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3G室内分布系统
3G室内分布系统
现代都市建筑物越来越高、越来越密集,且建筑物多以钢筋混凝土为骨架,加上全封闭式的外装修,使移动通信的无线电信号在其间受到阻挡而衰减严重,移动通信用户很难进行正常的通信。
室内覆盖是针对室内用户群,用于改善建筑物内移动通信环境的一种有效的方案。
其原理是利用室内天线分布系统将移动基站的信号在室内均匀分布,从而保证室内区域拥有理想的信号覆盖,使用户在室内也能享受高质量的个人通信服务。
良好的网络覆盖,特别是室内覆盖是3g获得成功的关键。
随着移动通信的普及,室内吸收了大部分的话务量。
根据统计,室内场所吸收了将近70%的话务量,这些场所主要是办公楼、车站和家庭等。
从目前的2g/2.5g网络运营经验可知,移动用户的60%也分布在室内。
从3g业务的使用来看,室内提供舒适的环境,等候时间也大多在室内消磨,因此室内用户更喜欢使用3g丰富的业务。
所以,室内覆盖对3g来讲有着更大的重要性,而且在现有网络覆盖已经比较完善的情况下,用户会要求3g有更完善的网络覆盖,这样用户才会考虑使用3g网络。
因此为了更好地满足用户需求、树立良好的形象,运营商对3g的室内覆盖建设也应足够重视。
对运营商而言,通过建设3g室内分布,可以争夺室内话务量。
据统计,在实施了室内覆盖的建筑物内话务量增大了1.43倍。
室内覆盖还可以分散过密地区的话务量,从而减轻室外基站的压力,减少室外基站的数目。
从网络容量来看,室内覆盖也降低了室外系统的负荷,由于3g自干扰的特性,也就降低了室外网络整体干扰水平,从而增加整个系统的容量。
因此室内覆盖对于3g网络的建设具有至关重要的作用。
室内覆盖主要由信号源(宏蜂窝、微蜂窝)、无源器件、直放站、馈线、天线等组成。
根据建筑物的规模以及话务量大小,可以部署无源、有源室内分布系统。
其中信号源可以为宏蜂窝、微蜂窝、rru或者直放站:
在信号杂乱且不稳定的室内无线环境中,微蜂窝或宏蜂窝基站可作为信号源;在室内信号较弱或为覆盖盲区的环境中,可以采用直放站作为室内分布系统的信号引入设备。
室内分布兼容多个系统(gsm、dcs1800、phs、cdma、wcdma、wlan等):
多网合一可以减少室内覆盖的成本,在建设多网合一室内分布系统时,必须克服相互之间的干扰。
3g系统与2g系统在使用频段、编码技术等方面不同,故3g室内覆盖有一些新特点。
3g室内覆盖要对覆盖、容量、质量进行统一规划,而2g系统只用考虑室内场强信号水平满足用户接入电平要求,网络质量可通过后期频率规划进行调整。
由于各种业务链路损耗不同,3g系统还要考虑用户的业务需求,根据业务发展预测进行室内覆盖规划。
在进行室内分布时,站点规划与室外规划要协调统一。
3g室内覆盖还要重点考虑和2g系统、phs系统及集群系统之间的相互干扰问题。
一、WCDMA系统室内覆盖
WCDMA室内分布系统设计的特点
1.传输损耗和空间损耗大造成覆盖范围受限
从工作频段来看,WCDMA工作的核心频段为2GHz频段。
与2G网络工作的800MHz和900MHz频段相比,WCDMA信号的馈线损耗较大,穿透能力和绕射能力相对较差。
从表1可以看出,相比于在900MHz频段的馈线损耗,WCDMA信号在3G频段的损耗比在900MHz频段的损耗大50%左右。
可以计算出在各种距离下,2G和3G系统的不同自由空间损耗值如表2所示。
选取Keean-Motley模型(适用于900MHz和2GHz室内环境)作为室内无线传播模型。
从馈线损耗和自由空间损耗可以看出,在覆盖同样距离目标情况下,WCDMA总损耗比900MHz系统多9~11dB。
2.和其它系统共享室内覆盖带来的问题
在实际组网时,建筑物附近或建筑物内部通常已经存在各类无线通信系统信号,如GSM、WLAN或其它3G制式的信号。
从节约投资、减小施工难度和缩短施工周期考虑,往往要和其它系统合路共用室内覆盖系统。
这就存在以下问题:
(1)无源器件工作频率必须要涵盖WCDMA和其它所有共有系统的工作频段;
(2)有源器件部分无法共用,各系统间有源器件需相互独立;
(3)功率传输损耗差异;
(4)系统间相互干扰问题;
(5)合理利用和保留原有系统的设计思路。
对这些问题,要逐一分析,找到解决办法。
(1)目前大多数厂家提供的室内天线及无源器件工作频带均能涵盖800M~2500MHz。
已有GSM室内分布系统的无源器件如果不支持多系统的工作频带,我们在引入WCDMA系统时,必须对原有室内分布系统进行改造,将无源器件更换为宽频器件。
(2)在WCDMA与其它系统共享室内分布系统中,有源器件主要指的是干线放大器。
