高层楼宇TD室内信号的覆盖本科毕业设计.docx
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高层楼宇TD室内信号的覆盖本科毕业设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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摘要
3G的魅力在于高速数据与多媒体业务，而视频电话、视频流、游戏等高速数据业务一般都发生在舒适的室内环境中，这些业务功能需要较大的系统容量和良好的网络质量。
对运营商而言，大量使用室内覆盖系统，可以争夺室内的话务量。
室内覆盖还可以分散过密地区的网络压力，解决高端用户密集城区覆盖问题，减少室外基站的数量和配置，降低室外网络的整体干扰水平，从而提高整个系统的容量，更好地满足用户对信号质量的要求。
解决室内覆盖的主要方法是建设室内覆盖分布系统，室内分布系统的基本原理是将室外信号通过有线方式引入到室内，再通过小型天线将信号发送出去，从而提高室内覆盖水平。
TD-SCDMA是3G三大主流技术之一，TD-SCDMA室内分布系统将是TD-SCDMA整个网络建设的重点之一。
本项目报告介绍了实习期间所做的室内覆盖设计方案，并就案例进行分析，总结出TD-SCDMA室内分布系统设计的特点，介绍一些设计方法和技巧。
关键词：
3GTD-SCDMA室内分布系统
Abstracts:
Thecharmof3Gliesinthehigh-speeddataandmultimediaservices,whilehigh-speeddataservicessuchasvideotelephony,videostreaming,gamingareusuallyoccurredincomfortoftheindoorenvironment,thesebusinessfeaturesrequirelargersystemcapacitynetworkwithgoodquality.Totheoperators,extensivelyusingindoorcoveragesystemcancompetefortheindoortelephonetraffic.Indoorcoverageareacanalsobespreadthroughclosenetworkofpressuretoaddresstheissueofhigh-endusersdenseurbancoverageandreducethenumberofoutdoorbasestationsandconfiguredtoreducetheoverallinterferenceleveloutsidethenetwork,therebyenhancingthecapacityoftheentiresystemtobettermeetuser'sneedforsignalquality.
Themainwaytosolveindoorcoverageistobuildindoorcoveragedistributionsystem,thebasicprinciplesofindoordistributionsystemistobringoutdoorsignalthroughwireintroducedintotheroom,thenthroughasmallantennatosendoutthesignalsoastoenhancethelevelofindoorcoverage.3GTD-SCDMAisoneofthethreemainstreamtechnology,TD-SCDMAindoordistributionsystemwillbeoneofthemajorconstructionoftheentireTD-SCDMAnetwork.Thisreportdescribestheinternshipprojectdoneduringtheindoorcoveragedesign.Whichwillalsoanalyzethecaseofatypicalproject,sumupthedesignfeaturesofTD-SCDMAindoordistributionsystemandintroducesomedesignmethodsandtechniques.
