不同环境条件下移动基站的天线选型设计方案
2011.3数据通信
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不同环境条件下移动基站的天线选型设计方案
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欧阳慧勇1叶卓映2朱琳（1. 泉州信息职业技术学院泉州362000；
2. 厦门城市职业学院厦门361008）
摘要：介绍了目前国内移动通信系统中常见天线种类和性能指标，重点分析了移动通信系统的几种典型环境下的天线选型方案。
关键词：移动通信；基站；天线
移动通信系统中常见的基站天线主要分室外基站天线和室内分布天线两种。室外基站天线主要有机械全向天线、预制电下倾全向天线、单极化定向机双极化定向机械天线、双极化定向预制电下械天线、
倾天线和双极化定向电调天线；室内分布天线主要壁挂天线、八木天线等。此外还有一些有吸顶天线、
用于特殊情况下的天线，如用于覆盖地铁和隧道的泄漏电缆、无线直放站施主天线常用的栅格抛物面天线等。天线的性能指标分电气性能指标和机械性波瓣宽度、极化方能指标，电气性能指标包括增益、功率容量、三阶交调、频率范围等；机械指标包括天线的尺寸、重量、调整范围、温度、最大风速、接头型式、天线抱杆、安装和下倾辅件、防雷等，决定了天线的工作环境和安装要求。
根据地形或话务量的分布将天线使用的环境大
市区（高楼多，话务大）、郊区（楼房致分为8种类型：
较矮，开阔）、农村（话务少）、公路（带状覆盖）、山区（或丘陵，用户稀疏）、近海（覆盖极远，用户少）、隧道、大楼室内。
干扰，提高频率复用率。
天线选用原则：（1）极化方式选择：由于市区基站站址选择困难，天线安装空间受限，建议选用双极
（2）方向图的选择：在市区主要考虑提高频化天线。
率复用度，一般选用定向天线。（3）半功率波束宽度的选择：为了能更好地控制小区的覆盖范围抑制干
扰，市区天线水平半功率波束宽度选60°～65°。在天线增益及水平半功率角度选定后，垂直半功率角也就定了。（4）天线增益的选择：由于市区基站一般不要求大范围的覆盖距离，因此建议选用中等增益的和降低成本。根据目前天线型号，建议市区天线增益视基站疏密程度及城区建筑物结构等选用15～18dBi 增益的天线。若市区内用作补盲的微蜂窝天线增益可选择更低的如10～12dBi 的天线。（5）预置下倾角及零点填充的选择：市区天线一般都要设置一定的下倾角。因此，为增大以后的下倾角调整范围，可以选择具有固定电下倾角的天线（建议选3°～6°）零点填充或电调天线。由于市区基站覆盖距离较小，特性可不作要求。（6）下倾方式选择：由于市区的天线倾角调整相对频繁，且有的天线需要设置较大的倾角，而机械下倾不利于干扰控制，所以在可能的情况下建议选用预置下倾天线。条件成熟时可以选择电调天线。（7）下倾角调整范围选择：要求天线支架
向、电压驻波比、端口隔离度、上旁瓣抑制、前后比、天线。同时天线的体积和重量可以变小，有利于安装
1市区基站天线选择
应用环境特点：基站分布较密，要求单基站覆盖
范围小，尽量减少越区覆盖的现象，减少基站之间的
收稿日期：2011-04-11
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的机械调节范围在0～15°。
推荐：半功率波束宽度65°/中等增益/带固定电
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线；若覆盖距离不要求很远且天线很高，可以采用电下倾（3°或5°）。天线相对主要覆盖区挂高不大于50m 时，可以使用普通天线。
另外，对全向站还可以考虑双发天线配置以减小塔体对覆盖的影响。此时需要通过功分器把发射信号分配到两个天线上。
下倾角或可调电下倾+机械下倾的双极化天线。
2农村基站天线选择
应用环境特点：基站分布稀疏，话务量较小，覆
