LTE高铁优化指导书-高铁组-汇总
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高铁优化指导书
(外场优化)
项目:移动LTE高铁优化作者:高铁组
目录
一、概述 (2)
二、高铁优化的背景和目标 (2)
2.1高铁优化背景 (2)
2.2高铁优化目标 (2)
2.3高铁场景特性及应对措施 (2)
2.4高铁场景覆盖类型 (15)
三、高铁专网规划 (17)
3.1站址规划 (17)
3.2天馈规划 (19)
3.3容量规划及频率使用 (21)
3.4配套规划 (25)
四、高铁优化流程 (27)
五、优化方法概述 (28)
5.1与常规优化一样 (28)
六、存在困难 (28)
6.1网红线内站点维护困难 (28)
七、后续工作段计划 (29)
一、概述
二、高铁优化的背景和目标
2.1高铁优化背景
高铁网络面临着频率资源紧张,用户数多,容量受限,频偏效应等一系列特殊问题,对网络规划、优化、维护提出了更高的要求。
为了保证高铁用户的业务感知,打造高铁精品网络,持续推进高铁网络优化,特组织编写高铁优化指导意见。
本指导意见对高铁LTE专网规划、建设、优化的各个阶段进行了明确的规范要求。
主要内容包括高铁场景分析、LTE高铁专网规划审核、LTE高铁专网优化和LTE高铁专网集中优化管理,为各省公司落实常态化高铁专网规划、优化工作提供指导和建议。
2.2高铁优化目标
★综合覆盖率>95%
★LTE专网时长占比>95%
★语音全程呼叫成功率>95%
★低速率(下载速率<1Mbps)占比<10%
★4G专网RRU平均退服时长占比<1‰
2.3高铁场景特性及应对措施
2.3.1多普勒频移
2.3.1.1特性
列车高速运动会导致接收端接收信号频率发生变化,频率变化的大小和快慢与列车的速度相关,因此多普勒频移扩展与车速均为时变信号。
对接收机来讲,即等同于一个时变的频率对原有接收信号调制。
列车上的多普勒频移计算由如下公式给出:
θcos ⨯⨯=
=∆v c f
f f d
根据上述公式计算,在不同频段和不同速度下的最大频偏如下。
表 0-1车速和最大频偏表
多普勒频移的最大影响是造成接收机解调性能的下降,直接影响到小区选择、小区重选、切换等性能,其影响还包括加重子载波间干扰、降低信噪比;同时会导致符号间相位偏差,影响信道估计。
由于相位偏转和子载波间干扰,在高速移动时终端可能无法正常工作等。
目前各设备厂商均通过自动频率校正技术解决多普勒频移问题,自动频率校正技术的原理是通过快速测算高速移动带来的频率偏移,补偿多普勒效应,改善无线链路的稳定性,从而提高解调性能。
其基本原理如图1.1-1。
具体纠偏过程包括:
初始纠偏:初始纠偏是终端进行随机接入时,基站侧通过随机接入前导检测到接入终端的频移,并进行纠偏。
初始纠偏后,终端就可以在PUSCH 上传输接入信令。
持续纠偏:持续纠偏是终端接入网络后,基站侧根据终端的导频信号进行频移估计,所得到的频偏作为终端频率纠正的持续输入。
初始纠偏是一个粗调的过程,而持续纠偏是一个微调的过程。
当已接入网络的终端因信道发生突变导致微调无法有效跟踪频移时,上行数据
可能出现连续的译码失败。
此时基站侧将通过重新进行频移搜索,保证上行数据的正确解调与译码。
基站侧根据接收的上行信号频率进行频偏估计,然后对频偏信号进行频率校正,提高上行信号解调性能。
2.3.1.2应对措施
下行预纠偏开启
高铁由于速度飞快,导致多普勒频偏比较大,严重影响高铁用户的业务体验。
高铁下行预纠偏技术指在高铁小区合并组网场景下,在不同扇区的交叠区域,高速UE接收到的两个扇区信号间存在一正一反两个较大的多普勒频偏,需要采用预纠偏的方式来优化,即两相邻扇区分别进行相对纠偏,来减小频偏量。
