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室分设计思路

推荐]3G室内分布系统规划设计及测试方法研究

1、概述  

　　随着3G脚步的日益临近，室内分布系统建设的紧迫性及重要性越来越突出。

首先，室内分布系统的话务量占比很大。

根据DoCoMo的最新统计，室内场所占了近80%的话务量，而在实施了室内覆盖的建筑物内话务量增大了1.43倍。

从国内的经验数据可以看出，目前2G网络60%～80%的移动用户话务量也发生在室内。

其次，从3G业务使用来看，室内环境舒适，用户大多在室内消磨等候的时间，因此，室内用户更喜欢使用3G的丰富业务。

为了更好地满足用户体验，树立良好形象，运营商应该对3G的室内覆盖建设给予足够重视。

　　从解决覆盖、容量、质量这三个网络规划及优化主题来看，室内分布系统都是非常重要的解决手段。

从网络覆盖来看，室内分布系统可以解决室内盲区及干扰区域；从网络容量来看，室内覆盖还可以分散密集区域的话务量，从而减轻室外基站的压力，降低室外基站的数量和配置；从网络质量来看，室内覆盖降低了室外系统的负荷，由于3G自干扰的特性，也就降低了网络整体干扰水平，从而提高整个系统的质量、容量。

因此，室内覆盖对于3G网络的建设具有至关重要的作用。

本文从以下三方面对WCDMA室内分布系统的规划、设计、测试方法进行细致分析：

　　◆做哪里：

解决如何选点问题。

　　◆怎么做：

解决选点之后如何进行方案设计的问题。

　　◆如何验证：

解决系统实施后的测试验证的问题。

2、规划选点的原则和方法  

　　由于自干扰性、呼吸效应、同频复用等原因，3G室内分布系统与传统2G室内分布系统相比，有很大的差别。

对新的移动运营商而言，为了在网络运营初期能与先进入者的网络质量可比，必须考虑提前建设的问题，此问题有两个重要特点：

　　◆如果没有室外网络环境，将无法准确预测室外基站在室内的信号覆盖及干扰情况。

那么，应如何进行选点?

　　◆如果没有室内的标准信源，将无法对系统质量进行验证。

那么，如何保证信源接入后的覆盖质量?

在设计阶段如何设定合理的覆盖标准，以满足3G各种业务的需求?

