Technisches Wissen über 4G- und 5G-Basisstationsantennen und Anwendungsszenarien

1 Übersicht der Basisstationsantenne

Dieses Kapitel stellt die Klassifizierung von Basisstationsantennen und das Erscheinungsbild verschiedener Antennentypen in der Mobilkommunikation vor.

1.1 Basisstationsantennenklassifizierung

Rundstrahlantenne:Im horizontalen Strahlungsmuster erscheint die Antenne als gleichmäßige 360°-Strahlung, die gemeinhin als ungerichtet bezeichnet wird. Im vertikalen Strahlungsmuster bildet sie einen Strahl mit einer bestimmten Breite. Generell gilt: Je kleiner die Strahlbreite, desto höher der Gewinn. Rundstrahlantennen werden üblicherweise in Mobilkommunikationssystemen mit großen Versorgungsgebieten eingesetzt, insbesondere in Vorstadt- und Landkreisstationen.

Richtantenne:Im horizontalen Strahlungsmuster erscheint die Antenne als Abstrahlung innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs, was gemeinhin als Richtwirkung bezeichnet wird. Im vertikalen Strahlungsmuster erscheint sie als ein Strahl mit einer bestimmten Breite. Wie bei einer Rundstrahlantenne gilt: Je kleiner die Strahlbreite, desto größer der Gewinn. Richtantennen werden typischerweise in urbanen Mobilfunkzellen mit geringer Reichweite, hoher Nutzerdichte und hoher Frequenzauslastung eingesetzt.

Je nach Netzwerkanforderungen werden unterschiedliche Basisstationstypen eingerichtet, die wiederum je nach Bedarf verschiedene Antennentypen nutzen können. Die Auswahl basiert auf den oben genannten technischen Parametern. Beispielsweise verwendet eine Rundstrahlstation eine Rundstrahlantenne mit im Wesentlichen gleichbleibender Verstärkung in allen horizontalen Richtungen, während eine Richtstrahlstation eine Richtantenne mit deutlichen Verstärkungsänderungen in horizontaler Richtung verwendet. In städtischen Gebieten werden üblicherweise Antennen mit einem horizontalen Abstrahlwinkel von 65° eingesetzt. In Vorstadtgebieten können Antennen mit einem horizontalen Abstrahlwinkel von 65°, 90° oder 120° gewählt werden (abhängig von der Stationskonfiguration und den örtlichen geografischen Gegebenheiten). In ländlichen Gebieten ist die Wahl einer Rundstrahlantenne, die eine großflächige Abdeckung ermöglicht, am wirtschaftlichsten.

Mechanische Antenne:Bezeichnet eine Mobilantenne mit mechanischer Neigungsverstellung. Nach der vertikalen Installation der Antenne muss zur Netzoptimierung die Position der Halterung an der Rückseite angepasst und die Neigung verändert werden. Während dieser Justierung ändert sich zwar die Reichweite in Hauptstrahlrichtung deutlich, die Amplituden der vertikalen und horizontalen Komponenten bleiben jedoch unverändert, wodurch das Antennendiagramm leicht verformt werden kann.

Practice proves:The optimal downtilt angle of the mechanical antenna is 1°-5°; when the downtilt angle changes between 5°-10°, its antenna pattern is slightly deformed but not much; when the downtilt angle changes between 10°-15°, its antenna pattern changes greatly; when the mechanical antenna changes After tilting down 15°, the shape of the antenna pattern changes greatly, from a pear shape without tilting to a spindle shape. At this time, although the coverage distance in the main lobe direction is significantly shortened, the entire antenna pattern is not within the sector of the base station. The base station's signal will also be received in the sectors of adjacent base stations, causing serious intra-system interference. In addition, during daily maintenance, if you want to adjust the downtilt angle of the mechanical antenna, the entire system must be shut down, and monitoring cannot be performed while adjusting the antenna inclination. Adjusting the downtilt angle of the mechanical antenna is very troublesome, and maintenance personnel generally need to climb to the place where the antenna is placed to make adjustments. The downtilt angle of the mechanical antenna is a theoretical value calculated through computer simulation analysis software, and there is a certain deviation from the actual best downtilt angle. The number of steps for adjusting the tilt angle of the mechanical antenna is 1°, and the third-order intermodulation index is -120dBc.