盖要求广，有的地方周围只有一个基站，覆盖成为最为关注的对象，这时应结合基站周围需覆盖的区域来考虑天线的选型。一般情况下是希望在需要覆盖的地方通过天线选型得到更好的覆盖。
天线选用原则：（1）极化方式选择：从发射信号的角度，在较为空旷地方采用垂直极化天线比采用其他极化天线效果更好；从接收的角度，在空旷的地采用双极化天线进行极化分集接收时，分集增益不
（2）方如空间分集，所以建议选用垂直单极化天线。向图选择：如果要求基站覆盖周围的区域，且没有明显的方向性，基站周围话务分布比较分散，此时建议这里的广覆采用全向基站覆盖。需要特别指出的是：
盖并不是指覆盖距离远，而是指覆盖的面积大而且没有明显的方向性。同时需要注意的是：全向基站由于增益小，覆盖距离不如定向基站远。全向天线在安装时要注意塔体对覆盖的影响，并且天线一定要与地平面保持垂直。如果运营商对基站的覆盖距离有更远的覆盖要求，则需要用定向天线来实现。一般情
120°的定向天况下应采用水平面半波束宽度为90°、
线；在某些基站周围需要覆盖的区域呈现很明显的
（3）天线形状，可选择地形匹配波束天线进行覆盖。增益的选择：视覆盖要求选择天线增益，建议在农村
地区选择较高增益16～18dBi 的定向天线或11dBi 的全向天线。（4）预置下倾角及零点填充的选择：由于预置下倾角会影响到基站的覆盖能力，所以在农村以覆盖为主的地方建议选用不带预置下倾角的天线。但天线挂高在50米以上且近端有覆盖要求时，可以优先选用零点填充（大于15%）的天线来避免塔下黑问题。（5）下倾方式的选择：农村地区对天线的下
3郊区基站天线选择
应用环境特点：郊区的应用环境介于城区环境
与农村环境之间，有的地方接近城区，基站数量不少，频率复用较为紧密，这时覆盖与干扰控制在天线选型时都要考虑；而有的地方又接近农村，覆盖成为重要因素。因此在天线选型方面可以视实际情况参面积来估计大概需要的天线类型。
天线选用原则：（1）根据情况选择水平面半功率波束宽度为65°的天线或选择半功率波束宽度为90°的天线。当周围的基站较少时，应优先采用水平面半功率波束宽度为90°的天线；若周围基站分布很密，则天线选择原则参考城区基站的天线选择；若周围基站较很少，且将来扩容潜力不大，则可参考农村
（2）考虑到将来的平滑升级，一的天线选择原则。
（3）是否采用预置下倾角般不建议采用全向站型。
应根据具体情况来定。即使采用下倾角，一般下倾角也较小。
推荐选择：半功率波束宽度90°/中、高增益的天
方由于信号的反射较少，信号的极化方向改变不大，考城区及农村的天线选型原则，并根据需要的覆盖
线，可以用电调下倾角或机械下倾角。
4公路覆盖基站天线选择
应用环境特点：该环境下话务量低、用户高速移
动，要重点解决覆盖问题。公路覆盖与大中城市或平原农村的覆盖有较大区别，一般要实现的是带状覆盖，故公路的覆盖多采用双向小区；在穿过城镇、旅游点的地区也综合采用三向、全向小区；并强调广覆盖，要结合站址及站型的选择决定采用的天线类型。不同的公路环境差别很大，较为平直的公路，
倾调整不多，其下倾角的调整范围及特性要求不高，如高速公路、铁路、国道等，推荐在公路旁建站，采
建议只采用机械下倾方式。（6）对于定向站型推荐选用S1/1/1、或S1/1站型，配以高增益定向天线实现覆择：半功率波束宽度90°/中、高增益/单极化空间分盖；蜿蜒起伏的公路如盘山公路、县级山区公路等，
主要采用机械下倾角/零点填要结合在公路附近的乡村覆盖，集，或90°双极化天线，选择高处建站。站型充大于15%。（7）对于全向站型推荐：零点填充的天
要灵活配置，将用到全向加定向等特殊站型。不同的
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5山区覆盖基站天线选择
应用环境特点：丘陵山区山体阻挡严重，电波的