　　下面先分析选点的问题，后面章节将对第二个问题进行分析。

　　2.1　3G室内分布系统规划选点应遵循的原则  

　　3G室内分布系统选点应遵循以下三个原则：

　　◆统一性：

即室内室外站点规划的统一，在建设室内覆盖时，要考虑室外信号的影响，同时需考虑对室外干扰水平的提升。

　　◆差异性：

由于网络建设受投资限制，因此要以用户满意度为衡量标准，以制定不同建筑物的室内质量目标。

对于不同的区域及建筑物，可在建设策略、建设阶段进行差异性调整。

　　◆经济性：

对于一个特定的建筑物，室内覆盖有多种选择时，需合理选择覆盖标准及设计方案，以达到性价比最大化。

　　2.2　3G室内分布系统规划选点目标  

　　建设室内分布系统是为了消除建筑物内部的信号盲区、弱区，解决建筑物内部信号杂乱造成的通话质量差等问题，以及分担室内话务量并改善网络拥塞。

　　表1把3G室内分布系统建设目标分为5类，实际建设时可结合室外基站对室内的覆盖情况作相应的调整。

表1　3G室内分布系统建设目标及范围

　　2.3　选点优先级

　　3G室内覆盖系统的建设应根据覆盖等级、话务等级，结合市场发展策略，确定建设优先级，分批建设。

对无法利用室外基站信号达到室内良好覆盖以及对业务需求大的公共场所，应优先安排建设。

　　根据权威调查公司的影响力模型分析结果，对于新的移动通信产品，年轻人、白领商务人士对其它人群是否使用该产品的影响力最大。

对于新运营商，要扩大品牌效应，应有针对性地对年轻人、商务白领人士经常活动的场所优先覆盖。

优先覆盖的原则如下：

　　◆从建筑物的性质考虑：

大型公共场所、重要办公楼优先。

　　◆从话务量角度考虑：

高业务量区域、人流量大的区域优先。

对拥有二代网络的运营商而言，应优先考虑2G／3G需求有交集的建筑。

可根据2G网络的话务量来分析3G的需求。

　　◆从覆盖角度考虑：

根据2G的经验，楼高15层以上、单层面积超过1200平方米、室内间隔较多的建筑物优先。

如果存在2G网络，且3G规划站址相同，可根据目前2G的覆盖情况较准确地预测3G覆盖情况；也可根据室外基站规划仿真结果，对室外基站能否解决室内覆盖进行初步判断。

　　3、设计方法

　　3.1　设计标准的取定

　　设计标准的取定直接影响到器件选用、设计方法、天线密度、系统效果等因素。

下面从理论及实测两方面进行研究。

（1）理论分析

　　一般来说，以导频信号强度Ec作为WCDMA室内分布系统的覆盖衡量标准之一。

Ec的确定与业务要求、覆盖要求、Ec/Io要求以及Io相关。

　　设：

　　室外基站在室内总信号强度RSSI’=Io-o（dBm），热噪声No（dBm），

　　室内基站导频信号强度RSCP=Ec-I（dBm），RSSI=Io-I（dBm），

　　那么，考虑室内室外信号综合因素后，

　　总Io=10log[10ˆ（Io-o/10）+10ˆ（Io-i/1O）+10ˆNo]（dBm）。

　　设室内分布系统基站导频功率占室内总功率的10%，在50%负载情况下，

　　Io-I=Ec-i+7（dB）（因为50%负载，相当基站输出功率=导频信号+10-3dB）

　　此时，Io=10log[10ˆ（Io-o/10）+10ˆ（（Ec-i+7）/10）+10ˆ（-108+7）]（dBm），

　　室内Ec/Io=Ec-i-Io=Ec-i-10log[10ˆ（Io-o/10）+10ˆ（（Ec-i+7）/10）+10ˆ（-101）]（dB）

　　其中，No=-108+7=-101dBm，7为终端的噪声系数。

　　根据上述公式，可以得出在室内系统信源导频边缘场强Ec-i确定时，室外底噪与Ec/Io的关系曲线图（如图1所示）。

图1　室外底噪与Ec/Io的关系曲线图（室内RSCP为-85dBm，50%加载）

　　可见，在室内覆盖边缘导频Ec-i一定的情况下，Ec/Io与室外基站的RSSI存在量化关系，反之也成立。

例如，当室外基站RSSI=-78dBm时，由图可得，如果要保证Ec/Io＞-10dB，需要Ec-i＞-85dBm。

（2）某城市CDMA网络的测试数据

　　从上述分析可知，如果要确定室外基站在室内建筑物的准确Io，需给Ec预留恰当的余量，以保证Ec/Io，从而确定Ec的设计目标，这在室外网络未开通时非常关键。

　　为了得到典型Io数据，选取某城市部分典型楼宇进行底噪现场测试，并对结果进行统计分析，如图2所示。

图2　建筑物室内的室外基站底噪测试图

　　从图2可知，底噪Io有90%的概率小于-78dBm。

又从图1可知，如果设定Ec＞-85dBm，则有90%概率的区域可以保证Ec/Io＞-10。

从3G实际测试结果可得：