Elektronisch verstellbare Antenne:Bezeichnet eine Mobilantenne mit elektronischer Neigungsverstellung. Das Prinzip der elektronischen Neigungsverstellung besteht darin, das vertikale Strahlungsdiagramm der Antenne durch Phasenänderung des Oszillators der kollinearen Antennenanordnung, Änderung der Amplitude der vertikalen und horizontalen Komponente sowie der Feldstärke der Gesamtkomponente nach unten zu neigen. Da die Feldstärke in alle Richtungen der Antenne gleichzeitig zu- und abnimmt, ändert sich das Strahlungsdiagramm nach der Neigungsverstellung nur geringfügig. Dadurch verringert sich die Reichweite in Richtung des Hauptkeulenbereichs, während gleichzeitig der Abdeckungsbereich innerhalb des Versorgungszellensektors verkleinert wird, ohne Interferenzen zu verursachen. In der Praxis hat sich gezeigt, dass das Strahlungsdiagramm einer elektrisch verstellbaren Antenne bei einer Neigungsverstellung von 1° bis 5° annähernd dem einer mechanischen Antenne entspricht; bei einer Neigungsverstellung von 5° bis 10° ist es leicht verbessert; und bei einer Neigungsverstellung von 10° bis 15° ist es deutlich besser als das einer mechanischen Antenne. Die Änderung ist deutlich größer: Wird die mechanische Antenne um 15° nach unten geneigt, unterscheidet sich ihr Antennendiagramm signifikant von dem der mechanischen Antenne ohne Neigung. In diesem Fall ändert sich die Form des Antennendiagramms kaum, die Reichweite der Hauptkeulen-Abdeckung verringert sich jedoch deutlich, und das gesamte Antennendiagramm liegt innerhalb des Basisstationssektors. Eine Erhöhung des Neigungswinkels kann den Abdeckungsbereich des Sektors verringern, ohne Interferenzen zu verursachen. Daher kann der Einsatz einer elektrisch verstellbaren Antenne Gesprächsverluste und Interferenzen reduzieren. Darüber hinaus ermöglicht die elektronisch verstellbare Antenne die Anpassung des Neigungswinkels der vertikalen Richtcharakteristik im laufenden Betrieb und die Echtzeitüberwachung der Anpassungseffekte. Die Schrittgenauigkeit der Neigungswinkelverstellung ist mit 0.1° hoch, sodass das Netzwerk feinjustiert werden kann. Der Intermodulationsindex dritter Ordnung der elektrisch verstellbaren Antenne beträgt -150 dBc und unterscheidet sich damit um 30 dBc von dem der mechanischen Antenne. Dies trägt zur Eliminierung von Nachbarkanalinterferenzen und Störsignalen bei.

Dual polarisierte Antenne:Die Dualpolarisationsantenne ist eine neue Antennentechnologie, die zwei Antennen mit orthogonalen Polarisationsrichtungen von +45° und -45° kombiniert und gleichzeitig im Sende- und Empfangs-Duplexmodus arbeitet. Ihr größter Vorteil liegt in der Einsparung der Antennen einer herkömmlichen Richtfunkbasisstation. Üblicherweise verwendet eine Richtfunkbasisstation (drei Sektoren) im LTE-Mobilfunknetz neun Antennen, wobei jeder Sektor drei Antennen nutzt (Raumdiversität, eine Sende- und zwei Empfangsantennen). Mit Dualpolarisationsantennen benötigt jeder Sektor nur noch eine Antenne. Gleichzeitig gewährleistet die Orthogonalität der Polarisation von ±45° zwischen den +45°- und -45°-Antennen, dass die Isolation zwischen den Antennen die Anforderungen an die Intermodulationsunterdrückung (≥30 dB) erfüllt. Dadurch beträgt der erforderliche Abstand zwischen den Dualpolarisationsantennen nur 20–30 cm. Darüber hinaus bieten Dualpolarisationsantennen den Vorteil der elektrischen Verstellbarkeit. Der Einsatz von dualpolarisierten Antennen in Mobilfunknetzen, wie beispielsweise elektrisch verstellbaren Antennen, kann Gesprächsverluste und Interferenzen reduzieren und die Servicequalität des gesamten Netzes verbessern. Da dualpolarisierte Antennen keine hohen Anforderungen an Aufbau und Installation stellen, ist kein Grundstückserwerb für den Bau eines Mobilfunkmastes erforderlich. Es genügt, eine Eisensäule mit 20 cm Durchmesser aufzustellen und die dualpolarisierte Antenne entsprechend der gewünschten Empfangsrichtung daran zu befestigen. Dies spart Infrastrukturkosten, optimiert die Standortplanung der Basisstationen und vereinfacht die Auswahl des optimalen Standorts.

Bei der Auswahl der Antennen sollten Mobilfunkantennen, die den Bedürfnissen der Mobilfunknetze in der Region entsprechen, auf der Grundlage der tatsächlichen Gegebenheiten wie Netzabdeckung, Geschäftsvolumen, Störungen und Netzdienstqualität ausgewählt werden:

· In stark frequentierten Gebieten mit hoher Dichte an Basisstationen sollten möglichst dualpolarisierte Antennen und elektrisch verstellbare Antennen eingesetzt werden;

· Traditionelle mechanische Antennen können in Gebieten wie Grenzgebieten und Vororten eingesetzt werden, wo das Verkehrsaufkommen gering ist, die Basisstationen nicht dicht besiedelt sind und lediglich eine Abdeckung erforderlich ist.

1.2 Interner Aufbau und Arten von Antennen für Mobilfunkbasisstationen

1.2.1 Richtantenne mit Plattenelementarray

Die Richtantenne mit Plattenform ist der am häufigsten verwendete Antennentyp für äußerst wichtige Basisstationen. Zu den Vorteilen dieser Antennenart zählen: hohe Verstärkung, gutes Sektordiagramm, geringe Rückkeule, einfache Einstellung des Neigungswinkels des vertikalen Diagramms, zuverlässige Abdichtung und lange Lebensdauer. Die Abbildung unten zeigt das Aussehen der Antenne.

