毕业设计（论文）天线在GSM无线网络优化中的作用.doc

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1、 四川托普信息职业技术学院毕业论文题 目 天线在移动通信网络优化中的作用 姓 名所在学院 四川托普信息职业技术学院专业班级 电信网优 （1）班 学 号 指导教师日 期 2011 年 10 月31 日 目录摘 要3关键词3引 言4第1章 天线的主要性能指标41 .1、工作频段41.2、方向图41.3、方向性参数61.4、天线增益61.5、输入阻抗81.6、驻波比81.7、极化方式91.8、双极化天线隔离度91.9 、三阶互调101.10、 阻抗101.11、前后比111.12、隔离度11第2章 天线的选择原则112.1、城区内话务密集地区112.2、在郊区或乡镇地区122.3、在农村地区122.

2、4、在铁路或公路沿线122.5、在城区内的一些室内或地下13第3章 维护中可能会影响网络性能的几个因素13第4章 通过调整天线参数优化网络的案例分析144.1、根据不同的地理环境调整基站无线参数以改善基站覆盖效果144.2、调整天线覆盖范围以改善话务量、解决切换和乒乓效应现象174.3、调整天线以减少周围干扰提高通话率18参 考 文 献19致 谢19摘 要主要介绍了天线的主要性能指标，以及根据不同的环境要求，选择不同类型的天线不同性能的天线适应于不同环境，满足不同的用户需求。移动通信网络的覆盖和服务质量；不同的地理环境，不同服务要求需要选用不同类型，不同规格的天线。天线调整在移动通信网络优化工

3、作中有很大的作用。关键词GSM 天线 移动通信 辐射 无线电波 网络优化 案例分析引 言无线技术是移动通信技术基础，基站天线是移动通信网络与用户手机终端空中无线联结的设备。天线是能量置换设备，是无源器件，其主要作用是辐射或接收无线电波，辐射时将高频电流转换为电磁波，将电能转换电磁能；接收时将电磁波转换为高频电流，将磁能转换为电能。天线的性能质量直接影响移动通信网络的覆盖和服务质量；不同的地理环境，不同服务要求需要选用不同类型，不同规格的天线。天线调整在移动通信网络优化工作中有很大的作用。第1章 天线的主要性能指标表示天线性能的主要参数有方向图，工作频段,增益，输入阻抗，驻波比，极化，双极化天线

4、的隔离度，及三阶交调等。1 .1、工作频段 天线的各项基本参数都是相对于某个频段来说的，这个频段就是该天线所能正常工作的工作频段，一般在900MHz的天线其工作频段的典型值为 880MHz960MHz ，1800MHz 频段的天线为 17101880MHz 。 1.2、方向图天线辐射电磁波是有方向性的，方向性表示天线向特定方向辐射（或接收） 电磁波功率的能力，它可以用电场强度、功率密度或者辐射强度等来描述。我们通常用垂直平面及水平平面上表示不同方向辐射（或接收）电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性，并称为天线辐射的方向图.同时用半功率点(3dB)之间的夹角表示了天线方向图中的水平波束宽度及垂

5、直波束宽度。例如某种定向天线的方向图为： （水平波瓣宽度 65 ，垂直波瓣宽度 7 ，内置俯仰角 6） 从垂直方向的天线方向图可以看出，在天线主波瓣的上方和下方都存在一些功率较强的旁瓣和一些几乎没有发射功率的零点存在。这会导致天线下方接收电平剧烈起伏，严影响服务质量。为解决此问题现在出现了具有上旁瓣抑制与零点填充功能的天线，它的使用可以避免上述问题的发生。 无零点填充的天线 使用了零点填充功能的天线 1.3、方向性参数不同的天线有不同的方向图，为表示它们集中辐射的程度，方向图的尖锐程度，我们引入方向性参数。理想的点源天线辐射没有方向性，在各方向上辐射强度相等，方向是个球体。我们以理想的点源天线