只要Ec/Io＞-10，且RSCP＞-90，则能够保证95%以上的概率业务速率＞384kb/s。

从链路预算的角度分析，-85dBm的边缘场强可以保证384kb/s的业务速率要求。

综合考虑业务覆盖需求及Ec/Io要求的最大值，即可得到边缘场强覆盖标准。

　　（3）设计标准

　　根据以上理论分析及实际测试的结果，对于WCDMA室内分布系统的设计目标，可按以下标准设计。

　　◆电磁环境较差区域（RSSI＞75dBm的区域）以及重点覆盖区域：

要求导频信号强度≥-85dBm，导频Ec/Io≥-10dB。

　　◆一般区域：

要求导频信号强度≥-90dBm，导频Ec/Io≥-12dB。

　　◆地下层、电梯：

导频信号强度≥-95dBm，导频Ec/Io≥-12dB。

　　3.2　设计原则

　　下面对室内分布系统方案设计中可遵循的几个原则进行分析。

（1）多天线小功率设计原则

　　在室内分布系统方案设计中，考虑到室内环境的特殊性（如隔墙损耗）、减少信号外泄、降低室外信号对室内的影响三方面因素，也为了保证系统均匀、有效覆盖，可根据模拟测试结果，采用多天线小功率原则，合理布放天线，保证室内分布效果。

具体如表2、表3所示。

表2　增加天线数量得到的增益（分裂增益）

表3　增加天线数量得到的增益（隔墙增益+分裂增益）

　　从表2、表3的数据可知，合理增加天线数量，可有效节约信源功率，达到良好的覆盖效果。

（2）MCL（最小耦合损耗）原则

　　◆MCL取值原则

　　MCL定义为基站和手机之间的最小耦合损耗。

MCL=手机到天线的自由空间损耗+天线到基站接收机的天馈系统损耗。

　　手机到天线的最小空间损耗，例如通常取值1米的空间损耗为38.4dB。

　　天馈系统损耗主要包括馈线传输损耗、器件分配损耗等。

　　考虑到基站噪声系数，WCDMA基站底噪声为-105.1dBm，由于UE的最小发射功率为　50dBm，那么，当MCL小于-50-（-105.1）=55.1dB时，由于快速功率控制机制已经没法让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4所示。

表4　WCDMA基站噪声分析

　　一般取MCL≥65dB（UE为-50dBm发射时，到达基站的底噪-50-65=-115dBm），基站的灵敏度下降≤0.4dB。

　　当UE离天线口为1m时，假设基站发射导频功率为33dBm，则室内天线口发射功率必须满足以下要求：

　　MCL=38.4dB+（33-天线输出功率）≥65dB，

　　天线口功率≤6.4dBm。

　　◆MCL实验

　　为了验证MCL对天线口功率要求，用UEA/B2个终端在某地进行了MCL试验。

表5所示的情况1～3中，逐渐降低MCL（UEA逐渐靠近天线）。

表5　MCL现场测试数据

　　从表5的测试结果可知，B发射功率随着A离天线的距离越近而越大。

A接近天线，手机与基站接收机的上行链路损耗减少，等同于在A手机不移动时天线口的导频功率增大，这时终端对基站灵敏度的影响也逐渐增大，系统的底噪增大。

　　◆小结

　　天线口功率过大可能会引起手机相互干扰，以及带来远近效应，而离天线近的手机会阻塞覆盖边缘手机的接入，进而影响分布系统的容量和质量。

另外，国家电磁辐射标准规定室内天线口功率小于15dBm（总功率），在WCDMA系统中，一般导频功率占总功率的10%，因此3G室内天线口导频功率不能超过5dBm。

综合考虑MCL的影响及国家电磁辐射标准，建议建议室内分布天线口导频功率不超过5dBm。

　　（3）天线布放密度原则

　　一般情况下，如果已有2G分布系统，则可以根据频段损耗的差别对3G的信号进行预测。

理论上，3G和其它系统的空中传播损耗相比，差别如表6所示。

表6　不同系统空中传播损耗差别

　　在某地选取典型建筑物进行WCDMA覆盖能力测试，不同性质区域WCDMA的典型天线覆盖半径如下（取边缘Ec＞-90dBm）：

　　◆天线口导频功率0～5dBm，典型地下停车场天线覆盖半径为15米；

　　◆天线口导频功率0～5dBm，酒店的天线可覆盖前后左右四个房间（四个房间对门）；

　　◆天线口导频功率0～5dBm，有货架的超市覆盖半径为12米；

　　◆天线口导频功率0～5dBm，利用壁挂天线（增益6dBi）水平方向打覆盖电梯井和电梯厅，可以覆盖3层（上下各一层）；

　　◆天线口导频功率0～5dBm，板状天线（增益11dBi）垂直向下打覆盖电梯，主瓣可覆盖4层，后瓣可覆盖1层。

　　4、提前建设如何验证系统可行性的问题

　　在3G信源没有开通前，如何验证分布系统建成后的系统效果，这是与2G系统最大的区别（2G系统先建外网后建室内分布系统，且有信源接入室内分布系统来验证实际通话效果）。

