基于MATLAB的LTE智能天線廣播波束仿真與權值優化

汪 鵬 張德樹 吉洪武

中國移動通信集團天津有限公司

0 引言

TD-LTE網絡普遍采用的8通道智能天線，作為一種陣元系統，智能天線可以通過改變各天線陣元的激勵（即權值，包含幅值及相位）實現天線波束賦形。天線波束賦形又可進一步劃分為業務波束賦形（自適應波束賦形）和廣播波束賦形。

LTE網絡中，小區參考信號（CRS）采用廣播波束賦形，小區參考信號用于小區選擇、重選、切換等下行信號質量評估，其覆蓋性能決定著小區的有效輻射范圍。LTE系統中，廣播波束賦形采用預制權值方式，通過對智能天線陣列施加特定的幅度和相位激勵，形成扇區廣播波束覆蓋的輻射方向圖。優化廣播波束權值設置，可控制廣播波束的輻射方向圖，降低小區間干擾、實現系統信干比的最優化。

本文主要通過對LTE智能天線廣播波束覆蓋方向性進行分析，借助MATLAB強大的數值計算能力及繪圖功能實現LTE天線輻射方向仿真，結合現網天線權值設置進行優化，實現覆蓋范圍、覆蓋質量的最優化設置。

1 LTE智能天線陣方向圖分析及MATLAB仿真

1.1 LTE智能天線陣方向圖分析

智能天線是N列取向相同的天線按照一定方式排列和激勵，利用波的干涉原理形成預定波束的陳列結構天線。其中4+4雙極化天線是TD-LTE網絡中普遍采用的一種典型8通道天線，其天線陣布放示意圖如下所示。

圖1 4+4 交叉極化智能天線

以4+4雙極化天線某一極化方向為例，其在單個極化方向上構成4陣列等距直線天線陣。設陣列間隔為d，則時域上陣元n（n取值1、2、3或4）與陣元1的相位差為：k×(n-1)×d×cosθ (其中 k=2π/λ)。

圖2 TD-LTE智能天線陣列示意圖

設天線各陣列空間取向一致，單個陣列最大電流振幅為I，各陣列初始幅值激勵分別為m1、m2、m3、m4、初始激勵相位分別為?1、?2、?3、?4，則某一陣列電流In表示為：

天線各陣列在H面的方向性函數相同，以陣列1為參考天線，設E1m為不考慮激勵陣列1最大電場場強，則設置權值激勵后陣列1、陣列n在遠場產生的場強分別表示為：

根據電磁場疊加原理，觀測點總電場矢量E如下：

以陣列1為參考天線，則LTE智能天線方向性函數可表示為：

設：

對于4陣列LTE智能天線，f1（θ）為元因子，只與陣元天線的結構與架設方位有關，與權值激勵無關；fa（θ）為陣因子，取決于陣列間的相對位置（陣列方式）以及幅值及相位激勵設置，與元天線無關。本文主要討論不同權值設置對陣因子影響。

1.2 LTE智能天線陣方向圖的MATLAB仿真

LTE現網智能天線權值配置通常采用天線廠家建議權值配置，權值幅度值多采用有損配置方式（部分端口幅度激勵不為1）。有損配置方式會引起波束權值損耗，使得實際天線廣播波束增益降低2.5-4dB，導致小區覆蓋范圍的減少。

MATLAB是美國MathWords公司開發的建立在向量、數組和矩陣基礎上的一種分析和仿真軟件包，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境?；贛ATLAB可方便實現天線波束輻射方向圖仿真計算以及數據可視化圖形化呈現。

為解決傳統有損天線權值影響小區有效覆蓋范圍的問題，建議對LTE智能天線采用無損權值配置方式，同時基于MATLAB編程實現陣列天線方向圖仿真計算與繪制，直觀實現有損與無損權值配置下智能天線廣播波束輻射情況對比，為現網推廣應用提供參考。下表為現網常用的LTE F頻段及D頻段有損及無損權值配置參數：