Abbildung 1-1 Schematische Darstellung des Aussehens einer Plattenrichtantenne

1.2.1.1 Herstellung einer Plattenantenne mit hohem Gewinn

Abbildung 1-2: Verwendung mehrerer Halbwellenoszillatoren zur Bildung einer vertikalen linearen Anordnung

Abbildung 1-3 Das Prinzip des Hinzufügens einer reflektierenden Platte auf einer Seite der linearen Anordnung zur Erzielung einer horizontalen Ausrichtung (am Beispiel der vertikalen Anordnung von zwei Halbwellenoszillatoren mit einer reflektierenden Platte)

Aktuell verwenden die Richtantennendesigns der Antennenhersteller für Basisstationen im Wesentlichen alle Plattenoszillatorarrays. Es gibt zwei Arten von Oszillatoren, die in den folgenden beiden Abschnitten beschrieben werden.

1.2.1.2 Symmetrischer Oszillator

Standardmäßige symmetrische Halbwellenantenne (durch Hinzufügen eines zusätzlichen Oszillators wird die Höhe des Oszillators über dem Boden und die Dicke der Antenne verringert)

Abbildung 1-4: Richtantenne mit Plattenstruktur, synthetisiert durch mehrere Halbwellenoszillatoren

1.2.1.3 Mikrostreifen-Oszillator

Die Deformation des Halbwellenoszillators nutzt das Prinzip der 1/4-Wellenlängen-Übertragungsleitung zur Erzeugung von Strahlung:

Abbildung 1-5 Richtantenne, synthetisiert durch mehrere Mikrostreifenoszillatoren

1.2.2 Omnidirektionale, seriell gespeiste Dipolantenne

Die omnidirektionale Antenne nutzt mehrere Halbwellenoszillatoren, um die Synthese und Verstärkung des Strahlungsgewinns zu erreichen.

Abbildung 1-7: Reihenspeister Oszillatoraufbau und Produktform der Rundstrahlantenne

2 4G LTEAntennentypen und vergleichende Analyse

Der Hauptinhalt dieses Abschnitts ist die vergleichende Analyse der Abdeckung und des Datenverkehrs zwischen LTE-Dualpolarisationsantennen und Singlepolarisationsantennen.

2.1 Korrelationsanalyse zwischen dualpolarisierter LTE-Antenne und einfachpolarisierter Antenne

Die Einführung der LTE-Mehrantennentechnologie erweitert die räumliche Flexibilität drahtloser Ressourcen und stellt neue Anforderungen an Funkkanalmodelle. Das Spatial Channel Model (SCM) wurde in 3GPP TR 25.996 vorgeschlagen. Dieses Modell eignet sich für Systeme mit einer Bandbreite von 5 MHz und einer Trägerfrequenz von etwa 2 GHz. Die maximale Anzahl an Mehrwegeausbreitungen beträgt 6. Das LTE-System erfordert jedoch eine Funkkanalbandbreite von bis zu 20 MHz. Daher wird im technischen Bericht 36.803 das SCME-Modell (SCM Extension) verwendet, um die Kanalbandbreite auf 20 MHz zu erweitern und die maximale Anzahl an Mehrwegeausbreitung auf 9 zu erhöhen. Die Eigenschaften der drahtlosen Übertragung zwischen eNB und UE sind eine zeitabhängige Funktion, die sich mit Änderungen der Antennenkonfiguration, des Antennenausrichtungswinkels, der Antennenkorrelation und der Streuumgebung ändert, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung 2-1 Schematische Darstellung der SCM-Winkelparameter

Der Unterschied in der drahtlosen Leistung zwischen dualpolarisierten und einfachpolarisierten Antennen (Antennenabstand 10λ) hängt hauptsächlich vom Korrelationskoeffizienten der Basisstationsantenne ab. Ein Korrelationskoeffizient von 0 bedeutet, dass die Antennen relativ unabhängig sind und die Korrelation gering ist. Ein Korrelationskoeffizient von 1 hingegen deutet auf eine starke Korrelation zwischen den Antennen hin. Bei Verwendung von Sendediversitätsmodi (z. B. SFBC), Empfangsdiversität und MIMO-Dual-Stream-Modus ist die drahtlose Leistung von Antennen mit niedriger Korrelation besser als die von Antennen mit hoher Korrelation. Die folgende Abbildung zeigt die Simulationsergebnisse der SFBC-Leistung bei Korrelationskoeffizienten von 0.25, 0.5, 0.6 und 1. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Leistung bei einem Korrelationskoeffizienten von 0.25 im Vergleich zu 0 praktisch unverändert bleibt. Die Leistung von SFBC sinkt bei Korrelationskoeffizienten von 0.5 und 0.6 um etwa 0.3 dB bis 0.4 dB.