路段环境差别也很大，如高速公路与铁路所经过的地形往往复杂多变，所以对其无线网络的规划及天线选型时要在充分勘查的基础上具体对待各段公路，灵活规划。
在初始规划进行天线选型时，应尽量选择覆盖距离广的高增益天线进行广覆盖，在覆盖不到的盲
传播衰落较大，覆盖难度大，通常为广覆盖。在基站很广的覆盖半径内分布零散用户，话务量较小。基站山腰间、山脚下、或山区的合适位置。需或建在山顶、
要区分不同的用户分布、地形特点来进行基站选址、
区路段可选用增益较低的天线进行补盲。选型、选择天线。几种情况比较常见：盆地型山区建
天线选用原则：（1）方向图的选择：以覆盖铁路、站、高山上建站、半山腰建站、普通山区建站等。在盆公路沿线为目标的基站，可以采用窄波束高增益的地中心选址建站，若盆地范围不大，推荐采用全向O2定向天线。可根据布站点的道路局部地形起伏和拐站型；若盆地范围较大，或需要兼顾到某条出入盆地弯等因素灵活选择天线形式。如果覆盖目标为公路及周围零星分布的村庄，可以考虑采用全向天线或变形全向天线，如八字形或心形天线。纯公路覆盖时
8字根据公路方向选择合适站址采用高增益（14dBi ）），或考虑S0.5/0.5的配置，最好具有零型天线（O2/O1
的交通要道，推荐采用S1/1/1或O ＋S 的站型。有时受制于微波传输的因素，必须在某些很高的山上建
站，此时天线离用户分布面往往有150米以上的落差。如果覆盖的目标区域就在山脚下附近，此时需配以带电子下倾角的全向天线，使信号波形向下，避免
点填充；对于高速公路一侧有小村镇，用户不多时，出现“塔下黑”的现象。在半山腰建站，基站天线的挂
（2）极化方式选高低于山顶，可以采用210°～220°变形全向天线。山的背面无法覆盖，因此只需用定向小
择：从发射信号的角度，在较为空旷地方采用垂直极区，半功率角较大的天线覆盖山的正面。普通地形起化天线比采用其他极化天线效果更好；从接收的角度，在空旷的地方由于信号的反射较少，信号的极化方向改变不大，采用双极化天线进行极化分集接收时，分集增益不如空间分集。所以建议在进行公路覆
（3）天线增益的选择：若盖时选用垂直单极化天线。
不是用来补盲，定向天线增益可选17dBi ～22dBi 的天
线。全向天线的增益选择11dBi ；若用来补盲，则可根
伏不大的山区推荐采用S1/1/1站型，尽量增加信号强度，给信号衰减留下更多的余量。
天线选用原则：（1）方向图的选择：视基站的位置、站型及周边覆盖需求决定方向图的选择，可以选若需择全向天线或定向天线。对于建在山上的基站，要覆盖的地方位置相对较低，则应选择垂直半功率
角较大的方向图，更好地满足垂直方向的覆盖要求。
据需要选择增益较低的天线。（4）预置下倾角及零（2）天线增益选择：视需覆盖的区域的远近选择中等点填充的选择：由于预置下倾角会影响到基站的覆天线增益，），定向天线（15～全向天线（9～11dBi 盖能力，所以在公路以覆盖为主的地方建议选用不带预置下倾角的天线。在50米以上且近端有覆盖要求时，可以优先选用零点填充（大于15%）天线解决塔下黑问题。（5）下倾方式的选择：公路覆盖一般不打下倾。对天线的下倾调整不多，其下倾角的调整范围及特性要求不高，建议选用价格较便宜的机械下倾天线。（6）前后比：由于公路覆盖大多数是快速移动用户，所以为保证切换的正常进行，定向天线的前后比不宜太高，否则可能会由于两定向小区交叠深度太小而导致切换不及时造成掉话的情况。
对于高速公路和铁路覆盖，建议优先选择“8”字形天线或S0.5/0.5配置，以减少高速移动用户接近/离开基站附近时的切换。
18dBi ）。（3）预置下倾与零点填充选择：在山上建站需覆盖的地方在山下时，要选用具有零点填充或预置下倾角的天线。对于预置下倾角的大小视基站与需覆盖地方的相对高度作出选择，相对高度越大预置下倾角也应选择更大一些的天线。
6近海覆盖基站天线选择
应用环境特点：话务量较少、覆盖面广、无线传
播环境好。对近海的海面进行覆盖时，覆盖距离将主要受三个方面的限制：地球球面曲率、无线传播衰