下行预纠偏功能主要针对高铁沿线,单抱杆单物理小区组网方式,基站通过选择信号差在一定范围内的用户频偏计算出下行纠偏量,进行优化,从而减少边缘区域用户的频偏量,达到减小性能损失的目的,进而提升这类用户的下行速率。
2.3.2车体穿损
2.3.2.1特性
高速铁路的新型列车采用全封闭车厢结构,车箱体为钢材或铝合金等金属材料,车窗玻璃为较厚的玻璃材料,导致室外无线信号在高速列车内的穿透损耗较大,给车体内的无线覆盖带来较大困难。
不同列车由于材质以及速度上的差异,其对于无线信号的穿透损耗差别很大。
同时由于铁路线通常呈狭长分布,天线一般与铁路夹角较小,同时高速列车屏蔽效果比较好,信号穿透损耗较大。
当信号进入车厢时,不同的信号入射角的穿透损耗不同,当信号垂直入射时的穿透损耗最小。
当基站的垂直位置距离铁道较近时,覆盖区边缘信号进入车厢的入射角小,穿透损耗大,如下图。
图 0-2信号入射角示意图
图 0-3信号入射角与穿透损耗关系实测结果图
不同车型的穿透损耗不同,高速铁路运行的车辆一般为CRH车型,该列车分为CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380共5个种类。
CRH列车采用密闭式厢体设计,增大了车体损耗。
各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗。
为保证有足够的冗余度,在网络规划设计时,应选取车体损耗最大的车型进行考虑,具体的穿透损耗对应如下表。
表 0-2车型穿透损耗对应表
注:数据来源于北京电信规划设计院2GHz频率测试
2.3.2.2应对措施
使用窄波束高增益天线、4T4R方案(对于红线外弱覆盖区域可以通过4T4R方案,下行采用两个2通道RRU,其中两个RRU下行主发射TDL,下行单制式可以最大化使用每个RRU的功率,可以实现覆盖增加3dbm)、大功率RRU使用。
2.3.3频繁切换与小区合并
2.3.3.1特性
小区合并:在高铁场景下,在普通公网的基站密度和覆盖范围内,高速移动的列车穿越
切换区的时间很短,可能小于系统处理切换的最小时延,或者在短时间内穿越多个小区的覆盖范围,引起频繁的小区切换,从而导致终端吞吐量降低,甚至业务中断,进而影响网络的整体性能,如下图。
图 0-4频繁切换示意图
图 0-5频繁切换和速率关系比较图
2.3.3.2应对措施
小区合并:为解决上述问题,需要延伸单小区的纵向覆盖距离,减少小区切换次数。
LTE 高铁覆盖主要采用光纤拉远组网和小区合并的方式解决。
将相邻若干个子小区合并成一个小区,这样同小区内将不存在切换,从而在整个路段减少切换次数,同时也降低了切换失败的可能性。
高铁列车车体无线信号损耗严重,要确保车厢内良好的覆盖需要提供更强的无线信号强度,这样就使得覆盖区域不能太大。
当属于同一逻辑小区的多个RRU 重叠覆盖区域形成链状之后,便构成一个狭长的高信号强度覆盖线,这是适合铁路沿线的小区覆盖方案,有利于增加覆盖信号强度。
下图1.1-6为小区合并示意图。
切换
切换
RRU
RRU
RRU
图 0-6小区合并后切换示意图
最终合并后的小区与切换频率对应情况如下表:
表0-3合并小区RRU数量和切换频率
专网建设:只有小区合并技术才能有效解决切换频繁导致的一系列问题,公网通常使用的8通道RRU不支持小区合并技术,且公网覆盖高铁列车时,将导致非高铁用户大量占用覆盖高铁的硬件资源,无法专门制定邻区规划和切换策略,无法保障高铁用户对资源的占用。
因此在高铁覆盖选择方式上,优先选择专网覆盖方式,能更好的保证网络性能及客户感知。
目前建设高铁专网保证高铁覆盖已经成为运营商主要选择,高铁沿线的网络优化也主要是面对专网进行优化。
2.3.4容量受限
2.3.4.1特性
高铁单节车厢满载116人,客运高峰期每列高铁配置16节车厢,则每列高铁最大载
客量116*16=1856人。