Abbildung 2-2 Vergleich der SFBC-Link-Level-Performance bei unterschiedlichen Korrelationskoeffizienten

China Mobile testete im Juli 2008 die Korrelationskoeffizienten verschiedener Antennenkonfigurationen. Die spezifischen Korrelationskoeffizienten sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Tabelle 2-1 Korrelationskoeffizienten für verschiedene Antennenkonfigurationen

Hinweis: Die Korrelationskoeffizienten in der obigen Tabelle wurden von China Mobile auf Basis von SCME-Modelltests in dicht besiedelten Stadtgebieten ermittelt. In solchen Gebieten ist dieser Korrelationskoeffizient bis zu einem gewissen Grad repräsentativ. Dies bedeutet jedoch weder, dass er auf ein bestimmtes Projekt übertragbar ist, noch dass er für alle Modelle dicht besiedelter Stadtgebiete gilt.

2.2 Leistungsvergleich zwischen dualpolarisierter LTE-Antenne und einfachpolarisierter Antenne

LTE definiert sieben Mehrantennen-Übertragungsmodi, darunter Sendediversität, vorcodierungsbasiertes MIMO, Beamforming usw. Die sieben von LTE definierten Übertragungsmodi dienen hauptsächlich der flexiblen Auswahl des Übertragungsmodus unter verschiedenen Szenarien und Kanalmodellen. Üblicherweise werden die Engpässe und Schwächen der Leistung von drahtlosen Mobilkommunikationsnetzen in die folgenden drei Kategorien unterteilt:

Systeme mit begrenzter Leistung:

Typische Anwendungsszenarien: Hauptziel ist die Erhöhung der Abdeckung und die Überwindung von Fading, wie z. B. effektive Bereiche, flächendeckende Abdeckung in ländlichen Gebieten usw.

Verwendete Antennentechnologie: Sendediversität, Empfangsdiversität

Leistungsunterschied: Die Leistungsverbesserung der 10λ einfach polarisierten Antenne beträgt weniger als 5 % im Vergleich zur dual polarisierten Antenne, und der Leistungsunterschied zwischen den beiden ist nicht groß.

Systeme mit begrenzter Interferenz:

Typische Anwendungsszenarien: Hauptsächlich eingesetzt in dicht besiedelten Stadtgebieten, wo die Entfernung zwischen den Stationen relativ gering ist. Interferenzen sind ein wichtiger Faktor, der die Netzwerkleistung beeinträchtigt.

Verwendete Antennentechnologie: RANK=2 MIMO Dual-Stream, RANK=1 MIMO Single-Stream, RANK adaptiv

Leistungsunterschied: Der adaptive RANK-Algorithmus ist deutlich besser als der MIMO-erzwungene Dual-Stream; gleichzeitig ist die Leistung dualpolarisierter Antennen im Wesentlichen die gleiche wie die von 10λ einfachpolarisierten Antennen.

Bandbreitenbeschränkte Systeme:

Typische Anwendungsszenarien: Die Kanalbedingungen (CQI) sind relativ gut, es besteht keine durchgehende Abdeckung zwischen den Basisstationen, der Abstand zwischen den Basisstationen ist relativ groß und die Anzahl der Nutzer ist relativ gering. Zum Beispiel: Einzelzellenabdeckung in der Anfangsphase eines experimentellen Netzes usw.

Antennentechnologie: RANK=2 MIMO Dual-Stream

Leistungsvergleich: Die Leistung der 10λ einfach polarisierten Antenne ist besser als die der dual polarisierten Antenne, die Leistungsverbesserung beträgt etwa 20%.

Tabelle 2-2 Zusammenfassung der Antennenanwendungsszenarien

Die obige Analyse konzentriert sich hauptsächlich auf den Leistungsunterschied zwischen einfach und doppelt polarisierten Antennen. Es ist jedoch zu beachten, dass doppelt polarisierte Antennen den Vorteil einer einfacheren Installation bieten. Dazu gehören die Möglichkeit, einen einzelnen Mast zu verwenden, den Neigungswinkel gleichmäßig einzustellen und die Antenne optisch ansprechend zu gestalten. Angesichts der zunehmenden Komplexität bei der Standortwahl und Installation von drahtlosen Netzwerken sind die genannten Vorteile doppelt polarisierter Antennen besonders wichtig.

3 4G LTEAnwendungsszenarien und Auswahl von Basisstationsantennen

Der Hauptinhalt dieses Abschnitts erläutert die Klassifizierung von Funknetzabdeckungsbereichen und die entsprechende Antennenauswahl auf der Grundlage realer Netzwerkbereitstellungsszenarien.

3.1 Auswahl der Antennen für städtische Basisstationen

Merkmale der Anwendungsumgebung: Die Basisstationen sind dicht verteilt, wodurch ein kleiner Abdeckungsbereich für jede einzelne Basisstation erforderlich ist. Ziel ist es, die Abdeckung über verschiedene Bereiche hinweg zu minimieren, Interferenzen zwischen den Basisstationen zu reduzieren und die Downloadraten zu erhöhen.