TA 值的限制。考虑到地球球面曲率的影响，减、对海面进行覆盖的基站天线一般架设得很高，超过100米。天线选用原则：（1）方向图的选择：由于在近海覆盖中，面向海平面与背向海平面的应用环境完全
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不同，因此在进行近海覆盖时根据周边的覆盖需求
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比不宜太高，否则会由于两定向小区交叠深度太小
选择定向天线。一般垂直半功率角可选择小一些的。而导致切换不及时造成掉话的情况。（7）适合于隧道（2）天线增益的选择：由于覆盖距离大，在选择天线覆盖的最新天线是环形天线，该天线对铁路隧道可增益时一般选择高增益（16dBi 以上）的天线。（3）从发射信号的角度，在较为空旷地方采用垂直极化天线比采用其他极化天线效果更好；从接收的角度，在空旷的地方由于信号的反射较少，信号的极化方向改变不大，采用双极化天线进行极化分集接收时，分集增益不如空间分集。建议在进行近海覆盖时选用垂直单极化天线。（4）预置下倾与零点填充选择，在
技术指标仍以提供性价比更好的覆盖方案。其原理、有待研究。
推荐选择10～12dB 的八木/对数周期/平板天线
安装在隧道口内侧对2km 以下的公路隧道进行覆盖。
8室内覆盖基站天线选择
应用环境特点：现代建筑多以钢筋混凝土为骨
进行海面覆盖时，由于要考虑地球球面曲率的影响，架、全封闭式的外装修，对无线电信号的屏蔽和衰减
因此在近端容易形成盲特别厉害，一般天线架设会超过100米，很难进行正常的通信。在一些高层建筑物
考的低层，区。建议选择具有零点填充或预置下倾角的天线，基站信号通常较弱，存在部分盲区；在建筑虑到覆盖距离要优先选用具有零点填充的天线。
物的高层，则信号杂乱，干扰严重，通话质量差。在大中城市的中心区，基站密度较大，通常进入室内的信号比较杂乱、不稳定。手机在这种环境下使用，未通话时，小区重选频繁，通话过程中频繁切换，话音质建设室内分布系统，将基站的信号通过有线方式直接引入到室内的每一个区域，再通过小型天线将基站信号发送出去，从而达到消除室内覆盖盲区，抑制干扰，为室内的移动通信用户提供稳定、可靠的信室内分布系统主要由三部分组成：信号源设备（微号。
蜂窝、宏蜂窝基站或室内直放站）；室内布线及其相关设备（同轴电缆、光缆、泄漏电缆、电端机、光端机等）；干线放大器、功分器、耦合器、室内天线等设备。
天线选用原则：室内分布式系统常用到的天线
7隧道覆盖基站天线选择
应用环境特点：一般基站不能对隧道进行良好
通常是的覆盖，必须针对具体的隧道规划站址及选择天线。量差，掉话现象严重。为解决室内覆盖问题，这种环境下话务量不大，也不会存在干扰控制的问题，主要是天线的选择及安装问题，对不同长度的隧道，基站及天线的选择有很大的差别，并且隧道内的天线安装调整维护十分困难。特别是铁路隧道在火车通过时剩余空间会很小，在隧道里面安装大天线不可能。
天线选用原则：（1）方向图选择：隧道覆盖方向
性明显，所以一般选择定向天线，并采用窄波束天线
进行覆盖。（2）极化方式选择：考虑到天线的安装及
隧道内壁对信号的反射作用，建议选择双极化天线。单元有：室内吸顶天线单元；室内壁挂天线单元；杯
超小尺寸，适用于小电梯内部、（3）天线增益选择：对于公路隧道长度不超过2km 的，状吸顶单元：小包间
可选择低增益（10～12dBi ）的天线；长一些的隧道可内嵌入式的吸顶小灯泡内部等多种安装受限的应用采用很高增益（22dBi ）的窄波束天线进行覆盖，不过要充分考虑大天线的可安装性。（4）天线尺寸大小的选择：针对每个隧道设计专门的覆盖方案，充分考虑天线的可安装性，尽量选用尺寸较小便于安装的天线。（5）除了采用常用的平板天线、八木天线进行隧如采用泄漏电缆、同轴电缆、光纤分布式系统等；针对铁路隧道安装天线分布式系统将会受到限制。这