Keywords:
3GTD-SCDMAindoordistributionsystem
绪论
随着移动通信的迅速发展和普及，城市规模的不断扩大，摩天大楼和地下设施的大量涌现，室内吸收了大部分的话务量。
NTTDoCoMo的3G商用网络的最新业务统计数据显示，在3G网络中室外的业务量（语音和数据）仅占整个网络业务的30.3%，而室内业务占整个网络业务的69.7%，这些场所主要是办公楼29%、车站26%、家庭25%,20%分别在购物广场、娱乐场所、地下室、餐厅等。
针对现在许多大城市高楼密集和建筑物内的移动用户较多的现状，单依靠室外宏蜂窝基站对其覆盖已经不能满足网络覆盖、容量和质量的要求。
主要存在以下一些问题。
覆盖方面：
3G工作在超短波频段，而且电波的绕射能力差，穿透损耗较大，导致网络的深层次覆盖存在着缺陷，产生信号的弱区或盲区，如在建筑物电梯间、地下停车场和地铁等。
容量方面：
一些建筑物如超市、会议中心等，由于用户密度过大，CDMA网络用户底部噪声大大抬高，GSM拥塞严重，导致容量有限。
质量方面：
由于频率干扰、导频污染和乒乓效应等导致小区的信号不稳定，话音质量难以保证，甚至发生掉话。
对运营商而言，大量使用室内覆盖系统，可以争夺室内的话务量，开拓新的话务量。
据DoCoMo的统计，实施室内覆盖的建筑物内话务量增大了1.43倍。
同时室内覆盖还可以用于分散过密地区的网络压力，解决高端用户密集城区覆盖问题，减少室外基站的数量和配置，降低室外网络的整体干扰水平，从而提高整个系统的容量，更好地满足用户对质量的要求，其性能的好坏将直接影响到运营商的客户体验及其收益，是其取得成功的关键因素之一。
与3G其他制式的系统一样，TD-SCDMA在布网的过程中也无法回避室内覆盖的问题。
同样受限于IMT-2000频段无线电波的传播特性和建筑物的材质，仅仅室外的宏蜂窝基站无法保证充分覆盖，不可避免产生盲区。
解决问题的最有效方法是引入室内分布系统。
1TD-SCDMA室内分布系统组成
分布系统即针对建筑物内的移动用户，解决其通信网络覆盖的一种方案。
利用室内分布系统将基站信号均匀地覆盖到室内盲区，以保证室内区域都拥有理想的信号覆盖。
图1-1是通过无线同频直放站引入信号源，再由耦合器、功分器、干线放大器、室内分布式天线等组成的室内分布系统的示意图。
如图1-1所示
图1-1室内分布系统
1.1信号源
通常可以选作为室内覆盖的信号源有宏蜂窝基站，微蜂窝基站，直放站和射频拉远单元等。
（1）宏蜂窝信源：
主要应用在话务量高、覆盖区域大、具备机房条件的高档写字楼、大型商场、星级酒店、奥运体育场馆等重要建筑物。
（2）微蜂窝信源：
应用在中等话务量、中小型建筑物。
如分布系统功率不够可增加少量干放进行覆盖。
（3）射频拉远信源：
应用在话务量较高的写字楼、商场、酒店等重要建筑物，尤其适合建筑群的覆盖。
（4）直放机信源：
主要应用在覆盖区域分散的小区，补盲覆盖的电梯、地下室等场所
针对以上关于室内覆盖的信号源的介绍，我们对一些特定方案下的典型场景提出了解决方案，如表1-1所示。
表1-1部分场景的室内覆盖解决方案
方案针对性
典型场景
解决方案
超大面积的楼宇或楼群，高话务量热点，有光线分布的场景
高档的写字楼（群），大型的综合商务中心，机场等
宏基站+RRU+室内分布系统
大面积楼宇，中等话务密度，中等覆盖规模的场景
一般的写字楼，高档酒店，会展中心等
室内的微蜂窝基站+室内分布系统
话务量不高，主要是为了满足覆盖的要求且较为封闭的场景
地下停车场、隧道、地铁，小型或鼓励的居民区，交通干线等
直放站+室内分布系统或泄漏电缆
一般的室内覆盖，话务量不高且封闭性较差的场景
普通的居民楼（大楼内非深层覆盖），体育场等
室外的宏蜂窝
1.2传输介质和分布系统
传输介质和分布系统作为室内覆盖系统的重要组成部分，主要有同轴电缆，光纤和泄漏电缆三种。
（1）同轴电缆是最为常用的材料，其优点是性能稳定、造价便宜、设计方案灵活、易于维护和进行线路调整、工作频段合适、可以兼容多种制式的系统，但覆盖范围受同轴电缆的传输损耗的限制，传输保密性差。
大型同轴电缆室内分布系统通常需要多个干线放大器作为信号的放大接力。
（2）光纤的路损较小，不加干线放大器也可以将信号送到多个区域，保证足够的信号强度，性能稳定可靠，传输容量较大，易于设计和安装，可兼容多种移动通信系统。
