。如图3所示:

图3 电调天线综合网管系统结构

3.2 组网方式

电调天线综合网管系统通常采用集中组网和分级组网两种方式。

图4 电调天线综合网管系统集中组网方式

(1)集中组网方式

集中组网方式能满足运营商对所有在网网元设备进行集中监控的要求,系统具备多种接入方式接入各种网元设备,如E1线路、短信网关、无线Modem等。系统除了提供C/S结构的客户端以供办公网内部使用以外,还可提供web/wap方式供远程用户使用。如图4所示。

(2)分级组网方式

分级组网方式除了具备集中组网方式的功能以外,还能把部署在不同地方的多个网管中心联系起来。网管中心既能分别监控各自的网元,又能访问另一个网管中心所监控的网元设备。该方式适合于组建省级网管,如图5所示:

图5 电调天线综合网管系统分级组网方式

3.3 应用价值

(1)省时省力省成本

使用电调网管系统,可简单方便地对电调天线下倾角进行调节,无需人工到现场或爬塔操作,节省天线下倾角调整的时间及人力成本。

假设运营商在某一级城市建设了2000个3G基站,其中四分之一处于话务量会突变的市区环境,需要每天进行天线下倾角的调整。一个工程人员一天可调整4个基站的天线辐射角度,则每天需120多个工程人员同时工作。而使用电调天线网管系统后,每天仅需1～2名工程人员在机房设置数据,对约500个基站进行不闭站的动态调整。按照目前每副天线网优调整费用150元/次,每次天馈调整需对同一天线调整3次左右,合计每副天线450元;1个站点的3个扇区的双极化天线就为1350元,已相当于一副电调天线的价格。可见通过使用电调天线网管系统能有效降低天馈线调整的成本。

(2)有效缓解呼吸效应

电调天线综合网管系统能够对天线电下倾角实现实时动态的调整,优化各扇区的覆盖区域,有效地缓解CDMA网络系统的呼吸效应;还可有效减少覆盖交叠区的软切换概率,节约网络资源。

图6电调天线综合网管系统能有效缓解呼吸效应

(3)全天候服务

当需要对天线进行下倾角调整时,恰遇雷雨天气或道路不通等情况,将无法按时实现对天线倾角的调节。而使用电调网管系统可简单有效地解决此类问题,实现全天候服务。

(4)随需调节

在城镇繁华区域,某些场景特别是密集市区的话务量变化复杂,比如白天和夜晚的话务量分布不均,或平时和节假日的话务量分布模型迥异。通过电调天线及其网管系统,可根据覆盖区域内话务量的变化方便地随需调节。

4 电调天线及其网管系统应用分析

电调天线由于其在提高系统容量和抗干扰方面的不可替代的作用,以及在网络动态调整方面的便捷和人力成本上的节省,使得国外在网络建设上大量采用电调天线。据悉,欧美发达国家新建网络基本上以电调天线为主,且基本配置电调网管系统,实现对整个区域电调天线下倾角的远程调控。目前通信业发展迅猛的印度,电调天线的使用量接近50%。另外,沃达丰、AT&T等国际著名运营商,其新建网络也基本采用电调天线并配有集中网管系统。

在国内,移动通信网络较发达国家发展慢,早期网络以解决覆盖为主,网络优化的调整相对较少。因此,早期主要采用非电调天线,只有极个别发达城市使用少量的电调天线。但随着网络建设与优化工作的深入,电调天线方便快捷的电下倾角调节功能,越来越受到运营商的青睐,使用量也逐年上升。近年来国内运营商的电调天线使用比例大致如图7所示(不完全统计):

图7 过去4年国内电调天线使用比率

随着国内3G业务的推出,无线综合业务对网络的覆盖需求越来越趋于动态化,这进一步促进了电调天线的应用。目前,国内运营商电调天线使用比例逐步增长;相信随着3G网络建设的深入,电调天线的使用量将逐渐增大。虽然国内对于电调网管系统只有个别区域做了试点,还没有实质性的规模应用;但随着电调天线使用量的增大,为适应网优工作对大量核心密集区域电调天线的动态调整需求,远程电调网管系统必将逐步得到应用。

5 小结

综上所述,远程电调天线及其控制系统对提高网络质量、提升运营商网络品牌形象与用户感知、减少建设维护成本都具有巨大的作用,必将成为移动网络重要的网优手段与天馈发展的重要方向,其规模应用时代也即将到来。

【作者简介】

王祖鹏:毕业于华中科技大学电子与信息工程系,现就职于中国电信集团公司移动建设部,长期从事移动核心网设计与无线网络技术支撑工作。

唐刚:毕业于西安电子科技大学电子工程专业,现就职于中国电信广东无线网络优化中心,长期从事天线技术研究、无线网络优化与技术支撑工作。