场合。板状天线单元：不同的尺寸，可用于电梯行道内、隧道、地铁、走廊等不同场合的应用。这些天线的美观，便于安装。增益一般也很低，可依据覆尺寸小、
盖要求选择全向及定向天线。推荐室内使用全向天
2dBi/垂直极化/全向天线。7dBi/垂直极线：定向天线：
由于室内布线施工费用高，因此包括天线在内的室内分布天线系统要尽量采用宽频段或多频段设备。
道覆盖外，也可用分布式天线系统对隧道进行覆盖，化/90度的定向天线。
时可考虑采用泄漏电缆等其他方式进行隧道覆盖。
（6）前后比：由于隧道覆盖大多数用户都是快速移动9结束语用户，所以为保证切换的正常进行，定向天线的前后天线的选择和设置，作为天馈优化的重要环节，
(下转第53页)
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指挥中心。由于采用了无线网状网技术，各种无线设备可以在移动时速高达400km 情况下正常上传视频、语音和数据。
图4中的现场移动网络部分是由无线宽2.4GHz/4.9GHz/5GHz全频段、无线网状网技术、智能mesh 路由器、终端设备等组成，见图5所示。接入点、
4结束语
无线网状网作为一种新的组网方式已经在城域网、视频监控、施工监测等领域得到广泛应用，有专家称之为未来第四代移动通信的热门技术。目前业界对无线网状网的研究主要集中于路由层和网络层。随着各种无线通信技术的发展，各种技术的融
图5无线网状网现场设备组成示意图
合，相信无线网状网的应用领域会更加广阔。参考文献
图5中，智能接入点（IAP ）是无线网状网与有线地理网络之间的转换节点，也是对等网络的跳跃点、
mesh 路由器可实现定位的固定参考点；无线路由器：终端设备与接入电键通信范围的弹性延展；背负式应急通信包：可以经过无线网状网技术的智能接入
光缆传输通道实现与应急指挥中心之点IAP 和卫星、
间的通信；综合无线接入台：接入台经过无线网状网技术的智能接入点和卫星、光缆传输通道与指挥中语音和高速数据；手持无心双向传输实时视频图像、
线语音终端：通过无线网状网的对等网络技术，现场终端可以相互之间构成无基础设施的事件现场通信
系统，经过无线网状网技术的智能接入点IAP 和卫星、光缆传输通道实现与应急指挥中心之间的通信。无线网状网在铁路应急通信系统中实现的功
）现场内部通信：组成无线网状网的现场终端能：（1设备（移动电话、笔记本电脑、应急通信包、服务器等），可以在不使用任何其他基础网络设施的情况下直接实现语音、图像、数据的传输。（2）远程数据通信功能：现场终端可以通过mesh 智能接入点IAP 和卫星、光缆传输通道实现与应急指挥中心的通信。（3）现场数据上传：事件现场可以实时上传动态图像到
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杨成璞，硕士研究生，主要研究方向：无线网状网、作者简介：
MIMO-OFDM
；罗进文，硕士生导师。■
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(上接第50页)
不仅决定了网络覆盖性能，还关系到网络的质量指标。设计人员必须针对不同的地理环境、服务要求、现场情况选择天线类型和电气性能，优化设置天线参数，以达到控制电磁能的空间分布，改善网络覆盖质量，均衡网络话务负荷。避免由于天线选择和设置不当造成覆盖盲区、干扰、切换、越区覆盖等问题，使
网络资源得到充分合理的利用。
作者简介：欧阳慧勇，工程师，泉州信息职业技术学院通信教
研室主任，曾从事多年通信工程技术管理工作；叶卓映，博士，高级工程师，厦门城市职业学院通信技术专业带头人，曾从事多年通信网络设计工作；朱琳，硕士，讲师，厦门城市职业学院通信技术专业教师。■
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