中国移动移动用户渗透率为80%,当前贵州移动LTE用户渗透率为41%,考虑到高铁乘客LTE渗透率高于平均值,高铁用户LTE渗透率按45%计算,用户激
活比30%,一列高铁上LTE在线用户数为1856*80%*45%*30%=201,会车场景高铁LTE用
户为201*2=402人。
对于包含红线外站点的小区,考虑公网用户占比为20%,则高铁专网
单小区LTE在线用户数为482个(402*1.2=482)。
则当动车行驶至某小区时,会出现小区
内用户突增情况。
以去年国庆保障为例,LTE专网单小区的最大用户数已达到508个,与上述理论计算所得结果相当。
2018年,预测中国移动LTE用户渗透率90%以上,高铁专网错车场景下单小区LTE 用户数将达到962个(1856*2*80%*90%*30%*1.2=962)。
2.3.4.2应对措施
通过理论计算与实际情况结合分析,当前贵州高铁多数小区已经满足扩容标准,且未来两年需要逐步扩容到3*20M才能满足高铁用户业务需求,为了保障高铁用户感知我省结合实际情况制定了如下扩容策略。
2.3.4.2.1 F+D双频组网
红线外:对于已建成高铁为了最大程度保障覆盖和容量在F频段为覆盖层的基础上新增D频段的方式进行扩容,对于站间距无法满足D频段连续覆盖区域通过增补站点进行解决,确保扩容D频段站点连续覆盖;在建高铁按照F+D进行规划,一次性建设解决容量需求。
2.3.4.2.2 F20+F10+FDD
红线内:贵州高铁80%为红线内站点,解决红线内容量问题是贵州高铁扩容的关键。
国家铁路建设公司关于高铁隧道避风洞建设要求为间距500m,500米站间距情况下,D 频段扩容建设无法满足连续覆盖需求。
我省经过反复测试研究,得出最适合贵州场景的方案为短期内采用F20M+F10M,中期匹配产业链成熟度适时部署F20M+F10M+900M FDDrefarming或F20M+F10M+A频段refarmin,后期采用F20M+F10M+900M FDDrefarming+A 频段refarming。
➢对于我省已开通运营的高铁线路,由于隧道内站点间距多数为1km,考虑到新增F2后对现有F1功率消耗,为避免F2扩容后覆盖恶化,建议更换RRU后实施上述扩容策略。
➢对于尚未运营的高铁线路,已明确隧道站间距为500米,采用大功率RRU后可快速实施上述扩容策略。
2.3.5公专网同频干扰
2.3.5.1特性
由于高铁速度快,切换频繁,同频干扰被无限放大,同频干扰对用户感知的影响更大。
2.3.5.2应对措施
2.3.5.2.1频率优化(已完成移频工作)
➢ 公专同频隔离距离计算
高铁专网与公网需要采用异频组网方案,以防公网对高铁专网形成干扰。
估算高铁沿线公专网隔离范围计算如下:
设接收机底噪为N dBm ,灵敏度下降∆dB 所允许的干扰信号强度为I dBm ,则:
]1010lg[1010/10/)(N N I -=∆+
接收机底噪计算方法为:
NF BW N ++-=)lg(10174
其中,BW 为系统带宽,与具体制式有关;NF 为接收机噪声系数,与射频通道相关。
接收机灵敏度下降不同程度时,高铁专网所需的隔离距离如下表所示:
表3.3-1高铁公/专网所需的隔离距离
按照接收机灵敏度下降5dB 考虑,公/专网均为F 频段时,隔离距离需要3.1Km ,公/专网均为D 频段时,隔离距离需要2.6Km 。
建议实际操作中对于F 频段专网与高铁沿线周边3Km 范围内的宏站异频,D 频段专
网与高铁沿线周边2.5Km范围内的宏站异频,保证公网频谱利用率。
➢公专频点优化方案
公专频点协同优化,应尽量使公专网采用异频方式组网,部分确实无法完全异频场景,可考虑采用错频组网方案。
以F频段为例,详细方案如下:
a)公专异频方案:高铁周边公网改为F 10M或D 20M频段,公/专网异频。
缺点:高铁周边公网吞吐率竞争力下降,用户感知也受到影响。
b)公专错频方案:临时采用公/专网重叠10MHz的公专错频过渡方案。
