漫话5G与5G基站（3）
胡经国
㈥、基站天线
基站天线（BaseStationAntenna）用于让一定区域覆盖网络信号。在移动通信网工程设计中，应该根据网络的覆盖要求、话务量分布、抗干扰要求和网络服务质量等实际情况来合理选择基站天线。
1、基站天线分类
基站天线按用途可分为基地台天线和移动天线；按工作频段可划分为超长波、长波、中波、短波、超短波和微波天线；按其方向性可划分为全向和定向天线；按其结构特性可划分为线天线和面天线。
基站使用的天线分为发射天线和接收天线，而且有全向和定向之分，一般有下列三种配置方式：发全向、收全向方式；发全向、收定向方式；发定向、收定向方式。从字面上我们就可以理解每种方式的不同，发全向主要负责全方位的信号发送；收全向自然就是全方位的接收信号了；定向的意思就是只朝一个固定的方向进行发送和接收。一般情况下，频道数较少的基站（如位于郊区）常采用发全向、收全向的方式；而频道数较多的基站则采用发全向、收定向的方式，而且基站的建立也比郊区更为密集。
2、基站板状天线
一种像木板形状的基站天线叫做“板状天线”。它是现在用得最多的一类基站天线。它属于定向天线；一块“板子”就是一个扇区；通常安装在高处，板面朝向覆盖方向，会向下倾斜一定角度。
板状天线有以下几种类型：宽频段板状基站天线；双频段板状基站天线；三频段板状基站天线；3G单频段板状基站天线。
板状天线属于定向天线。板状天线是移动通信系统天线的一种，主要用于室外信号覆盖。无论是GSM还是CDMA，板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠以及使用寿命长。
3、全向和定向基站天线
基站天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。根据方向性的不同，基站天线有全向和定向两种。下面主要讲解一下它们之间的区别以及相关参数。
⑴、全向天线
全向天线，即在水平方向图上表现为360°均匀辐射，也就是平常所说的无方向性；在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，在一般情况下波瓣宽度越小增益越大。全向天线在通信系统中一般应用距离近，覆盖范围大，价格便宜。其增益一般在9dB以下。全向天线的辐射范围比较象一个苹果。
⑵、定向天线
定向天线，又叫做板状天线，在在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性；在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束，同全向天线一样，波瓣宽度越小增益越大。定向天线在通信系统中一般应用于通信距离远，覆盖范围小，目标密度大，频率利用率高。定向天线有通过反射板的定向天线，也有通过阵列合成而成的定向天线（成本太高，特别相控阵天线，一个移相器需上千块，一个T/R组件大概上万)，增益可达到20dB以上。
⑶、全向和定向天线的关系
在卫星通信中用到高增益螺旋天线。我们也可以这样子来思考全向天线和定向天线之间的关系：全向天线会向四面八方发射信号，前后左右都可以接受到信号；定向天线就好像在天线后面罩一个碗状的反射面，信号只能向前面传递，射向后面的信号被反射面挡住并反射到前方，加强了前面的信号强度。
4、基站天线使用环境类型及其选择
由于基站天线类型的选择与地形、地物以及话务量分布紧密相关，因而可以将基站天线使用环境大致分为五种类型：城区、密集城区、郊区、农村地区、交通干线等。
⑴、城区基站天线
城区基站密度较高，单站预期覆盖范围较小，选择基站天线时应考虑以下几方面：
①、为了减少干扰，应选用水平半功率角接近于60度的天线。这样的天线所构成的辐射方向图接近于理想的三叶草型蜂窝结构，与现网适配性较好，有助于控制越区切换。
②、城区基站一般不要求大范围覆盖，而更注重覆盖的深度。由于中等增益天线的有效垂直波束相比于高增益天线较宽，覆盖半径内有效的深度覆盖范围较大，可以改善室内覆盖效果，所以选用中等增益天线较好。
③、由于城区基站天线安装空间往往有限，因而选用双极化天线比较切合实际。
综上所述，城区基站适宜选用水平半功率角为60度左右的中等增益的双极化天线。例如，水平半功率角为65度的15dBi双极化天线。
⑵、密集城区基站天线
密集城区基站天线的选择与一般城区基站类似。但是，由于密集城区基站站距往往只有400～600米，在使用水平半功率角为65度的15dBi双极化天线以及天线有效挂高35米的情况下，因而天线下倾角可能设置在14.0～11.5度之间。此时，如果单纯采用机械下倾的方式，那么倾角过大将引起水平波束变宽和干扰增大，同时上副瓣也会引入较大干扰。若采用电子式倾角天线，则可以较好地解决波形畸变的问题，产生的干扰相对较小。所以，密集城区基站选用电子式倾角的、水平半功率角为60度左右的、中等增益双极化天线较为合适。
⑶、农村地区基站天线
在农村地区，鉴于话务量较小，预期覆盖面积较大的特点，当选择基站天线时应考虑以下几方面：