6、作为标准与实际天线进行比较，在相同的辐射功率某天线产生于某点的电场强度平方E2与理想的点源天线在同一点产生的电场强度的平方E02的比值称为该点的方向性参数D=E2/E02。1.4、天线增益增益和方向性系数同是表征辐射功率集中程度的参数，但两者又不尽相同。增益是在同一输出功率条件下加以讨论的，方向性系数是在同一辐射功率条件下加以讨论的。由于天线各方向的辐射强度并不相等，天线的方向性系数和增益随着观察点的不同而变化，但其变化趋势是一致的。一般地，在实际应用中，取最大辐射方向的方向性系数和增益作为天线的方向性系数和增益。天线的增益可以有以下两种定义(以电偶极子作为参照)：a: 在天线的最大辐射方向上

7、某一固定接收点接收到相同的场强所需要在理想天线发射的功率与该天线发射功率的比值，即 b: 在相同的发射功率下，在该天线的最大辐射方向上某一固定接收点的功率密度平均值 S av ( ,r ()与理想天线在同一点的功率密度平均值S av (r) 之比，即另外，表征天线增益的参数有dBd和dBi。dBi是相对于点源天线的增益，在各方向的辐射是均匀的；dBd相对于对称阵子天线的增益dBi=dBd+2.15。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。天线的选用并不是增益越大越好，天线的增益越大 方向图中主波束越窄， 副瓣尾瓣越小，可以看出高的增益是以减小天线波束的照射范围为代价的。下图给出了 ALLG

8、ON 公司制造的工作于 900M 和 1800M 频段的两组四个天线的部分参数。从图中可以看到每组中的两个天线在其它指标基本相同的情况下，当增益从15.5dBi增大到18dBi后，它的垂直方向3dB波束宽度就从13减小到 6.5。所以我们在选择天线时在能满足要求的情况下尽量选择增益较小的天线，这样可以使天线近处的覆盖效果更佳。 几种不同增益天线的比较 1.5、输入阻抗输抗是指天线在工作频段的高频阻抗，即馈电点的高频电压与高频电流的比值，可用矢量网络测试分析仪测量，其直流阻抗为0。一般移动通信天线的输入阻抗为50。1.6、驻波比由于天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗不可能完全一致，会产生部分的信号反

9、射，反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波，其相邻的电压最大值与最小值的比即为电压驻波比VSWR。假定天线的输入功率P1，反射功率P2，天线的驻波比VSWR=（+）/（-）。一般地说，移动通信天线的电压驻波比应小于1.5，但实际应用中VSWR应小于1.2。VSWR 通过以下方法计算： 假设馈线阻抗为Z0，天线阻抗为Zl，入射波为,当Z0Zl时,馈线上就一定会产生一个相应的反射波,这时线路上某一点的电压反射系数为：由于存在反射波，所以从信号源来的有效功率没有全部送到负载，有一部分被反射，这种损耗称之为“回波损耗”，用dB定义为： 驻波比定义为沿着传输线上的电压最大值(波腹电压)与最小值(波节电压)的

10、比值，即：1.7、极化方式根据天线在最大辐射（或接收）方向上电场矢量的取向，天线极化方式可分为线极化，圆极化和椭圆极化。线极化又分为水平极化，垂直极化和45极化。发射天线和接收天线应具有相同的极化方式，一般地，移动通信中多采用垂直极化或45极化方式。1.8、双极化天线隔离度双极化天线有两个信号输入端口，从一个端口输入功率信号P1dBm，从另一端口接收到同一信号的功率P2dBm之差称为隔离度，即隔离度=P1-P2。移动通信基站要求在工作频段内极化隔离度大于28dB。45o双极化天线利用极化正交原理，将两副天线集成在一起，再通过其他的一些特殊措施，使天隔离度大于30dB。1.9 、三阶互调 互调干

11、扰是由传输信道中的非线性电路产生的，当两个或者多个不同频率的信号同时输入到非线性的电路中时，由于非线性器件的作用，会产生许多谐波和组合频率分量，其中与有用信号频率相近而落入接收机通带内的这些频率就会顺利进入接收机而形成干扰，这就是互调干扰，也成为交调干扰。假如我们输入频率为A和B的两个信号，根据理论可以计算出会产生以下的干扰频率： 2 阶： (A+B),(A-B) 3 阶： (2A B,)( 2B A) 4 阶： (3A B),( 3B A),( 2A 2B) 5 阶： (4A B)( 4B A)( 3A 2B)( 3B 2A) 一般我们的工作频率都出于某一特定频带内，也就是A与B的频率相差不