缺点:公/专重叠10MHz相对于公/专异频组网,吞吐率、KPI、切换性能恶化等问题。
错频方案频点选择原理:公网使用前20M,专网使用后20M,中间有10M带宽重叠。
在频点使用方面,建议公网保持38400频点不变,高铁可采用38496频点,可保证RE对齐的前提下,RS位置也可对齐,避免引入PCI MOD3问题,
2.3.5.2.2公专网干扰协同优化
对于有干扰的公网站点,结合路测数据和扫频数据,按照RSRP、采样点数目等维度判断,进行带宽或者RF调整,以及F改D(或叠加D)。
扫频数据判断:最大电平大于-105dBm,采样点大于10为高优先级;
路测数据判断:测试log中如果公网RSRP大于-105 dBm需要调整;
对需要调整的区段,公网干扰小区根据以下不同场景进行调整:
场景1:周边有密集住宅且距离铁路远的站点,实施RF调整;
场景2:周边开阔无深度覆盖需求的站点,调整带宽或实施设备替换(F改D);
场景3:周边有深度覆盖需求且距离铁路近的站点,调整带宽并叠加D。
2.3.6专网专用实现困难
2.3.6.1特性
铁网络实际运行中遇到2个重要问题:1、专网资源被公网用户占用,导致高铁网络负荷高;2、专网用户出专网后难以返回专网,高铁用户驻留公网,业务体验差。
难以做到专网专用
2.3.6.2解决方案
2.3.6.2.1 低速用户迁出(已开启)
➢开启站点条件要求
低速用户迁出功能开启专网条件如下:
a)城区或者郊区场景,专网周边存在大量公网用户入侵场景。
b)高铁车速大于120KM/h以上区域,车站以及低车速区间禁止开启。
c)高铁专网与周边公网为异频组网场景。
➢高铁周边公网条件要求
经过现网测试,功能开启后的迁出效果与周边公网覆盖条件强相关。
高铁周边公网小区覆盖不足或者无覆盖区域,低速用户测量不到公网小区,无法迁出;公网覆盖较好区域,逻辑小区平均用户数减少最大可达46%左右。
为了保障迁出效果,要求开启现场周边公网条件如下:
a)低速用户迁出特性要求高铁沿线有公网覆盖,建议公网覆盖电平不低于-115dBm。
b)按照公网边缘RSRP =-115dBm作为可以迁出低速用户的条件。
低速用户可能分布在铁路沿线的房间内,所以不需要考虑高铁27dB的穿透损耗,仅考虑房屋穿透损耗9dB即可。
按照链路预算,公网主瓣方向距离高铁线路的站间距不大于1.2km。
c)公网覆盖空洞,高铁隧道,桥梁,大河等特殊场景均无法实现有效迁出。
➢开启命令及参数值建议
a)根据现场情况设置高速门限,建议值120KM/h。
b)高铁专网小区配置周边公网异频小区为单向邻区。
c)开启低速用户迁出功能。
d)设置合理的迁出门限,根据周边公网环境进行调整,建议设置为-115dBm。
在配置高铁专网到异频公网的单向邻区后,如果基于覆盖的异频切换开关为开,在满足基于覆盖切换的条件下,会触发终端基于覆盖的从专网到公网的切换过程,可能导致专网用户误切出,为了防止将高速用户误迁出。
建议关闭基于覆盖的异频切换功能,同时打开异频定向切换功能。
2.3.6.2.2高速用户迁回(已开启)
方案原理
当前高铁站点平均700~1km左右部署一个物理点,最大可实现12个RRU级联,即一个逻辑小区最多可包含6个物理点,小区覆盖半径可达到4km以上,用户在300KM/h的时速的移动场景下,至少需要50s以上才会切换一次,而公网小区因为没有配置共小区模式,平均4~10s就要完成一次切换。
因此,可以基于切换的频度对公网中的高速用户与低速用户进行区分,使高速用户在高铁专网进行业务,低速用户在公网进行业务,使某些原因出高铁专网的高速用户能够及时迁回专网。
图 0-7高速用户迁回示意图
开启条件
a)公网和专网的异频网络是否能满足连续覆盖要求,避免由于不能连续覆盖,而影响终端用户感受。
b)因UE的历史切换信息需要在公网站点之间传递,开启公网站点之间必须配置有X2口或S1口。