①、对于CDMA网络而言，为了提高定向基站两扇区天线服务交叠区间的通信质量（交叠区内有宏观分集的效果），增大交叠区面积，适宜选用水平半功率角较大的天线。例如，水平半功率角为90度的天线。
②、对于GSM网络而言，为了提高覆盖质量，在平原地区使用水平半功率角较大的天线效果较好；但是，同时会产生切换区域增大的问题。因而，在山区和丘陵地带使用水平半功率角较小的天线易于控制覆盖方向和范围，效果较好。
③、为了保证覆盖半径，应选择高增益天线。
④、由于极化分集依赖于移动台周围反射体和散射体的分布，因而对于地物分布相对较稀疏的农村地区，极化分集效果不如空间分集。因此，在安装条件具备的情况下，应尽可能使用单极化天线。
⑤、如果基站周围各方向上都没有明显阻挡，话务需求较小，预期覆盖范围也较小，那么可以选用全向天线。
综上所述，CDMA网络农村地区定向基站适宜选用水平半功率角较大的高增益单极化天线。例如，水平半功率角为90度的17dBi单极化天线。GSM网络农村地区定向基站适宜选用水平半功率角适配的高增益单极化天线。例如，水平半功率角为90度或65度的17dBi单极化天线。而全向基站则可以选用11dBi的全向天线。
⑷、郊区基站天线
郊区的情况介于城区和农村之间。对于站距较大的基站，可以参照农村基站天线的选用原则；反之则参照城区基站天线的选用原则。
⑸、交通干线基站天线
如果覆盖目标仅为高速公路或铁路等交通干线，那么可以考虑使用8字形天线。8字形天线具有如下特点：
①、8字形天线的辐射方位图与交通干线需覆盖区域的形状匹配较好；
②、8字形天线实际上是全向天线的变形，因此无需采用功分器；
③、使用一根天线代替两扇区天线，成本较低。如果覆盖目标为交通干线及其一侧的村镇，那么可采用方向角为210度的天线。这种天线的辐射方位特性使得天线波瓣能够同时顾及到交通干线和村镇。它具有与8字形天线类似的特点。
5、基站天线设置
基站天线设置需要重点考虑下倾角、方向角、天线挂高、天线分集距离和隔离距离等参数。
⑴、下倾角设置
合理设置天线下倾角不但可以降低同频干扰的影响，有效控制基站的覆盖范围和整网的软切换比例（对CDMA网络而言），而且可以加强本基站覆盖区内的信号强度。通常天线下倾角的设定有两方面侧重，即：侧重于干扰抑制和侧重于加强覆盖。这两方面侧重分别对应不同的下倾角算法。一般而言，对于基站分布密集的地区应侧重于考虑干扰抑制，而对于基站分布较稀疏的地区则侧重于考虑加强覆盖。
①、考虑干扰抑制时的下倾角
在基站天线半功率角范围内，天线增益下降缓慢，在超过半功率角以后，天线增益（尤其是上波瓣）衰减很快。因此，从控制干扰的角度考虑，可以认为半功率角的延长线到地面的交点（B点）为该基站的实际覆盖边缘。在基站周围环境理想情况下，下倾角可按以下公式计算：α=actan(H/R)+β/2。
上式中：α为天线下倾角，H为天线有效高度，β为天线垂直半功率角。R为该小区最远的覆盖距离，即覆盖长径R。
在理想情况下，R=2D/3。实际上天线的辐射方向图不可能完全适配三叶草型蜂窝结构。水平半功率角为60度左右的天线与之比较接近，而水平半功率角为90度的天线则相差较大。因此对于使用水平半功率角为90度天线的基站，取R=D/2。
②、考虑加强覆盖时的下倾角
在基站分布比较稀疏的地区，天线下倾角设定无需考虑垂直半功率角等因素的影响。为了保证覆盖区边缘有足够强的信号，可以认为天线主瓣方向延长线到地面的交点（B点）为该基站的实际覆盖边缘。在基站周围环境理想情况下，下倾角可按以下公式计算：α=actan(H/R)。
③、天线下倾角设置的实际应用
由于基站周围环境十分复杂，因而基站天线下倾角设置还必须考虑附近山体、水面和高大玻璃幕墙的反射和阻挡。所以，具体基站天线下倾角设置可利用上述方法，同时结合具体环境最终设定。
6、基站天线参数
电气参数ElectricSpecifications
频率范围Frequencyrang(MHz)806～960
极化方式Polarization垂直Vertical
增益Gain(dBi)17.5
波瓣宽度Beamwidth(°)H:65V:7
前后比Front-to-backratio(dB)≥25
输入阻抗InputImpedance(Ω)50
电压驻波比VSWR≤1.5
上第一副瓣抑制Sidelobesuppressionforfirstsidelobeabovehorizon15dB
最大功率Maxpower(W)400
雷电保护Lightningprotection直流接地DCGround
机械参数MechanicalSpecifications
接头类型ConnectormodelN母头NFemale
天线尺寸Antennasize(mm)245028080
包装尺寸Packingsize(mm)2500320170
天线重量Antennaweight(kg)15
天线罩材料RadomematerialUPVC
天线罩颜色Radomecolor灰色Gray
机械可调倾角Mechanicaltilt(°)0～10
工作温度WorkingTemperatu(°c)-40～60
极限风速RatedWindVelocit(m/s)60