Auswahlkriterien für Antennen:

Auswahl des Polarisationsmodus: Aufgrund der Schwierigkeit, Standorte für Basisstationen in städtischen Gebieten auszuwählen, und des begrenzten Platzes für die Antenneninstallation wird die Verwendung von Dual-Polarisationsantennen und Breitbandantennen empfohlen;

Auswahl des Richtcharakteristiks: In städtischen Gebieten steht die Verbesserung der Frequenzwiederverwendung im Vordergrund, daher werden in der Regel Richtantennen eingesetzt.

Auswahl der Halbwertsbreite des Strahls: Um die Abdeckung der Zelle besser zu steuern und Interferenzen zu unterdrücken, wird die horizontale Halbwertsbreite des Strahls der Stadtantenne auf 60~65° gewählt;

Auswahl der Antennenverstärkung: Da Basisstationen in städtischen Gebieten im Allgemeinen keine große Reichweite benötigen, wird die Verwendung einer Antenne mit mittlerer Verstärkung empfohlen. In städtischen Gebieten empfiehlt sich eine Antenne mit einer Verstärkung von 15–18 dBi. Wenn die Mikrozellenantenne zur Schließung von Funklöchern in städtischen Gebieten eingesetzt wird, kann eine Antenne mit geringerer Verstärkung gewählt werden.

Auswahl des Neigungswinkels: Da der Antennenneigungswinkel in städtischen Gebieten relativ häufig angepasst wird und manche Antennen einen größeren Neigungswinkel benötigen, eine mechanische Neigungseinstellung jedoch die Interferenzunterdrückung erschwert, empfiehlt sich die Verwendung einer Antenne mit voreingestelltem Neigungswinkel. Sie können je nach Bedarf eine Antenne mit festem elektrischem Neigungswinkel oder eine elektrisch verstellbare Antenne wählen.

3.2 Antennenauswahl für Basisstationen im ländlichen Vorstadtbereich

Anwendungsumgebung: Die Basisstationen sind weit verstreut, das Geschäftsvolumen ist gering, der Bedarf an Datendiensten relativ niedrig, dennoch ist eine große Abdeckung erforderlich. Teilweise befindet sich nur eine einzige Basisstation in der Nähe, sodass die Abdeckung höchste Priorität hat. Die Antennenauswahl sollte daher auf der Größe des abzudeckenden Bereichs um die Basisstation basieren.

Auswahlkriterien für Antennen:

Auswahl des Richtcharakteristiks: Soll die Basisstation das umliegende Gebiet abdecken, ohne dass eine eindeutige Richtwirkung besteht und die Verkehrsverteilung um die Basisstation relativ gering ist, empfiehlt sich eine omnidirektionale Basisstation. Zu beachten ist jedoch, dass die Reichweite omnidirektionaler Basisstationen aufgrund ihrer geringeren Verstärkung nicht so groß ist wie die von Richtantennen. Bei der Installation omnidirektionaler Antennen ist der Einfluss des Sendemastes auf die Abdeckung zu berücksichtigen, und die Antenne muss senkrecht zur Bodenebene ausgerichtet sein. Sind von den lokalen Behörden größere Abdeckungsbereiche für die Basisstation vorgeschrieben, müssen Richtantennen eingesetzt werden. Im Allgemeinen sollten Richtantennen mit Halbwertsbreiten von 90°, 105° und 120° in der horizontalen Ebene verwendet werden.

Auswahl des Antennengewinns: Wählen Sie den Antennengewinn entsprechend den Abdeckungsanforderungen. Es wird empfohlen, in Vorstadt- und ländlichen Gebieten eine Richtantenne mit höherem Gewinn (16-18 dBi) oder eine Rundstrahlantenne mit 9-11 dBi zu wählen;

Auswahl der Neigungsmethode: In Vorstadt- und ländlichen Gebieten sind die Einstellmöglichkeiten der Antennenneigung begrenzt, und der Einstellbereich sowie die Eigenschaften des Neigungswinkels sind nicht sehr ausgeprägt. Daher empfiehlt sich der Einsatz einer mechanischen Neigungsantenne. Bei Antennenhöhen über 50 Metern und Anforderungen an die Nahfeldabdeckung sollten hingegen Nullpunktantennen bevorzugt werden, um Funklöcher unterhalb des Sendemastes zu vermeiden.

3.3 Auswahl der Basisstationsantenne für die Autobahnabdeckung

Merkmale der Anwendungsumgebung:In diesem Umfeld ist das Geschäftsvolumen gering und die Nutzer bewegen sich schnell. Der Fokus liegt daher auf der Lösung des Abdeckungsproblems. Generell wird eine streifenweise Abdeckung angestrebt, weshalb für die Autobahnabdeckung hauptsächlich Zweiwegzellen eingesetzt werden. Rundstrahlzellen kommen in Gebieten durch Städte und touristische Hotspots zum Einsatz. Hier wird Wert auf eine flächendeckende Abdeckung gelegt, und der Antennentyp muss anhand der Standortwahl und -art bestimmt werden. Die Autobahnumgebungen unterscheiden sich stark. Im Allgemeinen gibt es relativ gerade Straßen, wie Autobahnen, Bahnstrecken, Bundesstraßen und Landstraßen. Hier empfiehlt es sich, eine Station in Autobahnnähe zu errichten und den Stationstyp S1/1/1 oder S1/1 mit Richtantennen hoher Verstärkung zu verwenden, um eine gute Abdeckung zu gewährleisten. Bei kurvenreichen und hügeligen Straßen, wie z. B. Bergstraßen und selbstgebauten Bergstraßen auf Kreisebene, muss die Abdeckung mit der ländlichen Umgebung in Autobahnnähe kombiniert werden. Für den Stationsbau ist ein höher gelegener Standort zu wählen.

