優(yōu)化無線網(wǎng)絡的制勝法寶--天線和扇區(qū)塑形技術

　　隨著智能手機的普及，用戶對于網(wǎng)絡速度和充沛的數(shù)據(jù)流量的渴望已成為當今社會除了空氣，水之后的第三大必需品。無論處于移動中還是在家里，我們總是期待能夠使用快速穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接。

　　正因如此，網(wǎng)絡正面臨著巨大的容量緊缺危機。移動社會對數(shù)據(jù)有著巨大需求，且鐘情各種高帶寬應用，因此無線網(wǎng)絡面對的壓力越來越大，處于壓力之下的網(wǎng)絡又努力試圖跟上時代發(fā)展步伐，這一點在LTE長期演進環(huán)境中尤甚。解決容量問題的一個有效方法是扇區(qū)塑形。這是一種通過塑造天線方向圖形狀的一個巧妙方法，使運營商能夠開拓出更多容量，提高覆蓋范圍，并限制干擾程度。扇區(qū)塑形可以處理所有這些問題，并通過控制扇區(qū)之間的干擾，助力提升網(wǎng)絡性能。此外，它還有助于增加信道數(shù)量以利于用戶接入。

　　天線

　　天線是無線系統(tǒng)的重要和關鍵組成部分，也是無線網(wǎng)絡最明顯的構成組件。天線有不同的形狀和大小，專門為實現(xiàn)特定目的而打造。天線功能能達到的周圍距離稱為蜂窩，類似這樣的多個蜂窩便組成蜂窩網(wǎng)絡。通過在特定蜂窩內(nèi)重新分配特定的頻率，這些蜂窩還可以被重復使用以增加網(wǎng)絡容量。通常情況下，蜂窩以互鎖六邊形圖案表示。根據(jù)所服務區(qū)域的密度，這些六邊形的距離或長達數(shù)英里，或只有幾百英尺。

　　扇區(qū)塑形

　　信道靈敏度受到外部干擾的限制，而非像老式無線電通訊那樣歷來都受到噪音問題的限制。通過其利用定向天線實現(xiàn)的方向圖賦形專門技術(包括方位角(水平方向)和垂直角(垂直空間))，扇區(qū)塑形這種方法可以在對相鄰蜂窩造成極小干擾的情況下實現(xiàn)精確覆蓋。

　　相鄰蜂窩與扇區(qū)之間的能量重疊是一個關鍵的性能指標。扇區(qū)功率比是對在某個期望的接收區(qū)域內(nèi)、外獲得的信號功率進行的比較，作為某個天線輻射方向圖的結(jié)果。該比值越低，說明天線的性能越好。

　　在蜂窩網(wǎng)絡應用中，扇區(qū)功率比越高，則表示相鄰覆蓋區(qū)域內(nèi)天線之間的干擾越高。由于在重疊區(qū)域內(nèi)信號的競爭，干擾可能會增加，并最終降低性能。這會導致諸如電話掉話等性能問題;為防止出現(xiàn)這樣的干擾，必須進行精確的扇區(qū)分割規(guī)劃。

　　為了支持巨大數(shù)量的語音和數(shù)據(jù)通信流量，蜂窩網(wǎng)絡會在整個網(wǎng)絡內(nèi)多次重復利用頻率或信道編碼。通常情況下，在相似頻率或編碼上工作的蜂窩會面臨很高的干擾，這些干擾可以使用扇區(qū)塑形技術來最小化。通過扇區(qū)塑形和由此帶來的干擾約束程度的提升，同樣的頻率或信道編碼可在相互靠近的蜂窩內(nèi)被重復使用，同時還可提高頻譜效率、容量和網(wǎng)絡性能。