但是在建设的过程中需要增加专门的电转光，光转电设备，且依赖于远端供电。
在TD-SCDMA室内分布系统中还有一个问题是光电互换时存在时延，需要在使用中引起注意。
（3）泄漏电缆由导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体组成。
电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波；外界的电磁场也可以通过槽孔感应到泄漏电缆内部并送到接收端。
泄漏电缆提供的是功率低、辐射均匀的“雾状”覆盖。
优点是信号强度均匀，缺点是较高的电缆传输损耗，需要较强的信号输入；安装技术要求较高，每隔1m就要求装一个挂钩，悬挂起来时电缆不能贴着墙面，而且至少要与墙面保持2cm的距离，不但影响美观，而且价格是普通电缆的2倍。
它多用于一些特殊场景下，因为普通天线无法实现较好的覆盖，如竖井，隧道，地铁等。
1.3元器件和天线
除了信号源，传输介质和分布系统之外，室内分布系统还需要功分器，耦合器，干线放大器和天线等器件。
（1）功分器和耦合器主要有无源和有源（功分器和耦合器）两种器件，工作频段合适可以兼容多种制式的系统。
采用无源器件的系统设备性能稳定，安全性高，维护简单，信号经过功分器，耦合器和线路损耗后，到达天线处的强度不同，覆盖的效果也不同。
而有源系统的信号到达末端时被放大器放大，达到理想的强度，保证覆盖效果。
例如一些大型商场，就需要有源系统保证其覆盖。
因而，有源系统建设和维护复杂，有源设备易损坏，系统的安全性和稳定性不如前者。
（2）干线放大器信号的传输会有一定的损耗，为了保证覆盖的效果，需要在传输过程中进行放大，这时就需要干线放大器。
在TD-SCDMA系统中，上下行工作于同一频段，应该避免上下行链路的自激干扰问题；另外，对于多种制式共用室内分布系统，不同频段的信号在此前的路损可能不同，应均衡各频段信号的放大率，以达到最佳的覆盖效果。
（3）天线室内覆盖的天线主要有全向天线和定向天线两种，根据具体场景的需求合理选择。
通常以吸顶天线为主，它主要有3dBi天线和5dBi天线，在水平方向全向发射。
两种天线在垂直方向信号能量集中角度上有区别，3dBi天线适合开阔空间的覆盖，如会议厅；5dBi天线的垂直发射角度对于前者要小，能量更加集中，适合于楼层间的覆盖。
为了防止室内信号泄漏对室外信号产生干扰等情况，采用定向天线向室内需求方向覆盖。
与2G等其他系统共用室内分布系统时，需要考虑不同制式的链路损耗的区别来调整天线的位置和数量，以满足覆盖需求。
综上所述，信号源，信号的传输介质和分布系统以及功分器，耦合器，干线放大器，天线等器件共同组成了室内分布系统。
根据具体的情况选取适合的器件，其中一些器件可以不用，如干线放大器等。
2局部覆盖系统设计
2.1室内传播模型
室内无线信道和传统的无线信道相比具有两个显著的特点：
其一，室内覆盖的面积小的多；其次，室内传播环境变化更大。
研究表明，影响室内传播的因素主要是建筑物的布局、建筑材料和建筑类型等。
室内传播模型有很多种，如对数距离路径损耗模型，Ericsson多充端点模型，衰减因子模型等。
目前普遍选取下述室内传播模型：
Ploss=Plosslm+20log（d）+FAF+8（dB）
其中：
Ploss：
路径损耗（dB）；
Plosslm：
距天线1米处的路径衰减（dB），参考值为39dB；
d：
距离（m）；
FAF：
环境损耗附加值（dB），和建筑物类型、建筑结构、所用材料等相关，取值是在表5.1的基础上，结合建筑物类型、结构以及室内分布的工程经验而来。
此值需在今后的实际工程中结合实际场景进行修正。
8dB：
室内环境下的衰落余量，包括空间衰落效应和时间衰落效应引起的衰落。
表2-1给出了在2G频段电磁波的典型穿透损耗值
阻隔物类型
损耗（dB））
普通砖混隔墙（<30cm）
10～15
混凝土墙体
20～30
混凝土楼板
25～30
天花板管道
1～8
金属扶手电梯
5
箱体电梯
30
人体
3
木质家具
3～6
2.2室内覆盖场强预测方法
在室内覆盖系统中，对于下行链路而言，吸顶天线的入口功率比较小，一般在10-15dBm,而对上行链路来说，手机最大发射功率为24dBm，远高于下行天线口功率，由此可知，在室内分布系统中，下行覆盖小于上行覆盖。