Bei der Auswahl einer Antenne während der ersten Planungsphase sollte man versuchen, eine Antenne mit hoher Verstärkung und großer Reichweite für eine breite Abdeckung zu wählen.

Auswahlkriterien für Antennen:

Auswahl des Richtcharakteristiks: In Basisstationen, die Eisenbahnstrecken und Autobahnen abdecken sollen, können Richtantennen mit schmalem Abstrahlwinkel und hoher Verstärkung eingesetzt werden. Die Antennenform kann flexibel an Faktoren wie lokale Geländeunebenheiten und Kurven am Einsatzort angepasst werden;

Auswahl des Antennengewinns: Der Gewinn der Richtantenne kann zwischen 17 dBi und 22 dBi gewählt werden, der Gewinn der Rundstrahlantenne ab 11 dBi.

Auswahl der Neigungsmethode: Bei der Abdeckung von Autobahnen ist im Allgemeinen kein Neigungswinkel erforderlich. Es wird empfohlen, eine kostengünstigere mechanische Neigungsantenne zu verwenden. Bei Entfernungen von mehr als 50 Metern und Anforderungen an die Nahfeldabdeckung können Antennen mit Nullpunktfüllung (größer als 15 %) bevorzugt werden, um das Problem von Funklöchern unter dem Sendemast zu lösen;

Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis: Da die meisten Nutzer der Autobahnabdeckung schnell fahrende Nutzer sind, sollte das Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis der Richtantenne nicht zu hoch sein, um einen normalen Handover zu gewährleisten.

3.4 Auswahl der Basisstationsantenne für die Abdeckung in bergigem Gelände

Merkmale der Anwendungsumgebung:In abgelegenen Hügel- und Bergregionen blockieren Berge die Funkwellen stark, was zu einer Dämpfung der Ausbreitung und damit zu einer schwierigen Netzabdeckung führt. Die Abdeckung ist üblicherweise großflächig, wobei die Nutzer innerhalb eines großen Radius um die Basisstation verteilt sind und das Geschäftsvolumen gering ist. Die Basisstation kann auf einem Berggipfel, an einem Berghang, am Bergfuß oder an einem geeigneten Standort im Gebirge errichtet werden. Bei der Auswahl von Standort, Modell und Antennen der Basisstation müssen die unterschiedliche Nutzerverteilung und die Geländebeschaffenheit berücksichtigt werden. Häufige Szenarien sind beispielsweise der Aufbau einer Website in einem Becken-Gebirgsgebiet, auf einem hohen Berg, auf halber Höhe eines Berges oder in einem gewöhnlichen Gebirge.

Auswahlkriterien für Antennen:

Auswahl des Richtcharakteristiks: Die Wahl des Richtcharakteristiks hängt vom Standort, dem Stationstyp und den Anforderungen an die Umgebungsabdeckung der Basisstation ab. Sie können eine Rundstrahlantenne oder eine Richtantenne wählen. Bei Basisstationen, die in den Bergen errichtet wurden, sollte bei relativ niedrig gelegenem Abdeckungsbereich eine Richtantenne mit einem größeren vertikalen Halbwertswinkel gewählt werden, um die Anforderungen an die vertikale Abdeckung besser zu erfüllen.

Auswahl der Antennenverstärkung: Wählen Sie je nach Entfernung des abzudeckenden Bereichs eine Antenne mit mittlerer Verstärkung, eine omnidirektionale Antenne (9-11 dBi) oder eine Richtantenne (15-18 dBi).

Auswahl des Neigungswinkels: Beim Aufbau einer Station auf einem Berg, dessen Abdeckungsbereich sich am Fuß des Berges befindet, sollte eine Antenne mit Nullpunktfüllung oder einem voreingestellten Neigungswinkel gewählt werden. Die Größe des voreingestellten Neigungswinkels richtet sich nach der relativen Höhe der Basisstation und des abzudeckenden Bereichs. Je größer die relative Höhe, desto größer sollte der voreingestellte Neigungswinkel sein.

