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移动通信TD室内覆盖解决方案

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运营一线
移动通信TD室内覆盖解决方案
□廖鸿雅
( 中国移动通信集团设计院有限公司四川分公司, 成都611130)

摘要: TD室内覆盖系统对于运营商解决移动通信覆盖, 提高服务水平、 增强竞争实力、 树立企业形象, 具有不可低估的作用。本文主要从TD室内覆盖规划流程、 器件选型、 邻区规划等技术方面进行讨论, 提出了GSM、 CDMA、 WLAN三网室内覆盖的基站天馈共用解决方法及可行性探讨。

关键词: TD 室内覆盖 信号源

为了提升网络质量, 增加话务量, 室内覆盖成为当前通信运营商网络优化的重点。特别是随着移动通信的普及, 移动用户在室内使用手机的机会日益增加, 迫切要求提供更好的室内移动通信环境, 室内覆盖系统对于运营商解决通信覆盖, 提高服务水平、 增强竞争实力、 树立企业形象, 具有不可低估的作用。
在3G网络中, 有资料显示室外的业务量( 包括话音和数据) 仅占整个网络业务量的30.3%, 而室内业务量占整个网络业务量的69.7%, 这是由于3G的主要业务量来自于数据, 而一般情况下使用数据业务时用户大多数都在室内。同时, 由于3G的2GHz频段特性以及良好的网络覆盖质量的需求, 能够预期, 对于3G网络建设来说, 室内环境将成为运营商重点考虑的3G信号覆盖的区域。而对于移动通信运营商来说, 从现有技术到3G阶段运营过渡是必然趋势
本文主要从以下技术方面进行讨论:
( 1) TD室内覆盖规划流程, 对室内覆盖的目标进行研究, 从目标用户群话务量, 建筑物结构, 室内覆盖的范围, 明确目标网络的覆盖和容量要求, 明确项目的投资规模, 简单的经济评估;
( 2) 器件选型, 对信号源的考虑, 放大器, 馈线, 天线类型进行讨论;
( 3) 邻区规划, TD室内分布系统设计中需要考虑切换问题思考;
( 4) GSM、 CDMA、 WLAN三网室内覆盖的基站天馈共用的解决方法和可行性探讨。
1 TD室内覆盖规划流程
1.1选定TD室内覆盖对象
选择室内覆盖对象的准备工作是指由技术人员对建筑物内的无线信号进行测试, 确定工程选点。准备工作是整个工程的发起阶段, 下述选点原则可供参考: 　
( 1) 室内盲区的扫除。典型场景: 新建的楼宇、 地下停车场、 地下商场、 大型楼宇、 地下通道、 电梯;
( 2) *c&m0Y0k8Y#^#_mscbsc 移动通信论坛拥有30万通信专业人员, 超过50万份GSM/3G等通信技术资料, 是国内领先专注于通信技术和通信人生活的社区。均衡网络话务减轻室外宏站的话务量, 改进网络质量。典型场景: 大型购物场所、 展览场所、 体育馆、 机场、 车站、 码头;
( 3) +b'I%U3E#y4z,y+s移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单解决无主服务区室内区域, 加强室内覆盖信号, 改进室内信号质量, 减少乒乓切换, 改进网络指标。典型场景: 较高的楼层、 周围没有主覆盖小区的楼房;
( 4) "`2O4e+X1a0m+r6h z6G配合业务推广, 提高品牌影响力, 提升企业形象。
1.2室内无线传播环境场景划分
TD-SCDMA系统信源的选取和各种场景室内覆盖系统的解决方案主要依据不同的建设场景进行选择, 一般结合楼宇的功能和楼宇的大小进行区分, 按照楼宇的功能, 能够区分为以下几类:
室内分布系统工程建设覆盖范围为三星级以上的酒店; 人员集中、 知名度高的办公写字楼; 大型展馆、 娱乐餐饮场所; 机场车站等交通枢纽楼及交易会场等重要公共场所; 面积大、 人流量大、 经济情况好的商场、 超市; 地下商场、 停车场等; 大型体育场馆; 地铁、 隧道等。
建筑物面积大小对室内无线传播环境场景可进行如下划分:
微型建筑物(6000 m2以下);
小型建筑物(6000～16000m2);
中型建筑物(16000～60000 m2);
大型建筑物(60000 m2以上)。