　　隨著蜂窩基站密度的增加，為了降低蜂窩之間的干擾，單個蜂窩基站的覆蓋范圍經(jīng)常會被縮減。人們可以通過降低天線的高度來縮減覆蓋范圍，但這種做法通常是不可取的，因為它會增加將天線置于諸如建筑物或植物枝葉等諸多周圍障礙物之下的機會。另一種減少覆蓋面積的方式是通過使用扇區(qū)天線波束傾斜即下傾。所謂波束傾斜，是指天線的垂直方向圖傾斜。這樣做可以減少水平方向的覆蓋范圍——在該方向上會發(fā)生對相鄰蜂窩基站的干擾。

　　通過使用大多數(shù)天線供應商都供應的調(diào)整支架來機械地傾斜整個扇區(qū)天線，可以最輕松地實現(xiàn)這一點。但覆蓋范圍在天線法線方向上會縮減的較多，而在遠離法線的其他角度上則縮減的較少。這一現(xiàn)象也被稱為“方向圖變形”。

　　先進的網(wǎng)絡會利用電下傾角來恰當?shù)貎A斜扇區(qū)天線的垂直波束。天線會仍然保持直立，而波束傾斜通過改變傳遞到每個元件的電相位來實現(xiàn)。這有助于實現(xiàn)蜂窩覆蓋范圍的一致縮減。該傾角可在不擴大“方向圖變形”的情況下增加。

　　此外，電下傾角也可以使用先進的天線系統(tǒng)遠程控制來實現(xiàn);隨著向諸如長期演進(LTE)等更復雜的技術的遷移，未來先進的天線系統(tǒng)將變得更加重要。

　　用更少的天線來滿足更高容量的需求

　　由于蜂窩天線是有方向性的，通常可覆蓋120度，因此如果將3組這樣的天線一起安裝在三角形塔架上，就可以覆蓋所有方向。在人口稠密的地區(qū)，增加的流量可以使用較窄的聚焦天線(稱為六扇區(qū)方案)進行處理。該方案是一個行之有效的增加容量的方法，但在實際執(zhí)行上卻面臨限制，因為它需要使用兩個天線面，而此前只需一個即可——這樣做會導致重量和風載問題。

　　這個問題可以使用多波束天線克服;舉例來說，多波束天線可以產(chǎn)生兩個獨立的38度波束，兩個波束中心以60度指向分開。這種雙波束方案能夠提供出色的覆蓋范圍，并且只需要三根天線，而不是六根獨立的單波束天線。對于高密度容量地區(qū)的更高容量需求，使用更窄波束的天線甚至可以為要求最苛刻的區(qū)域提供容量。諸如3波束、5波束、甚至18波束天線等替代選項具有能夠顯著增加容量的形狀，并且還可通過提高天線增益并約束對其他扇區(qū)造成的干擾來提高信噪比，從而提高數(shù)據(jù)吞吐量。

　　展望未來

　　目前正在開發(fā)中的新技術有許多，當今最受關注的前沿網(wǎng)絡被統(tǒng)稱為LTE網(wǎng)絡，具有徹底改變網(wǎng)絡性能的潛力。LTE網(wǎng)絡采用的是一種名為“多輸入多輸出”(MIMO)的概念，可以將數(shù)據(jù)傳輸分割成多個數(shù)據(jù)流，并使用多個天線在相同頻率上同時發(fā)送這些數(shù)據(jù)流。

　　MIMO可以應對由“香農(nóng)定律”(Shannon‘s Law)定義的典型射頻通信限制因素，這一點使得MIMO性能變得如此杰出。香農(nóng)定律支配著在某特定帶寬傳輸?shù)耐掏铝恳?guī)模。在實際應用中，你只能期待獲得不到3dB的理論最大帶寬，而使用2x2 MIMO，你則有可能將受該定律制約的傳統(tǒng)3G網(wǎng)絡的容量增加一倍。

　　如果人們希望實現(xiàn)MIMO潛力的最大化，則需要將干擾降至最小化。有鑒于此，對于4G/LTE網(wǎng)絡而言，扇區(qū)塑形就變得更加重要。用戶對更快速度和無縫服務的需求不斷增加，這意味著選擇合適的天線和使用扇區(qū)塑形技術將成為所有運營商的重要考慮因素。