12、会很远，根据上边的结论可以看到三阶、五阶、七阶的干扰频率中会有一些频率落在我们的工作频带内造成干扰。从数学公式看出越高阶的系数越小，也就是强度越弱， 一般七阶级以上的干扰都可以忽略不计，五阶的影响也远小于三阶干扰，所以一般只考虑三阶互调干扰。互调一般都是由于天线的铁磁质材料不纯、接触问题或设备损坏造成。但是还存在一种发射机互调干扰，这是由于基站使用多部不同频率的发射机 (FDMA) 所造成，当多部发射机处于同一地点或者距离很近时，无论它们是各自使用天线还是公用天线，它们的信号都有可能通过电磁耦合或其它途径进入其它发射机中，从而产生互调干扰，由于末端功放通常工作于非线性状态，所以这种干扰通常产生

13、于发射机末端的功率放大器中，并且会随着发射出去。1.10、 阻抗 由于目前在GSM移动通信系统中所使用的馈线阻抗一般都是50欧姆，为了保证良好的匹配，减少电压反射系数，所使用的天线阻抗都是50欧姆。1.11、前后比 前后比是天线辐射出来主瓣的功率最大值与后半的功率最大值的比值： F/B=10log(P ( 前向 ) /P ( 后向 ) ) 现代天线的前后比一般都大于25dB或大于30dB。前后比大的天线，从天线后方发射出来的信号功率越小，这就能更好的减小网内干扰1.12、隔离度 隔离度一般是指对于双极化天线或者双频天线各个天馈线接口之间的隔离度， 现代天线的隔离度一般都大于30dB。除了这些典

14、型参数之外，简单介绍一下通信方程式，根据该方程可以粗略估算位于基站的覆盖范围内某一点的接收电平： 第2章 天线的选择原则2.1、城区内话务密集地区在话务量高度密集的市区，基站间的距离一般在500-1000米，为合理覆盖基站周围500米左右的范围，天线高度根据周围环境不宜太高，选择一般增益的天线，同时可采用天线下倾的方式。天线下倾的倾角计算公式为：=arctg(h/(r/2),为波束倾角，h为天线高度，r为站间距离。选择内置电下倾的双极化定向天线，配合机械下倾，可以保证方向图水平半功率宽度在主瓣下倾的角度内变化小。（1）对话务量高密集市区，基站间距离300-500米，可计算出天线倾角大约在10-

15、19之间，原天线单纯使用机械下倾的方式，下倾角一般在10以上，水平方向图半功率波瓣宽度将变宽，造成站间干扰；后来我们采用西安海天的内置电下倾9的双极化天线HTDBS096515(9)，这样电下倾加上机械下倾可变倾角将达15，可保证水平方向图半功率波瓣宽度在主瓣下倾的10-19内无变化，同时结合适当调底基站发射功率，完全可以满足对话务量高密集市区覆盖且不干扰的要求。 （2）对话务量较密集市区，基站间距离大于500米，可计算出天线倾角大约在6-15之间，我们采用西安海天的内置电下倾6的45双极化天线HTDBS096515（6），这样电下倾加上机械下倾可变倾角将达10，可保证水平方向图半功率波瓣宽度

16、在主瓣下倾的6-16内无变化，可以满足对话务量较密集市区覆盖且不干扰的要求。（3）话务量底密集市区，基站间距离可能更大，天线倾角大约在3-12之间，可采用内置电下倾3的45双极化天线HTDBS096515（6），这样电下倾加上机械下倾可变倾角将达8，可保证水平方向图半功率波瓣宽度在主瓣下倾的3-12内无变化，可以满足对这一区域覆盖且不干扰的要求。2.2、在郊区或乡镇地区在话务量不太密集的郊区或乡镇地区，信号覆盖范围要适当大，基站间距离较大，可以选用单极化，空间分集，增益较高的65定向天线，如西安海天的（17dB）65定向天线HTDBS096517型号的天线，既考虑容量又兼顾覆盖。2.3、在农村