2 分布系统原理及选型
2.1 TD分布系统原理
TD-SCDMA室内覆盖的解决方案为BBU+RRU+分布式智能天线。
新型的BBU+RRU基站将基带处理和射频处理放在两个物理实体中, 基带处理单元实体称为BBU, 射频处理实体称为RRU。基带处理实体与射频处理实体采用光纤链接, 光纤拉远距离最大为40Km。
在2G系统的室内覆盖中, 比较多的是采用分布式系统, 而对于3G系统, 由于2G频段传输的恶化, 要达到2G相同的覆盖效果, 需要建设的基站数目显著增多, 而新增机房一方面需要大量的投资, 另一方面要想找到合适的机房和站点已经越来越困难, 机房的限制已经严重阻碍网络的建设进度。在这种背景下, 各个厂商不约而同地考虑到采用一种具有自适应能力解决方案的新型基站——拉远型宏基站或分布式基站( distributed Base Station, DBS) , 经过采用类似室内覆盖中分布式系统的分布式覆盖技术, 在节省机房的前提下改进系统覆盖性能。
根据链路预算, TD-SCDMA系统是一个上行受限系统, 在室内场景下, 在要求上下行平衡的前提下, 设备的功率与设备的容量相关。1个12W的TD RRU覆盖面积能达到3万平方米, 实际使用当中, 根据面积大小选择TD RRU的数量来完成覆盖。
采用分布式基站, 将射频单元拉到离天线近的地方进行覆盖, 降低了信源和天线之间馈线损耗, 在确保了天线覆盖半径前提下, 降低了对信源功率的要求。
在进行方案和设计之前, 我们应了解要求覆盖的范围、 目的及环境, 必须对要求TD室内覆盖的地方进行调查, 确定需要解决的主要矛盾, 是话务拥塞、 覆盖盲区还是信号不稳定; 覆盖的地方是商务中心、 商场还是写字楼、 政府机关; 有多大的话务量; 是否需要考虑GSM900和WLAN系统; 要求覆盖的范围有多大; 周围环境如何; 施工布线走向及路由。只有经过充分的调查后, 才能确定信号源及采用何种天线系统。
信号源主要考虑的因素有: 话务量、 要求覆盖的范围、 所处位置及对网络的影响程度、 投资成本有多少。分布式天线系统经过有线方式将信号源输出的射频信号分配到室内各天线单元, 根据实际需求配置放大器、 耦合器、 功率分配器等, 保证天线的输出功率能达到覆盖需求。系统结构原理如图1所示。
合路器
功分器
天线
天线
天线
TD-SCDMA
GSM
WLAN

图1 三网合一室内分布系统结构原理图
2.2 TD室内覆盖设备选型
TD室内分布系统选择的原则主要有:
( 1) 造价, 尽可能采用成本低的方式, 同时必须保证系统质量;
( 2) 施工的难度, 尽度考虑施工比较容易实现, 特别是馈线的施工;
( 3) 天线的位置、 数量和输出功率, 在保证覆盖的同时用比较少的天线, 比较低的输出功率;
( 4) 考虑受制条件, 综合采用各种分布系统。
TD室内分布系统如图2所示。信号源经过藕合器和功分器根据情况是否加干线放大器, 尽可能地平均分配到每一付天线, 分布系统的器件主要为干线放大器, 耦合器、 功分器、 馈线和天线。为克服馈线的损耗, 一般采用较粗的馈线( 主干一般用7/8’’馈线, 馈线支路采用1/2”超软馈线) , 室内施工因馈线的硬度和最小弯曲半径限制变得较为困难, 距离不能太远( 最远的天线一般离基站在100米以内) 。对于距离太远或只是耦合基站的一部分信号, 造成到达远端信号很弱时, 可采用线路放大器将信号放大后, 再经分布系统到达每一个天线。