3.5 LTEZusammenfassung der Anwendungsszenarien für Basisstationsantennen

Ausgehend von den oben genannten Auswahlmöglichkeiten und unter Berücksichtigung der besonderen Bedingungen von LTE ergeben sich folgende empfohlene Prinzipien für die Antennenauswahl:

Tabelle 3-1 Zusammenfassung der Antennenanwendungsszenarien

Im Allgemeinen werden bei der Standortwahl für LTE bestehende Einrichtungen genutzt. Die größten Herausforderungen bestehen darin, ausreichend Platz für die Installation von LTE-Antennen zu haben und die Höhe den LTE-Vorgaben zu entsprechen. Daher werden in der Praxis technische Parameter wie die Polarisationsmethode, der Einsatz von Breitbandantennen und der Neigungswinkel berücksichtigt. Eine detaillierte Bestandsaufnahme der vorhandenen Einrichtungen und die Erstellung eines bedarfsgerechten Plans sind unerlässlich. Aufgrund der MIMO-Technologie in LTE werden derzeit häufig 2T2R- und 4T4R-Antennen verwendet. Unter Berücksichtigung von Faktoren wie den Baukosten werden für 2T2R-Systeme in der Regel dualpolarisierte Antennen eingesetzt; für 4T4R-Systeme kommen üblicherweise zwei dualpolarisierte Antennen zum Einsatz. Der Abstand zwischen den Antennen beträgt 1–2λ, was bei 2.6G etwa 30–50 cm entspricht.

4 5G Massive MIMO AAUund Anwendungsszenarien

Der Hauptinhalt dieses Abschnitts beschreibt kurz die Antennen- und Anwendungsszenarioauswahl der 5G AAU.

4.1 5G Massive MIMO AAU

Die Multiple Input and Output-Technologie (MIMO), die im 4G-Zeitalter bereits sehr ausgereift ist, kann mehrere räumliche Kanäle zwischen mehreren Antennen zwischen den Transceiver- und Transceiver-Systemen effektiv nutzen, um mehrere zueinander orthogonale Datenströme zu übertragen. Dadurch werden der Datendurchsatz und die Kommunikationsstabilität verbessert, ohne die Kommunikationsbandbreite zu erhöhen.

Die von 4G zu 5G weiterentwickelte Massive-MIMO-Technologie ist eine verbesserte Version der MIMO-Technologie. Basierend auf begrenzten Zeit- und Frequenzressourcen werden Hunderte von Antenneneinheiten eingesetzt, um bis zu Dutzende mobile Endgeräte gleichzeitig zu bedienen. Dies verbessert den Datendurchsatz und die Energieeffizienz weiter. Die hohe Kommunikationsfrequenz von 5G und die kompaktere Bauweise der Antennen ermöglichen die Unterbringung von mehr Antennen auf demselben Raum. Massive MIMO hat die Kommunikationstechnologie im 5G-Zeitalter maßgeblich geprägt. Daher haben Antennen nach dem Hochfrequenz-Frontend im 5G-Zeitalter ein weiteres explosionsartiges Wachstum erfahren. Basisstationsantennen machen 20 % und Endgeräteantennen 80 % aus.

Aufgrund des weitverbreiteten Einsatzes von Massive-MIMO-Technologie in 5G-Basisstationen verwendet die intern integrierte Antenne eine große Anzahl von Oszillatoren und integriert zudem Sende-/Empfangseinheiten. Daher wird sie auch als aktive Antennenarray-Einheit (AAU) bezeichnet. Ihr internes Strukturschema und ihre Produktform sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Figure 4-1 Massive MIMO AAU structural schematic diagram

Figure 4-2 Exploded view of Massive MIMO AAU product form

Für AAU im Frequenzband unter 6 GHz verwenden Hersteller von Kommunikationsgeräten üblicherweise 192 Oszillatoren. Diese sind in 12 Reihen horizontal und 8 Spalten vertikal angeordnet. Durch die 45°-Doppelpolarisation ergeben sich insgesamt 12 × 8 × 2 = 192 Oszillatoren. Jede Dreiergruppe von Oszillatoren wird als Antenne bezeichnet, sodass die AAU insgesamt 192/3 = 64 Antennen besitzt. Bilden jeweils 6 Oszillatoren eine Antenne, so verfügt die AAU über 192/6 = 32 Antennen.

Abbildung 4-3: 65TR- und 32TR-AAU-Antennenelementdiagramm

AAUs im <6-GHz-Band nutzen üblicherweise volldigitales Beamforming. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass die Anzahl der Antennen, der Übertragungskanäle und der Leistungsverstärker gleich ist. Die Anzahl der Antennen ist ein wichtiger Faktor für die Reichweite. Je mehr Elemente, desto schmaler der Strahl und desto konzentrierter die Energie. Mehr Antennen und Kanäle bedeuten mehr Leistungsverstärker innerhalb der AAU, einen höheren Verbrauch an Basisbandressourcen und höhere Gerätekosten.