17、地区在话务量很底的农村地区，主要考虑信号覆盖，基站大多是全向站。天线可考虑采用高增益的全向天线，如西安海天的（11dBi）高增益天线HTQ-09-11型号的天线，天线架高可设在40-50米，同时适当调大基站发射功率，以增强信号的覆盖范围，一般平原地区-90dBm覆盖距离可达5公里。2.4、在铁路或公路沿线在铁路或公路沿线主要考虑沿线的带状覆盖分布，可以采用双扇区型基站，每个区180；天线宜采用单极化3dB波瓣宽度为90的高增益定向天线，两天线相背放置，最大辐射方向与高速路的方向一致。另外，如果沿路方向话务量很底，既考虑覆盖又考虑设备成本，可采用全向天线变形的双向天线，双向3dB波瓣宽度为70，

18、最大增益为14dBi，如：西安海天的全向天线变形的双向天线HTSX-09-14型号的天线。2.5、在城区内的一些室内或地下 在城区内的一些室内或地下，如：高大写字楼内，地下超市，大酒店的大堂等，信号覆盖较差，但话务量较高。为满足这一区域用户的通信需求，可采用室内微蜂窝或室内分布系统，天线采用分布式的底增益天线，以避免信号干扰影响通信质量。总之，天线在移动通信网络优化中起到非常大的作用，同时馈线，馈线转换头及室内外跳线的质量也非常大地影响移动通信基站的覆盖质量。大部分覆盖效果差的基站是由于馈线及连接部分的质量差引起的，可通过VSWR仪表逐级逐段测量来判定质量差的部分，及时更换以保证整个基站天馈线

19、部分的质量，保证基站的运行质量和覆盖质量。第3章 维护中可能会影响网络性能的几个因素 当按照设计完成移动基站建设之后，天线的大部分性能指标就已经固定， 在日常的网络维护中会对网络造成影响的主要有俯仰角和驻波比这两个参数。 天线的下倾角是我们在网络优化中经常调整的参数之一，通过天线俯仰角的调整，可以简单、有效的解决某些特定地区覆盖问题、消除越区覆盖、均衡话务等，但是俯仰角调整过程中应当注意两个问题： 1 、天线俯仰角一般都有机械和电子两种可调。机械倾角在度数较小时调整对天线的波束不会产生过大的影响，但是当度数较大时调整机械倾角会导致天线辐射出的波束发生畸变，开始向两边展宽，这就必然会对其它小区造

20、成干扰，而且会影响本小区的信号质量。但是调整电子倾角度数很大时天线波束不会变形，所以当下倾度数过大时，尽量以调整电子倾角为宜。 2 、天线的俯仰角设置应当合理，否则会严重影响基站性能。举例：某市某地曾新开两个1800M基站用以吸收话务，但是开通后基站话务接近为零，不能达到预期效果。经过仔细检查发现一个城区基站天线位于很高的铁塔之上，为了更多吸收话务，俯仰角设置很小，结果城区内接收到的信号电平都非常弱，由于900M信号较强，用户根本不能占用1800M信号。 另外一个位于旅游景点附近，十余米高的天线下倾角设置到 15度左右，结果在景区内走到距离天线稍远处接收到的信号电平就急剧下降，迅速切换， 导致

21、基站话务量很低。将这两个站俯仰角重新调整后恢复正常。 天线的驻波比应该是固定不变，但是实际使用中由于天馈线进水，过度弯曲，馈线受损，天线受损或者连接处接触不良等原因都会导致在机柜处测量到某些频段内驻波比升高，超出规定值。根据以前的介绍可以看到驻波比的升高会导致反射功率增加，正常输出功率减少，这就会使基站输出的某些频率的信号功率大幅度减少，轻则导致通话过程中噪声很大， 影响话因质量，重则整个小区无法正常通话，呼叫建立成功率极低。发生这种情况就必须尽快查明原因，尽快解决。第4章 通过调整天线参数优化网络的案例分析4.1、根据不同的地理环境调整基站无线参数以改善基站覆盖效果（1）、天线选型和基站站型

22、不当白山移动张家基站：O4站型改为S222站型该基站原使用公路双向天线4根，分两扇区十字型架设。基站所处地为山区，基站周围用户群呈胖椭圆形分布，有一条东西走向的公路自用户群中间通过，沿公路方向用户群分布基本在同一水平面，无起伏现象，与公路垂直方向的用户群分布较分散，且处于低洼里，因为天线架设较高（挂高60米），加之公路双向天线无法调节俯仰角，在基站北偏西45度处有一企事业单位办公区，信号较弱，通话困难，该区集群用户多次投诉，处理多次均无法解决。经现场路测，投诉区信号为-90至-98dBm，信号弱区小余-85dBm，其他区域信号良好。勘测后认为，该地区用户分布较广，数量较多，天线架设过高，天线选