c)开通区域高铁周边公网两层邻区与专网无同频站点。
开启小区选择
为了确保开启前的效果,需要在开启前进行一系列数据准备。
a)确保周边公网覆盖满足连续覆盖要求。
b)在高铁上进行拉网测试,记录以下信息:脱网后终端驻留过的公网小区。
这些脱网小区都需要开启高速迁回。
在各个公网小区驻留的时间,记录在每个小区的驻留时长、设置切换次数和切换时长。
30s切换三次为默认值,实际根据测试情况,需要进行调整。
建议优先调整时长,再调整次数,次数增多容易造成在高速用户在公网上切换失败,导致判断条件清零,用户无法迁回。
2.3.6.2.3基于SPID的公专网用户识别
SPID(Subscriber Profile ID for RAT/Frequency priority)是运营商针对UE的预定义业务策略的索引,可在全网网元间进行传递;MME识别高速用户和公网用户后,配置UE与SPID的映射关系并传递给基站(如对专网用户分配SPID=1,公网用户分配SPID=2),基站针对不同SPID设置不同的异频异系统优先级(迁出则公网优先级高,迁回则专网优先级高),通过重选控制对用户进行迁出或迁回。
➢方案背景
车站周边区域公网用户多,且依靠速度不易区分公专网用户,因此需要利用SPID来进行公专网用户的迁入迁出。
图 0-8基于SPID的用户识别
➢方案实现需求
MME:MME组成POOL,并且MME需要升级版本,各厂商版本不相同;
基站:支持SPID特性,SPID是运营商为UE在HSS数据库中注册的一个策略索引,eNodeB可以按照该索引的指示来对特定UE的业务行为做出特殊处理,以便按照UE的特点更好地提供有针对性的服务。
➢方案原理
公网用户识别:低速用户在公网驻留:长时间内(60分钟/30分钟),用户处于同一低速段;当标记公网用户从非低速段的专网eNodeB接入时,则对该用户清除标识,解决识别的公网用户乘坐高铁的场景。
专网用户识别:发生专网到公网TAU(old TAC=专网TAC);如果是eNodeB或MME已识别的迁出公网用户发生TAU,则不进行迁回。
专网eNodeB:根据SPID下发用户专用优先级,将用户迁出专网(公网用户)。
公网eNodeB:根据SPID下发用户专用优先级,将用户迁回专网(专网用户)。
基于SPID 的用户迁回示意图
2.4高铁场景覆盖类型
2.4.1密集城区场景
密集城区场景中的公网用户较多,而高铁专网小区既承载了高铁用户,也可能有公网用户驻留,其整体负荷相对其他场景来说更高。
一方面需要通过载波扩容来增加高铁专网的容量,另一方面需要部署低速用户迁出(时速大于120KM 区域)、负荷均衡等手段进行容量优化。
密级城区场景中周边公网小区的负荷也普遍较高,载波需求数也较高,因此需要合理规划公网频点,避免与高铁专网的干扰。
2.4.2一般城区场景
一般城区场景的网络负荷介于密集城区和农村之间,两侧有树林绿化带的路段较少。
但是高铁一般是新修专线,其车站通常位于一般城区场景,车站是人流高度集中的区域,其业务需求大,车站场景候车室通常采用室分系统进行覆盖,小型车站月台区域采用宏站覆盖,大型车站月台区域采用室分进行覆盖。
2.4.3农村场景
农村场景是目前最普遍的场景,虽然也有公网用户,但是相对密集城区和一般城区来说
低速段公网用户迁出;专网用户迁回
低速段:不包括站台单独覆盖的eNodeB (避免大站始发列车,提前上车用户长时间驻留站台引起误识别);小站长时间停车场景少。
USN 10.6
数量要少很多。
部分农村场景下铁道两侧树木比较浓密,春夏秋三季相对冬季会有明显的覆盖下降,规划时需要尽量避免在高铁与天线的视距上有明显的树林遮挡。
2.4.4地沟场景
地沟场景的高铁轨道低于地面,在站址选择时需要尽量靠近铁路,减小站轨距,以降低路面遮挡导致的信号减弱;同时对应站间距也需要适当缩小,避免因站轨距过小而导致频偏过大及入射角过小的问题。