4.2 5GSignal-Fading-Modell

3GPP TR 38.901 definiert vier Szenarien: Indoor-Hotspot in Büroräumen (InH-Office), urbane Mikrozellen in Straßen (UMi-Street Canyon), urbane Makrozellen (Uma) und ländliche Makrozellen (RMa). Jedes Szenario ist in Nicht-Sichtverbindungs- (NLOS) und Sichtverbindungs- (LOS) Szenarien unterteilt, mit insgesamt acht Ausbreitungsmodellen. Dieser Artikel wählt das Pfadverlustmodell für das urbane Makrozellen-Szenario Uma-LOS/NLOS.cBetriebsfrequenz (GHz), hBSEffektive Höhe der Basisstationsantenne (m), hUTEffektive Höhe der Mobilstationsantenne (m), d2DHorizontaler Abstand zwischen Basisstation und Mobilstation (m), d3DDie geradlinige Entfernung zwischen der Basisstationsantenne und der Mobilstationsantenne (m).

Gemäß der obigen Tabelle lässt sich die typische maximal zulässige Pfadverlustdämpfung (MAPL) verschiedener Kanäle städtischer Makrostationen nach folgender Formel berechnen. Es zeigt sich, dass die maximal zulässige Pfadverlustdifferenz zwischen Uplink und Downlink von 5G NR 3.5 GHz 13.65 dB beträgt. Die Netzabdeckung ist im Uplink begrenzt und wird durch den Uplink-PUSCH-Kanal eingeschränkt.

PLmax=PTx-Lf+GTx-Mf-Ml+GRx-Lp-Lb-SR

wo PTxSendeleistung der Basisstation, LfFeeder-Verlust, GTxAntennengewinn der Basisstation, MfSchattenverblassen und schnell verblassender Rand, MlInterferenzmarge, GRxAntennengewinn des Mobiltelefons, LpGebäudedurchdringungsverlust, LbKörperverschleiß, SRxEmpfangsempfindlichkeit von Mobiltelefonen

4.3 5G AAUAnwendungsszenarien

In dicht besiedelten Stadtgebieten führt die komplexe Funkumgebung zu verstärkten Interferenzen, und Hochhäuser bedingen hohe Anforderungen an die vertikale Abdeckung und die Nutzerkapazität. 64TR-Geräte ermöglichen ein besseres Massive-MIMO-Beamforming, realisieren MIMO-Übertragungen mit hohem Datenverkehr und verbessern die vertikale Abdeckung deutlich. In Vororten und ländlichen Gebieten sinkt die Erfolgsrate der MU-MIMO-Kopplung, und 64TR-Geräte können ihre Kapazitätsvorteile nicht voll ausschöpfen. Daher kann eine Gerätekonfiguration mit weniger Leistung eingesetzt werden. Mit 32 Antennen sind die Anforderungen ausreichend. In abgelegeneren Gebieten sind die Kapazitätsanforderungen geringer, und die Hauptaufgabe besteht in der Sicherstellung der Abdeckung. Hier ist Massive MIMO nicht einmal erforderlich. Es genügt, die Antennen über eine 8-Port-RRU anzuschließen.

Die Abbildung unten zeigt eine szenariobasierte Netzabdeckungslösung eines Geräteherstellers. Makrostationen sind die wichtigste Produktform. Die 64TR-AAU deckt den kontinuierlich hohen Kapazitätsbedarf im 4G/5G-Zeitalter ab, während die 32TR-AAU mit geringer Konfiguration den Bedarf an kostengünstigem Netzausbau in 4G/5G-Gebieten mit niedrigem Datenverkehr deckt. Produkte für die Indoor-Verteilungssysteme umfassen 2TR- und 4TR-Geräte, die passive Indoor-Verteilungssysteme im bestehenden Netz oder in Neubauten nutzen, um anspruchsvolle Szenarien mit hohem Datenverkehr in Innenräumen zu realisieren. Darüber hinaus werden Mikrostationen mit 4TR-Funkfrequenzeinheiten (RRU) häufig in stark frequentierten und heißen Umgebungen wie Wohngebieten und Fußgängerzonen eingesetzt.

Abbildung 4-4: Eine szenariobasierte Lösung zur Netzabdeckung eines Geräteherstellers

Wie aus den Berechnungsergebnissen in Abschnitt 4.2 hervorgeht, ist die Uplink-Abdeckung von 5G NR im 3.5-GHz-Band hauptsächlich aufgrund begrenzter Sendeleistung eingeschränkt. Da die Anforderungen an die Uplink- und Downlink-Datenraten auch nach der Einführung von 5G weiterhin asymmetrisch sein werden (die Downlink-Anforderungen sind deutlich höher als die Uplink-Anforderungen), kann zur Beibehaltung der bestehenden Netzwerkstruktur und zur Reduzierung der Netzausbaukosten, sodass Betreiber 5G schnell auf bestehenden 4G-Standorten implementieren können, die Uplink- und Downlink-Entkopplung (SUL) eingesetzt werden, um die Engpässe in der Uplink-Abdeckung zu beheben. Das heißt, im Uplink wird weiterhin die bestehende LTE-Ausrüstung verwendet, ein Teil der 1.8-GHz-FDD-Bandbreite wird für 5G NR umgenutzt, um die Abdeckung zu verbessern, und 5G NR wird im Downlink im 3.5-GHz-Band implementiert.

Abbildung 4-5 Entkopplungslösung durch Verwendung unterschiedlicher Frequenzbänder für Uplink und Downlink

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