23、型不当，不宜用公路双向天线进行覆盖，建议将该基站改为S222型定向站，采用三面双极化定向天线加以解决。经更换天线、重调俯仰角及方位角后，问题得到圆满解决，整个覆盖区内通话良好，客户非常满意。 （2）、天线架设选型不当，造成覆盖不好白山移动八道沟基站：原站型为O2基站，现更改为O2+S2型基站。八道沟基站位于距白山市约200公里长白山之中，该基站为全向站，采用凯瑟琳公司11dBi、0度全向天线两根，天馈线驻波比测试均在1.4-1.5之间。基站架于中朝边境的鸭绿江西岸中国侧，基站建在一座高约120米的山上，铁塔高度50米，用户群分布分散，地形复杂，周围群山的山上及山腰处、基站所在的山下的八道沟里均

24、有大量用户群分布。由于八道沟地势较低，尽管距基站仅有1公里，但信号非常弱，而且飘忽不定。在八道沟中测试，路面信号为-65至-85dBm,室内信号为-95dBm以下,无法通话；周围山上信号均在-85dBm以上，能良好通话。经勘测和了解，该基站覆盖远端带有两个直放站。所以，用户要求既要保证远处山上及山腰的用户群能良好通话，又要保证山下八道沟内用户能良好通话，同时网络的覆盖范围不能缩小。经认真勘测，综合考虑后，决定对八道沟基站原来所用的凯瑟琳全向天线更换为11dB全向天线，另外，对该基站增加一个定向扇区，采用17dBi双极化定向天线一面，用于专门覆盖八道沟内的用户群，经改装后的基站信号覆盖效果非常好

25、，不仅使周围群山上的信号得到增强，而且使八道沟内的室内外信号均高于-75dBm，用户非常高兴。 （3）、天线选型和基站天线方位角不当长征路基站：站型改为S4/3/3站型该基站为地面铁塔站，站型为S4/3/3型，天线挂高40米，原使用凯瑟林双极化14dBd天线3面，分三扇区架设。基站所处地为市区，基站周围用户群呈圆形分布，有一条南北走向的公路自用户群中间通过，沿公路方向用户群分布基本在同一水平面，无起伏现象，与公路垂直方向的用户群分布也较集中，主要为居民区。因为原天线水平瓣宽为60度，天线方位角设计不合理，在基站北偏东20度处有一同升村小区，处于两扇区相交之处，信号较弱，通话困难，该区集群用户多

26、次投诉，处理多次均无法解决。经现场路测，投诉区信号为-85至-97dBm，信号稳定性差，电平起伏在20dB左右，其他区域信号良好。勘测后认为，该地区用户分布较广，数量较多，由于原天线水平瓣宽较窄，该信号弱区正好处于两扇区夹缝处，主要靠天线旁半覆盖，造成信号不稳定，掉话较高。建议将该基站改用水平波瓣较宽的90度17dBi双极化天线进行定向覆盖，并重新规划天线各扇区的方位角。后经更换天线、重调俯仰角及方位角后，问题得到圆满解决，整个覆盖区内通话良好，客户非常满意。地形示意图： 4.2、调整天线覆盖范围以改善话务量、解决切换和乒乓效应现象乒乓效应、覆盖不好（1）、白山兴原一号站、二号站（乒乓效应、覆

27、盖不好）：兴原朝鲜族自治县，位于长白山区，中朝边境处，县城周围群山环绕，县城内有两个定向基站，距县城约2公里处有一个全向基站。城内一号基站建于县城中央的建筑物顶，天线挂高45米，俯仰角5度，基站话务量较大，站型为S888，负担沉重，每日12时-14时，18时-20时均有拥塞现象；兴原二号站建于县城北面的高山上，天线挂高相对覆盖平面300米，天线俯仰角3度，站型S224，话务量很低。测试中发现，县城街道及周围公路上两基站信号均较强，电平为-60 -75dBm之间，切换频繁，但进入室内信号急剧下降，信号强度为-85 -98dBm,用户投诉频繁。经过现场勘查发现，县城用户群分布密集，虽然楼方高度只有