所以在进行室内分布系统的天线规划时以单天线下行覆盖能力为规划依据。
室内环境下的接收信号场强可按下式计算：
Pr=Pt+Gt-Ploss+Gr（dBm）
其中，
Pt：
天线入口功率；
Gt：
发射天线增益；
Ploss：
路径损耗，按公式可以计算得出；
Gr：
接收天线增益
由上式可得路径损耗L为：
Ploss=Pt+Gt-Pr+Gr（dBm）
结合室内传播模型，选取合适的FAF值，便可求得相应场景下单天线的覆盖能力。
2.3室内覆盖典型环境单天线覆盖能力
单天线覆盖能力是指天线口输出功率固定，移动台能接收到有效信号的距天线最远的距离，即一个天线的覆盖半径。
设计室内分布系统时，要考虑不同性质的楼宇结构不同，单天线覆盖的范围是有限，例如楼宇内物理环境结构简单、空旷、遮挡物少，信号在传输的过程中损耗少，单天线覆盖范围大；反之，楼宇内物理环境结构复杂、遮挡物多，信号信号在传输过程中损耗大，单天线覆盖范围小。
针对以上关于室内覆盖单天线覆盖能力的介绍，我们对一些典型场景给出参考数值，如表2-2所示。
表2-2室内覆盖典型环境单天线覆盖能力
典型场景
FAF（dB）
Pt（dBm）
Pr（dBm）
Gt（dBi）
单天线覆盖半径（米）
写字楼
21
6
-85
3
20.0
商场超市
20
6
-85
3
22.4
会展中心
19
8
-85
3
31.6
会议中心
19
8
-85
3
31.6
室内体育场馆
15
10
-85
3
63.1
民航机场
18
6
-85
3
28.2
宾馆酒店
26
6
-85
3
11.2
娱乐场所
22
6
-85
3
17.8
地下停车场
17
6
-85
3
31.6
电梯
31
10
-85
10
22.4
2.4天线功率需求及布放原则
设计室内分布系统时，要考虑天线的输出功率，可以计算出一个平层所需的功率，最终计算出整栋楼宇所需的功率，继而估计出需要什么样的信源设备；在一些普通的物理环境中，如何设计天线的布放，以下所述几点可以说明。
（1）天线口输出功率要求：
PCCPCH信道功率为0～5dBm；
（2）在部分场合为更好的满足业务需求，如会议室、总经理办公室、大客户所在地等，可适当减少单个天线的覆盖范围，天线口PCCPCH信道功率可达到7dBm以上。
（3）在可视环境下，如商场、超市、停车场、机场等，覆盖半径取8～15米。
（4）在多隔断的情况，如宾馆、居民楼、娱乐场所等，覆盖半径取4～10米。
（5）对于电梯，采用小板状天线进行覆盖，天线口PCCPCH信道输入功率放置到8dBm，覆盖距离控制在12米以内。
2.5天线布放参考
平层覆盖方式主要是根据平层的具体功用以及建筑结构的特点分为客房结构式、写字楼结构式、大型办公区结构式、地下室结构以及卫生间部分等几种覆盖方式，下面就不同的结构覆盖方式说明。
2.5.1客房楼层天线的布放
结构特点：
结构复杂，卫生间基本在走廊侧，房间结构基本为背对背建设。
覆盖要点：
由于卫生间部分大部分墙体结构较厚，装修豪华，墙体的信号衰减较大，基本从走廊到房间内部必须要穿透两堵墙，对于TD-SCDMA信号，若天线安装在走廊内卫生间侧基本无法保证覆盖。
且由于走廊相对较窄，天线距离卫生间距离有限，无法保证信号的有效绕射，信号的衰减较严重。
因此，对于宾馆式结构楼层的覆盖，天线的布放要求尽量避开卫生间一侧，最佳安位置应在两房间对应的门口。
具体如下图：
具体覆盖方式：
（1）对于对称客房，一般四个客房门口对应，即两侧四个房间门口相对应，卫生间部分相对应。
对于此类结构的客房楼层可采取如下方式进行覆盖：
四个房间门口共用一副全向吸顶天线，能够很好的兼顾四个客房的覆盖。
考虑到有效覆盖距离内信号穿透最多不多于一堵墙。
天线的间距基本在10m之内。
天线口PCCPCH功率基本可控制在4dBm左右（如图2-1）。
图2-1客房天线安装位置
相关链路计算：
覆盖模型（如图2-2）：
图2-2覆盖模型
强度计算（如表2-3）：
表2-3覆盖强度链路计算强度
覆盖强度链路计算
编号
TD-SCDMA
GSM
天线口输出功率（dBm）
PCCHPCH功率一般控制在4dBm
输出功率可控制在4dBm
a
天线增益（dBi）
TD频段一般为3
G频段一般为2
b
天线有效发射功率EIRP（dBm）
EIRP=4dBm+3dBi
EIRP=4dBm+3dBi
C=a+b
自由空间损耗（dB）
Lp=59dB（10m）
Lp=52dB（10m）
