龙勃透镜天线在高铁场景下的应用研究

刁枫，刘航，符凯，赵明峰

（1.中国移动通信集团四川有限公司，四川 成都 610000；2.中国移动通信集团设计院有限公司四川分公司，四川 成都 610045）

0 引言

当前，4G经过多轮投资建设后逐步迈入尾声，4G网络已是较为成熟的网络。根据工信部发布的2020年通信业数据统计，4G用户总数达到12.89亿户，4G终端渗透率达到80.8%。而当前5G作为新基建重要组成部分已上升为国家战略，处于大规模快速建设阶段，导致投资建设重点转移到5G方向，但移动4G业务发展仍然迅猛，不限流量套餐持续推广带来数据流量呈爆发式增长，4G资源需求依旧旺盛，尤其新增的高速/高铁等干线场景资源缺口较大，现有的匹配资源难以满足不断涌现的需求。因此，在新增投资及资源极度短缺的现实情况下，如何利用新技术、新产品低成本、高效地解决当前新增高速/高铁等干线场景覆盖、以及已有高铁干线场景弱覆盖需求，就成为网络规划建设亟需解决的问题[1-3]，也是未来很长一段时间内整个网络优化与规划领域最为重要的工作之一。

由于龙勃透镜天线目前有单波束和多波束两大类较为成熟的产品，多波束主要解决容量、广域覆盖场景，单波束主要解决高速/高铁等干线场景覆盖，目前应用较为广泛的是单波束。为此，本文主要讨论单波束龙勃透镜天线在高铁场景下的应用，结合大量现场测试验证与分析，给出龙勃透镜天线在高铁场景下的具体应用建议，为低成本、高效解决当前高铁干线场景覆盖提供技术参考。

1 龙勃透镜天线简介

龙勃透镜（Luneburg lens）最早是由德裔美国数学家鲁道夫·卡尔·卢纳伯格（Rudolf Karl Lüneburg）于1944年提出[4-5]。该透镜天线的原理为利用多层介质球体的折射特性，将单个天线单元的低增益、宽波束的电磁波信号汇集成高增益、窄波束的电磁波信号。该工作原理与光学透镜聚焦原理相似，其优点主要体现在五个方面：1）焦点、圆心、平面波方向在一条直线上，更易实现窄波束高增益，满足线状场景覆盖；2）不同位置波束形状相同，更加容易实现多波束；3）无极化特性，满足单极化、双极化±45/HV、圆极化；4）波束陡降，多波束时波束之间的干扰较小，交叠带窄，大容量场景扩容能力较好；5）在相同增益下，垂直波宽约是板状天线的3～4倍，有效提升覆盖的深度。传统天线与龙勃透镜天线的信号辐射效果如图1所示。

图1 传统天线与龙勃透镜天线的信号辐射效果对比

现有厂商生产的单波束龙勃透镜天线主要以2/4/6/8端口四类型号为主，由于受专利保护等限制，当前外形主要以圆柱体和球形为主，共同满足的主要电气性能参数如表1所示。

表1 单波束龙勃透镜天线电气性能参数

2 高铁场景下的龙勃透镜天线应用策略

2.1 龙勃透镜天线覆盖能力与选型策略

当前，高铁车体主要分为和谐号和复兴号两种类型，车速以最高250 km/h考虑，结合龙勃透镜天线高铁试点应用情况和分析结论，综合考虑地形地貌、站轨距、天线相对铁轨挂高和入射角，以及小区间切换重叠带预留等因素，我们将高铁场景以不同频率覆盖（1 800 M/(F/A)/D）为基础，并结合划分的密集城区、一般城区、郊区和农村等四类场景，采用Cost-231 HATA为高铁链路预算的传播模型，通过链路预算得出天线主瓣方向小区覆盖半径SPM，再结合站址到铁轨垂直距离L，根据三角公式计算出极限最小入射角θ和小区投影到铁轨最大覆盖距离D，从而结合站间距计算出小区重叠覆盖区距离M，如图2所示。