表1 TD-LTE F頻段智能天線權值配置

表2 TD-LTE D頻段智能天線權值配置

根據公式7，利用MATLAB程序可以繪制出LTE智能天線在不同權值配置下其廣播波束陣因子方向圖。

圖3 F頻段智能天線有損權值與無損權值陣因子方向圖對比

圖4 D頻段智能天線有損權值與無損權值陣因子方向圖對比

如上圖所示，根據MATLAB仿真對比分析，在F頻段（1.9GHz）及D頻段（2.6GHz），LTE智能天線在無損權值配置下，其陣因子方向圖增益均明顯優于有損權值配置。為此計劃將MATLAB仿真結果推廣現網于LTE現網小區，通過對LTE現網小區應用無損廣播權值配置，進一步分析理論仿真與現網實際應用結果對比，驗證權值優化對LTE單小區有效覆蓋范圍增強效果。

2 基于權值歸一化調整效果分析

2.1 F頻段智能天線權值歸一化效果對比

選取愛尚寶峰F-1小區開展有損及無損權值調整掃頻對比試驗，該小區天線方向角70度、下傾角10度，其不同權值配置下掃頻覆蓋RSRP電平分布圖如下：

圖5 F頻段智能天線不同權值配置下掃頻覆蓋對比

表3 F頻段智能天線不同權值配置下掃頻采樣分布

根據圖5所示，對比掃頻覆蓋效果，在該小區天線主瓣覆蓋方向（如圖中圈示），無損權值配置下覆蓋效果明顯優于有損權值配置。根據周邊道路鎖小區掃頻采樣點分析，無損權值配置其平均RSRP電平為-86.56dBm，有損權值配置下平均RSRP電平為-89.13dBm，無損權值歸一化后平均覆蓋電平提升2.57dB。

2.2 D頻段智能天線權值歸一化效果對比

選取滄江道D-3小區開展有損及無損權值調整掃頻試驗，該小區天線方向角300度、下傾角12度，其不同權值配置下掃頻覆蓋RSRP電平分布圖如下：

圖6 D頻段智能天線不同權值配置下掃頻覆蓋對比

表4 D頻段智能天線不同權值配置下掃頻采樣分布

根據圖6所示，對比掃頻覆蓋效果，在該小區天線主瓣覆蓋方向（如圖中圈示），無損權值配置下覆蓋效果明顯優于有損權值配置。根據周邊道路鎖小區掃頻采樣點分析，無損權值配置其平均RSRP電平為-96.02dBm，有損權值配置下平均RSRP電平為-99.70dBm，無損權值歸一化后平均覆蓋電平提升3.68dB。

3 天線權值歸一化效果分析

根據MATLAB仿真以及F頻段及D頻段小區掃頻效果對比，無損權值設置下小區有效覆蓋范圍、平均覆蓋電平均有提升?；谝陨戏治?，在塘沽網格54下完成天線權值歸一化推廣，效果對比如下：

表5 無損權值歸一化推廣效果對比

根據對比，無損權值歸一化實施后，統計日均數據流量、日均RRC均有增長，同時路測LTE覆蓋率、平均RSRP覆蓋電平以及SINR等指標有不同程度改善，整體推廣效果良好。

4 結束語

本文通過對TD-LTE現網8通道智能天線權值對陣因子輻射方向圖的影響分析得出，有損權值因幅度激勵不為1導致廣播波束覆蓋增益下降，影響小區有效覆蓋范圍。通過MATLAB仿真直觀驗證了有損與無損權值對廣播波束增益的影響，與理論分析相吻合。

通過對現網F頻段、D頻段單小區LTE智能天線配置無損廣播權值，對比掃頻數據分析，其單小區平均RSRP覆蓋電平提升約2.5～3.5dB。進一步將無損權值配置推廣在網格簇區域內全部小區，無損權值配置下網絡質量在路測覆蓋率、覆蓋電平、流量吸收等方面均有不同程度提升。通過廣播權值配置優化實現了LTE網絡的覆蓋性能、網絡質量的有效提升，達到了預期效果。