Lp
隔墙损耗（dB）
20～25
15～20
e
电平波动（dB）
一般取3～5dB
一般取3～5dB
f
最小边缘强度
-75～-82dBm
-64～-71dBm
Rx=c-Lp-e-f
工程实例参考（如图2-3）：
酒店客房平层覆盖
图2-3酒店客房平层覆盖
（2）对于一侧为客房的楼层，可考虑采用一些定向吸顶天线，定向吸顶天线即可降低走廊另一侧的信号泄漏，又可通过定向吸顶天线增益高的特性，适当降低天线口的PCCPCH功率，建议若采用下图覆盖方式的话，PCCPCH功率可控制在2dBm左右。
天线可采用120度定向吸顶天线（如图2-4）。
图2-4定向吸顶天线位置
相关链路计算：
覆盖模型（如图2-2）：
强度计算（表2-3）
小结：
对于客房部分的覆盖天线的布放非常关键，具体原则是：
多天线、小功率，尽量避开卫生间及竖梁（即承重柱子的影响），天线口PCCPCH功率建议根据宾馆天花板高度及天线的安装高度作适当调整。
一般情况下建议该种场合PCCPCH功率4dBm左右。
2.5.2办公楼层的覆盖
结构特点：
楼层相对较高，天花板相对较高，房间到走廊基本是一堵墙体阻隔，办公楼层房间的隔断由于墙体结构不同有多种形式，如石膏板结构、木板结构、砖体结构、混凝土墙结构等。
覆盖要点：
办公楼层的覆盖的关键是隔断的具体结构，不同隔断结构具有不同的覆盖方式，即天线的布局（单副有效覆盖面积）也不尽相同，一般情况下，天线间距可控制在10～15m之间，但对于混凝土结构的隔断楼层，建议天线有效覆盖范围内不超过一堵墙体，对于如木板、石膏板等衰减较小物质隔断的楼层，天线的间距可适当放大一些。
天线口PCCPCH功率基本控制在0～5dBm。
对于楼层较高如4～5m的楼层，天线口PCCPCH功率最大不超过8dBm。
具体覆盖方式：
（1）对称结构的楼层覆盖
对于对称结构的楼层，一般采用全向吸顶天线进行信号覆盖，对于混凝土墙隔断的办公室，建议单副天线有效覆盖距离不超过一堵墙，对于木板、石膏板隔断的办公楼层，天线的密度可适当降低，天线的有效覆盖距离建议控制在15m之内（如图2-5）。
根据要求合理控制泄漏。
图2-5办公楼层
（2）非对称结构的办公楼层
非对称结构的办公楼层，可考虑采用一些定向吸顶天线来覆盖，一般定向吸顶天线的增益都较全向吸顶天线增益大3dB左右，因此，若采用定向吸顶天线，天线口PCCPCH功率可控制在0～-3dBm（如图2-6）。
具体要根据实际结构作一些相应调整。
图2-6定向吸顶天线位置
相关链路计算：
覆盖模型（如图2-2）：
强度计算（如表2-3）：
小结：
对于办公结构的楼层，由于隔断结构不同，采用的覆盖方式也不尽相同，对于砖墙或混凝土结构的隔断，建议在天线布放时，尽量不超过一堵墙体隔断，对于属承重墙部分，要满足覆盖要求，切记不超过一堵墙。
对于石膏板结构或木板结构隔断的办公结构楼层，天线的布放间距根据实际结构情况可放的大一些。
2.5.3大型办公区域的覆盖
结构特点：
中间基本无隔断，平层面积较大，楼层较高，吊顶基本在3m左右。
主要有大型会议室、大型办公区等。
覆盖要点：
考虑到3G业务的需要，建议PCCPCH覆盖强度满足384K业务需要。
由于面积较大，天线布放在走廊将难以满足边缘覆盖强度要求。
因此，在天线布放时，建议天线安装其内部，最好距离走廊墙体近一些，走廊部分可通过房间内的天线穿透一堵墙体来满足覆盖。
另外，考虑到大型会议室或大型开放式办公区基本无隔断，天线的布放密度可根据需要适当少一些。
图2-7大型办公室覆盖实景图
2.5.4地下停车库的覆盖
结构特点：
对于地下停车场，内部基本无隔断，结构封闭，基本无吊顶，天线挂高会受到横梁的一些影响。
覆盖要点：
地下停车场属较封闭场所，受外界信号的影响较小，覆盖强度与质量容易保证，可考虑采用全向吸顶天线或定向小板状天线来进行覆盖，天线口PCCPCH功率基本控制在0～5dBm即可。
对于车道进入口部分一定要注意切换区域的控制。
另外，由于地下停车库一般无吊顶，若采用全向吸顶天线，天线安装平面建议低于水平横梁，可采用吊杆式安装；若采用定向小板状天线，天线安装建议安装在墙壁侧面。
定向板状天线的采用一般采用定向小板状，工作频段在800～2500MHz，采用壁挂式安装，安装施工较方便。
2.5
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