所谓提前验证系统效果，是指目前的系统建设需保证3G信源开通后，要调整的工作量达到最少。

　　对于室内分布系统本身，如果没有信源就没有办法进行实际的拨打测试；对于整个网络，如果没有信源就没有办法准确了解室外基站在室内的信号情况。

而对于CDMA系统，室外信号在室内实际上降低了室内系统的Ec/Io。

本节探讨对室内分布系统本身的验证方法。

我们在某室内分布系统站点分别采用实际信源与导频发射机作为信源进行比较测试，测试的内容包括：

导频覆盖、Ec/Io的差别。

实际WCDMA信源的导频功率33dBm，模拟导频发射机导频功率30dBm，差别3dB。

下面是测试结果。

　　4.1　场强分布情况的比较

　　场强分布情况的比较如表7、图3、图4所示。

表7　CPICH-RSCP统计平均值比较表

图3　实际信源测试图

图4　模拟信源测试图

　　从表7、图3、图4的数据可以看出，考虑到2个信源导频输出功率3dB的差值，导频强度的分布路线在方向和趋势上基本是一致的。

　　4.2　Ec/Io比较

　　从表8的数据可以看出，考虑到2个信源导频输出功率3dB的差值，以及Io的差别，导频强度的分布在趋势上基本是一致的。

表8　Ec/Io统计平均值比较表（dB）

　　4.3　小结

　　从实际信源和模拟导频信源的比较测试可以看出，采用模拟导频信源进行系统开通前的验证是可行的。

采用模拟导频信源代替实际3G信源接入到室内分布系统中，可以对开通后的室内系统覆盖效果进行验证，验证内容可以包括导频覆盖、Ec/Io、室外信号泄露情况、天馈系统的驻波比等。

从这些角度验证后，结合上述理论及试点确定的设计标准，可以较好地保证3G室内分布系统接入信源后的网络质量。

　　5、总结

　　无线规划设计领域属于经验性科学，3G室内分布系统建设是无线规划领域一个全新的课题，很多经验需要在实际建设、试点时进行分析和总结。

本文提出的方法和得出的结论需要在实际的3G网络运营成熟后，进行进一步的验证和完善。

TD-SCDMA频率配置议如下：

（1）使用15MHz频段的城市配置建议如下

F1～3作为微蜂窝频点，F4～9作为宏蜂窝频点，F3/F4之间预留0.2MHz的保护间隔，频段上下界预留0.2MHz的保护间隔，如下：

频点号   下界   F1   F2   F3   F4   F5   F6   F7   F8   F9   上界

中心频点（MHz）   2010.0   2011.0   2012.6   2014.2   2016   2017.6   2019.2   2020.8   2022.4   2024.0   2025.0

保护间隔   0.2   0.0   0.2   0.0   0.0   0.0   0.0   0.2

（2）使用10MHz频段的城市配置建议如下

F1～3作为微蜂窝频点，F4～6作为宏蜂窝频点，F3/F4之间预留0.2MHz的保护间隔，频段下界预留0.2MHz的保护间隔，如下：

频点号   下界   F1   F2   F3   F4   F5   F6

中心频点（MHz）   2010.0   2011.0   2012.6   2014.2   2016   2017.6   2019.2

保护间隔   0.2   0.0   0.2   0.0   0.0

WCDMA频点计算如下：

F=1920+（n-9600）×0.2（上行）F=1920+（n-9600）×0.2（下行）