2.4.5隧道场景
隧道场景的特点是空间狭小封闭,存在填充效应,造成无线传播环境相对复杂。
同时,高铁隧道对设备形态和安装条件要求非常严格。
建议隧道内采用泄漏电缆进行覆盖,隧道外采用定向天线外延补充覆盖,保证宏网与隧道的覆盖连续。
2.4.6超远大桥场景
桥梁场景特点为桥面传播环境空旷,桥上站址选择困难,工程条件非常有限,通常采用桥头基站进行定向覆盖。
2.4.7复线场景
复线场景为铁路交叉分叉处、铁轨高低分布处。
与一般场景相比,存在多方向覆盖需求。
建议结合现场情况增加物理站址天线,用于覆盖不同方向、不同高度的铁路线。
为保证分叉场景不出现错误切换,应尽量避免将切换带设置于分叉口;规划中可利用小区合并特性,将切换带延伸至岔口后端,保证两条线路的覆盖平滑切换,详细如下图:
图 0-9复线场景覆盖图
三、高铁专网规划
3.1站址规划
合理的站址规划是保证网络覆盖的基础,也是保证高铁专网业务感知的必要条件。
对站址规划进行合理性审核是高铁优化工作的重要组成部分。
3.1.1宏站
➢站轨距
站点距铁路线垂直距离建议在80-150米之间的范围内,对于特殊场景如凹(U)型路段,以满足覆盖要求,优先选择能够直视铁路的位置。
➢站间距
根据RRU发射功率、解调门限、建模参数,计算得到最大覆盖半径。
此半径的两倍作为小区内站间距要求,在此基础上扣除重叠覆盖带距离作为小区间站间距要求。
根据集团计划部链路预算计算结果得出满足覆盖所需的站间距如下表:
表 0-1站间距表
注:来源为《TD-LTE高速铁路移动通信网无线网工程设计规范》
➢站点分布
对于直线轨道,相邻站点宜交错分布于铁路的两侧,形成“之”字型布局,有助于改善切换区域,有利于车厢内两侧信号强度的均衡。
拐角区域应选择拐角内进行站点规划,有助于减小基站覆盖方向和轨道方向夹角,减小多普勒频移的影响。
图 0-1基站“之”字型布局
3.1.2隧道
隧道覆盖采取泄露电缆的覆盖方式,泄露电缆需要支持GSM(900M&1800M)、TDD(F&D)频段。
利用POI平台(多系统接入平台)进行多系统合路后接入隧道泄露电缆系统,POI平台也需要同时支持GSM(900M&1800M)、TDD(F&D)频段,为后期快速容量优化提供便利。
隧道覆盖方式:
长隧道:大于500米的隧道,内部每500米会有一个避车洞,2G/4G网络漏缆500米一段,原则上要求每个避车洞放置2G/4G RRU,并接入两侧漏缆。
隧道口两侧需要分别增加RRU 设备,通过馈线把无线信号引入隧道漏缆。
在设备能力范围内,隧道内站点尽量共小区,切换带需设置到隧道外。
图 0-2长隧道覆盖方式
短隧道覆盖(无避车洞):小于500米的隧道,在隧道口两边设置同小区的RRU,通过馈线把无线信号引入隧道漏缆。
图 0-3短隧道覆盖方式
隧道口覆盖:单隧道口,在距离隧道口前方100米内选址增加定向天线,天线分别覆盖隧道口和另一侧方向,并同时从RRU内再功分一路(或者单独放置RRU)信号接到漏缆上,向隧道内延伸覆盖,补充覆盖不足的空洞。
多隧道口,尽量每个隧道口分别选址,确保每个隧道口都有信号衔接。
隧道之间的覆盖:需要根据隧道之间的距离选择合适的覆盖方式,隧道间距超过500米的建议增加宏站进行覆盖。
3.2天馈规划
3.2.1天线选型
➢由于GSM和LTE频段差异较大,GSM在天面条件允许的情况下建议使用独立天馈。
➢LTE天线选型在初始规划时建议采用F&D共模天馈,支持的频段范围包括了LTE的F、D频段,可快速扩容到D频段2*20M或FD双层网,充分挖掘组网潜力,提升整体容量为后期优化充分预留空间。
同时由于F和D频段空间损耗不同,共模天线需具备F&D独立电调功能。
➢LTE天线根据现场情况不同可采用增益21dbi、水平波瓣33度的高增益天线或增益
18dbi、水平波瓣65度天线或其他类型天线。