28、六层左右，但楼群相互距离近，密集度高，信号阻挡严重。根据此情况，我将县城内的基站天线下倾角调至0度，用于覆盖县城周围的公路。将县城北面山上的基站正对用户群的1、2扇区下倾角调至最大15度，居高临下用于覆盖城内用户群。如此调节后，整个县城及周围地带信号均得到明显增强，室内信号由原来的不能通话提升到-60- -75dBm,话音清晰良好，频繁切换现象消失，一号基站的话务量有所回落，二号基站即山顶基站的话务量大幅度提高，基站站型由原来的S224站型扩为S464站型。该站地形分布情况如图： 4.3、调整天线以减少周围干扰提高通话率（1）、湖南邵阳郊外一基站该基站站型为S222，基站天线挂高65米，采用6

29、5度15.5dBi双极化天线3面，话务统计中发现B扇区话务量为0，路测覆盖电平均大于-70dBm。经现场检查测试发现，该基站B扇区受到较强的外来信号干扰，造成基站长期无法通话，接通率为0。经仪器测试并分析，发现干扰源来自附近一广播电视局的数字微波站。经协商，广播电视局的微波站暂时关闭后，干扰消失，基站通话恢复正常，微波站开通后，干扰信号又出现。针对这种情况，建议对该基站加装滤波器，并对基站天线方位角作适当调整，使主波瓣指向避开干扰信号源来向。该方法实施后，基站通话恢复正常，话务量得到大幅度提高。（2）、天津制衣厂基站（天线性能异常造成同频干扰）天津制衣厂基站地处天津市中心位置，天线安装于九楼楼

30、顶，并有约3米高的增高架，话务量比较高。在距离基站100多米远的街道上，覆盖电平很好，都在-75dBm以上，但有一段约150米的距离内发现同频干扰现象，通话质量很差，经多次调节，效果一直不明显。技术人员现场勘察测试后，发现是由于该站使用天线的前后比指标不合格所引起的，B扇区基站天线的背向辐射信号和远处某一基站的信号产生干扰，建议更换天线。后来将该基站原先使用的国外某公司的65度15dB的双极化天线，更换为同类型的新天线后，经测试覆盖效果良好，彻底解决了覆盖区内的同频干扰问题。地形图如下： 参 考 文 献 1. 陈振国,“微波技术基础与应用 ”,北京邮电大学出版社，1996 年10月； 2. 郭

31、梯云,邬国扬，李建东，“移动通信”,西安电子科技大学出版社，2000年5月； 3. 焦其祥,王道东，“ 电磁场理论 ”,北京邮电学院出版社，1997年7月； 4. 肖良勇,“无线网络优化中的天线 ”,西安海天天线科技股份有限公司,2002年9月；致 谢通过这三个月来的忙碌和学习，本次毕业论文设计已接近尾声，作为一个大专生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，在这里衷心感谢指导老师的督促指导，以及一起学习的同学们的支持，让我按时完成了这次毕业设计。在毕业论文设计过程中，我遇到了许许多多的困难。在此我要感谢我的指导老师尹靖宇老师给我悉心的帮助和对我耐心而细致的指导，我的毕业论文较

32、为复杂烦琐，但是尹靖宇老师仍然细心地纠正图中的错误。除了敬佩尹靖宇老师的专业水平以外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作，我才得以解决毕业设计中遇到的种种问题。同时感谢我院、系领导对我们的教导和关注；感谢大学三年传授我们专业知识的所有老师。谢谢你们呕心沥血的教导。还有谢谢我周围的同窗朋友，他们给了我无数的关心和鼓励，也让我的大学生活充满了温暖和欢乐。如果没有他们的帮助，此次毕业论文的完成将变得困难。他们在我设计中给了我许多宝贵的意见和建议。同时也要感谢自己遇到困难的时候没有一蹶不振，取而代之的是找到了最好的方法来解决问题。最后，感谢生我养我的父母。谢谢他们给了我无私的爱，为我求学所付出的巨大牺牲和努力。