抱杆直径Polediamete(mm)50～75
㈦、基站定位
基站定位（LocationBasedService，LBS），又叫做基于位置的服务；一般应用于手机用户，手机基站定位服务又叫做移动位置服务。它是通过电信移动运营商的网络（如GSM网）获取移动终端用户的位置信息（经纬度坐标），在电子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务。例如，目前中国移动动感地带提供的动感位置查询服务等。
1、技术原理
基站定位的大致原理为：移动电话测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频信号的TOA（TimeofArrival，到达时刻）或TDOA（TimeDifferenceofArrival，到达时间差）；根据该测量结果并结合基站的坐标，一般采用三角公式估计算法，就能够计算出移动电话的位置。实际的位置估计算法需要考虑多基站（3个或3个以上）定位的情况，因此算法要复杂很多。一般而言，移动台测量的基站数目越多，测量精度越高，定位性能改善越明显。
手机定位是指通过特定的定位技术来获取移动手机或终端用户的位置信息（经纬度坐标），在电子地图上标出被定位对象的位置的技术或服务。定位技术主要有两种：一种是基于GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统）的定位；一种是基于移动运营网基站的定位。此外，还有利用Wifi在小范围内定位的方式。
基于GPS的定位方式，是利用手机上的GPS定位模块，将自己的位置信号发送到定位后台来实现手机定位的。其定位精度较高。
而基于移动运营网基站的定位方式，则是利用基站对手机距离的测算距离来确定手机位置的。它不需要手机具有GPS定位能力，但是其精度很大程度依赖于基站的分布及覆盖范围的大小，有时误差会超过1公里。
GPS定位使用卫星，比较费电，精确，但是在室内无法定位。基站定位的精度较低，但是可以在室内定位。
2、主要应用和典型应用
⑴、主要应用
基站定位主要应用于手机用户、GPS手持端等，如中国移动动感地带提供的动感位置查询服务；谷歌手机地图等各类手机地图软件中的粗略定位；和GPS配合产生的A-GPS等等，都是利用基站定位来实现的。
⑵、典型应用
①、家长定位老人、儿童
这主要是出于安全和关心的需求。
②、企业对车辆的管理
出于GPS成本高以及地下室等无信号的原因，有些物流企业采用了手机GSM（GlobalSystemforMobileCommunication，全球移动通信系统）定位技术方案。这种方案的成本是GPS的1/3。但是，受移动基站网络资源的限制，在连续定位方面的成本较高。
应用事例：私家车（防盗报警）、租赁车（跟踪定位）、公司车辆（防盗调度）、运钞车、营运车（实时跟踪）、出租车（电召服务）、公交系统调度等。
③、企业对员工的管理
能提供对于有多个分部的销售公司，对销售人员上班时间工作的管理，如企效通服务。
3、技术要求
⑴、覆盖率
一方面要求覆盖的范围足够大；另一方面要求覆盖的范围包括室内。用户大部分时间是在室内使用该功能，从高层建筑和地下设施必须保证覆盖到每个角落。手机定位覆盖率的范围，可以分为三种覆盖率的定位服务：在整个本地网、覆盖部分本地网和提供漫游网络服务类型。除了考虑覆盖率以外，网络结构和动态变化的环境因素，也可能使一个电信运营商无法保证在本地网络或漫游网络中的服务。
⑵、定位精度
手机定位应该根据用户服务需求的不同提供不同的精度服务，并且可以提供给用户选择精度的权利。例如，美国FCC推出的定位精度在50米以内的概率为67%，定位精度在150米以内的概率为95%。定位精度一方面与采用的定位技术有关，另外还要取决于提供业务的外部环境，包括无线电传播环境、基站的密度和地理位置以及定位所用设备等。
4、移动定位
随着用户需求的增加，移动定位技术受到越来越多的关注，推动了对移动定位技术的研究及测距技术的发展。如何尽可能地利用现存网络资源，低成本地实现对用户的精确定位一直是研究的焦点。
实现移动定位主要有以下两大类解决方案：
第一类是由移动站（MS）主导的定位技术。单从技术角度讲，这种技术更容易提供比较精确的用户定位信息，它可以利用现有的一些定位系统，例如，在移动站中集成GPS接收机，从而利用现成的GPS信号来实现对用户的精确定位。但是，这类技术需要在移动站上增加新的硬件。这将对移动站的尺寸和成本带来不利的影响。
第二类是由基站（BS）主导的定位技术。这种解决方案需要对现存的基站和交换中心作出某种程度的改进，但是它可以兼容现有的终端设备。其可选用的具体实现技术主要包括：测量信号方向（信号的到达角度，简称AOA）的定位技术、测量信号功率的定位技术、测量信号传播时间特性（到达时间，简称TOA；到达时间差，简称TDOA）的定位技术。为了提高定位的精度，也可以采用上面数种技术的组合。
2021年10月12日编写于重庆
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