WLAN端口
15dBm

合路器
13.2dBm
5.4dB/45m

6dB/50m
1.8dB/15m
3.6dB/30m

RRU

PS1-
T2-1F /6

17.9dBm

33dBm
0.6dB/5m

ANT5-1F

7dBm
8.9dBm
10dBm
6.8dBm
8dBm
PS3-1F

1.2dB/10m

1.8dB/15m
2.4dB/20m
1.2dB/10m
1.2dB/10m

PS4-1F
T4-1F /6
T3-1F/6
PS2-1F

6.2dBm
8.3dBm
0.6dB/5m

9.4dBm
6.5dBm
1.2dB/10m
PS1-2F

2.4dB/20m
1.2dB/10m

1.8dB/15m

10D/FB馈线
平板天线
图例:
功分器
耦合器
光分路器
GSM干放
1/2 馈线
光纤
避雷器、 接地
合路器

全向天线
合路器

图2 TD室内分布系统图
分布系统最需要解决的问题是如何减少传输中功率的损耗, 以及如何将功率合理的分配到每一个分布天线, 因为功率每损耗3dB, 就意味着减少一半的覆盖范围, 这点与室外覆盖有着很大的区别。室外覆盖更多地取决于基站的天线高度、 增益及下倾。要将功率合理地分配到每一个分布天线取决于器件的损耗和合理的设计, 因此, 耦合器、 功分器、 接头和馈线等器件的选取显得非常重要。耦合器和功分器选取时应考虑如下指标:
( 1) 插入损耗, 即器件本身的损耗越小越好( 如某些进口设备为小于0.05dB, 国产设备一般为0.5~1dB左右) 以避免不必要的功率损耗;
( 2) 驻波比, 要求器件本身的驻波比应小于1.2, 对于双波段器件( GSM900和GSM1800) 应小于1.3, 带内平度要求小于2dB;
( 3) 对距离长、 线路损耗过大时利用光纤分布系统传输的低损耗。
2.3 一般分析计算原则
对移动通信而言, 当电波传输距离很小且为直射波, 例如在微小区域中或室内无阻拦环境下, 其传播损耗非常接近自由空间的情况, 计算公式为:
LS( dB) ＝32.4+20lgf(MHz)+20lgd(km)
GSM900信号下: f: 890~960MHz ( 取为900MHz)
TD-SCDMA信号下: f: ～2025MHz ( 取为 MHz)
代入上式可得自由空间损耗如表1:
表1 自由空间损耗表

1m
5m
15m
20m
25m
GSM900
31.5dB
45.48dB
55.02dB
57.52dB
59.46dB
TD-SCDMA
38.42dB
52.4dB
61.94dB
64.44dB
66.38dB
WLAN
40dB
53.98dB
63.53dB
66.03dB
67.96dB

假设信号源输出功率为33dBm, 在G网中信号源至天线的馈线损耗、 接头损耗以及耦合器、 功分器等器件的各种衰减共计28dB, 则天线的输出功率为P=33-30=3dBm:
33dBm
-30dB
天线