图2 高铁覆盖能力测算示意图

图中d1表示终端位于待切换的目标小区电平值高于源小区2 dBm对应天线到终端的距离，d2表示终端处于两个站点中心位置所对应天线到终端的距离。进一步地，当极限最小入射角θ小于10°时，无线信号存在跃变，如图3所示，我们以近似直线斜率对最大允许路损PL（d）进行修正，得到修正后的PL（d）’=PL(d)-(1-θ/10)×8。

图3 入射角与损耗值对应关系

根据高铁网络规划要求，小区间切换预留200 m重叠带。在此基础上，根据龙勃透镜天线厂家提供的天线覆盖能力，并结合省内外龙勃透镜天线高铁试点应用情况，因为不同频率（1 800 M/(F/A)/D）下覆盖能力受限于频率高低，我们仅靠考虑D频段受限下的覆盖能力评估，采用Cost-231 HATA模型进行覆盖能力评估。

Cost-231 HATA模型如下：

其中f表示频率，ht表示基站天线等效高度，hr表示移动台等效高度，d表示收发间的距离。

通常市区环境修正参数cM在中等规模城市和郊区取值为0 dB，大型城市取值为3 dB。

进一步地，考虑到复兴号和和谐号的穿透损耗差异，我们分别列出在不同天线挂高和站轨距下的相应覆盖能力评估结果，如表2所示。

表2 不同站轨距/天线相对铁轨挂高的龙勃透镜天线有效覆盖铁轨距离（D频段）

相对于现有高铁所采用的传统高增益天线，龙勃透镜天线的水平波瓣宽度相对更窄，有效覆盖铁轨轨行区的范围大大收缩。因此，在高铁场景下，应结合现场环境、站轨距以及天线支持设备能力等多重因素综合考虑，采用龙勃透镜天线+传统板状天线相结合的方式进行覆盖，具体的高铁覆盖天线选型策略和覆盖距离评估如图4所示。

图4 高铁场景下的天线选型与覆盖能力评估流程

线路的弯曲角度是指以天线的主瓣方向覆盖最远端连线与天线引出的线路最大弯曲点的切线夹角，基于该评估流程，可有效地将规划站点位置、天线挂高、站轨距、视通情况、以及待覆盖轨行区线路情况、小区切换等多重因素结合起来，通过上述流程和步骤综合判断龙勃透镜天线的适用场景。对于无法满足的场景，可灵活采用传统的高增益板状天线进行覆盖，有效提升整条高铁线路的规划质量，达到节约投资的目的。

2.2 实例分析

为验证龙勃透镜天线在高铁场景下的覆盖能力，我们以某条高铁线路作为试点验证，选取“柏合二河村17组”和“柏合二河村24组”作为透镜天线覆盖能力测试试点，将中间的站点“柏合二河村16组高铁专网”闭站进行测试验证，其中柏合二河村17组和24组两个站点的挂高为28 m，站间距为1 300 m，站轨距分别为110 m和130 m，采用6端口的龙勃透镜天线，接入FDD 1 800 M、LTE F和D三个频段，站点相应示意图如图5所示。

图5 试点验证站点情况

基于上述的站点方案，我们对采用龙勃透镜天线替换天线前后进行了对比测试，结合后台指标，相应指标统计对比结果如表3所示。

表3 龙勃透镜天线试点测试指标对比分析结果

从试点测试指标对比结果来看，相对于传统天线，覆盖、性能等各项指标提升较为明显，能够有效提升覆盖距离，显著节约站址资源。

3 结束语

随着材料、工艺各方面的技术成熟，龙勃透镜天线作为一种新型的天线将在5G网络建设中扮演重要的角色。本文从龙勃透镜天线的性能特点出发，给出了该天线在高铁场景下的覆盖能力评估，以及相应选型适用条件，并以实例进行了相应验证，充分论证说明了龙勃透镜天线的适用价值，能够有效发挥其优势，助力运营商节约投资，提升高铁网络的覆盖效果。