测试点
RRU

混凝土墙

15m

图3 传输损耗示意图
设天线为增益2.5dB的全向天线, 则在图3中经过混凝土墙的15米处的场强理论值为P15m=3-55-13+2.5= -62.5dBm。但如果使用相同的基站输出功率, WCDMA与900MGSM的室内覆盖效果相差约6～7dB。
3 TD多频段室内覆盖要点
按照中国TD频率配置原则, 室内覆盖与室外覆盖尽量采用异频组网方式。在频率紧张的情况下, 应保证与室外有切换关系的室内小区的主载频与室外小区主载频保持异频。另外, 室内分布主要使用 ～ MHz(B频段), 对容量需求较大的站点可扩展使用1880～1890MHz(A频段)。从中国移动的频率配置, TDA+B频段将可能同时应用在室内覆盖中。
3.1边缘强度的取定
室内边缘接收场强是指在室内覆盖边缘UE接收端所要求的最小接收场强。边缘接收场强过低, 则会在窗口、 建筑物入口等室内外覆盖交叠处造成大量的乒乓切换或频繁的小区重选, 容易引起掉话或接入失败, 并降低系统性能以及增加优化的难度。根据室内覆盖的边缘接收场强公式, 能够计算出室内P-CCPCH的边缘场强为-85dBm。但如果考虑到C频段引入, 经过分析可知C频段和B频段在覆盖边缘场强差异大约为3dB, 因此为保证C频段的性能, 需要在做规划时留出一定余量。
3.2 MCL及天线口功率
最小耦合损耗( MCL) 是指基站和手机的发射部分与接收部分之间最小的耦合损耗。MCL能够认为是手机在位于离天线最近时候的路径损耗。用户向天线方向移动时, 由于功率控制而使手机的发射功率越来越小, 如果此时用户发射功率达到最低而用户还是离天线越来越近, 那么就会对其它手机造成干扰, 使其它手机不得不抬高发射功率, 从而导致整个室内系统噪声抬高。
TD基站底噪声为-108.9dBm, 由于UE的最小发射功率为-49dBm, 当MCL小于60dB时, 因为快速功率控制机制已没法让UE降低功率, 这时UE的业务将抬高基站的底噪, 以降低基站的灵敏度, 如表1所示。
考察一个室内分布系统, 假定该系统上下行增益平衡, 室内基站发射导频功率为30dBm, UE距离天线口最小距离为1.5m, 则室内天线口发射功率必须满足: Ls为42.0dB; MCL≥67dB, 天线口功率≤5dBm。
3.3多系统合路的隔离度要求
与其它网络共用天馈系统时, 为了减小不同网络之间的干扰, 需要保证足够的多系统合路器隔离度。
有源分布系统使用”基站+直放站( 干放) ”覆盖, 为了使系统之间的杂散干扰降低到能够忽略的程度, 必须对隔离度提出相应的要求。
3.4室内分布系统信号外泄
当前城市高层建筑多为玻璃外墙, 室内分布系统的信号很容易泄漏到室外, 对室外基站小区信号形成干扰, 特别是高层建筑的室内分布系统。因此, 高层建筑的室内分布系统, 应采取小功率、 多天线的覆盖方式, 室内天线口功率较小, 泄漏到室外小区的信号相对较弱, 干扰相对就小, 而且, 这种覆盖方式天线覆盖半径减小, 穿墙损耗小, 覆盖效果也更好。
对于中低层建筑, 室内信号主要是从大厅、 地下室等处经窗户和出口泄漏到室外, 从而增加了不必要的室内外切换, 使网络服务质量下降。这种情况, 主要经过调整室内信号发射功率、 优化切换参数等手段进行优化和控制。
在室内信号外泄控制方面, 应满足: 在室外10米处应满足PCCPCHRSCP≤-95dBm或室内分布外泄的PCCPCHRSCP比室外宏站最强PCCPCHRSCP低10dB。
4 GSM、 TD-SCDMA、 WLAN三网室内覆盖的基站天馈
室内覆盖项目实施中经常遇到多系统共存情况。如果与目标大楼内原有的GSM、 TD-SCDMA或WLAN设备共用分布系统, 就会面临共用分布系统的问题。在采用多种信号源经过合路器使用同一套分布系统进行覆盖, 共用分布系统需要解决以下两个主要问题:
天馈器件的带宽与隔离度指标满足异系统共存的要求; 把窄带改造成宽带, 需要更换的器件可能包括合路器、 分路器、 耦合器、 天线等; 在耦合器不能满足隔离度要求的时候, 增加带通滤波器。
为避免出现TD-SCDMA覆盖空洞, 减少系统间切换, 最终要满足TD-SCDMA、 GSM、 WLAN每一种信号在各天线口的发射功率预算。如果使用相同的基站输出功率, TD-SCDMA与900MGSM的室内覆盖效果相差约6～7dB, GSM一般采用输出功率2W的微蜂窝基站作为室内分布式系统的信号源, 因此TD-SCDMA输出信号需要在8～10W左右才能达到相同的覆盖。而高速数据业务的需求, 对TD-SCDMA基站输出功率的要求会更高。
随着移动通信运营公司网络规模的扩大, 宏基站密度增加, 城市的室外覆盖已基本做到了无缝连接, 话音质量也进一步得到改进和提高。但网络的室内覆盖还比较差, 室内覆盖问题的重要性逐渐突显, 因此, 提高网络的室内覆盖质量, 也就成为工程建设和网络优化工作的一项重要内容。

参考文献
[1]曾沂粲.3G室内覆盖系统的规划和优化.通信世界, (9).
[2]刁兆坤.3G无线网络的科学规划.通信世界, (4).
[3]李军.WCDMA无线网络规划中基站覆盖范围的讨论. 电信工程技术与标准化, (3).

作者简介
廖鸿雅, 北京邮电大学毕业, 获通信工程本科。现在供职于中国移动通信集团设计院有限公司四川分公司。