对于有源器件无法共用的问题,一般有两种方法来解决:
第一种方法是在干线放大器前后将各路信号分、合路,各系统独自用支持本系统的干线放大器将信号放大;第二种方法是通过调整GSM/WCDMA共享接入点,即在各系统的干线放大器之后合路,使得不同的系统分别独立地进行信号放大。
(3)我们应根据实际情况,通过对信号源与干线放大器的功率调整以及精心选择共享接入点,保证各系统的边缘场强要求,有必要的话,可以更换器件和馈线等,以减少传输损耗和插入损耗。
(4)系统间的相互干扰问题。
目前大多数厂家提供的设备均能满足防止各种系统之间的相互干扰所要求的隔离度。
在实际设计中,只需合理选择设备供应商、合理选择满足指标的器件即可。
(5)我们对原有系统要利用其合理部分,改造其不合理之处,并尽量不对已有系统进行大的改动。
这是因为原有系统经过实际检验和完善,在方案的合理性、工程施工的合理性以及实测信号覆盖等方面已经得到较好解决。
在WCDMA升级改造的实际设计中,应根据运营商要求和业主要求等,在尽量利用和不改动原有设计思路的前提下,合理解决WCDMA信号的合路、覆盖问题。
3.MCL(最小耦合损耗)带来的问题
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,通常取1m的空间损耗为39.2dB。
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,UE的最小发射功率为50dBm,当MCL小于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3所示。
一般取MCL≥65dB(UE为-50dBm发射时,到达基站的底噪-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=39.2dB+(33-天线输出功率)≥65dB;
天线口功率≤7.2dBm。
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,建议室内分布天线口导频功率不超过5dBm。
另外,在选择天线安装的位置时应尽量将天线安装于距通话手机大于1m的位置,避免由于通话用户距离天线过近导致手机发射功率到达基站过大时对基站造成的阻塞。
自由空间损耗表
网络体制
1M
5M
15M
20M
25M
GSM900
33dB
46.95dB
55dB
59.01dB
60.93dB
WCDMA
39.2dB
53.16dB
62.4dB
65.2dB
67.16dB
4.设计指标的取定
室内外系统采用同一频率时,建筑物的穿透损耗为有射频源部署方案提供了一定的天然隔离度,但是网络设计依旧要遵循CDMA系统的设计原则,最大限度地减少室内系统和室外网络的覆盖重叠,尽可能地提高容量。
类似于GSM系统所采用的分层式的网络部署方案是不能应用于WCDMA网络的,这种分层式的网络部署方案中室内/室外覆盖完全重叠,极大程度地降低了室内系统所能提供的容量,室内/室外覆盖的重叠程度可由软切换来衡量,软切换是由室内的Ec/Io值和室外的Ec/Io值决定的,两者在该建筑物内的值就决定了室内系统和室外站之间的软切换率。
对于WCDMA室内分布系统的设计目标,可按以下标准设计。
(1)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。
(2)一般区域:
要求导频信号强度≥-90dBm,导频Ec/Io≥-12dB。
(3)地下层、电梯:
导频信号强度≥-95dBm,导频Ec/Io≥-12dB。
WCDMA室内分布系统设计的方法和技巧
1.对大型室内覆盖系统,考虑BBU+RRU室内覆盖解决方案
该方案以微功率基站做信号源,以中频传输为技术核心,以网线(小同轴)/光纤作为传输介质进行信号传输和分布,即在传统光纤分布的基础上采用光纤+五类线的方式,很大程度上减少了传统电分布方式在系统设计与施工方面的难度。
该室内覆盖解决方案采用了分布式基站的设计思路,主要由基带处理单元BBU(BaseBandUnit)、数据汇集与交换单元RHUB(RRUHUB)、小型射频远端单元pRRU(picoRemoteRFUnit)组成。
BBU与RHUB由光纤连接,多个RHUB可以串联,射频远端单元pRRU输出21dBm以上的功率,经过电缆后由几个天线发射,一般外接1到4个天线。
其中,PicoRRU是一种小功率射频模块,其体积和重量都比射频单元宏RRU小得多,大小与便携计算机差不多,非常适合室内复杂多变的环境。
RHUB可将多个PicoRRU的信号通过五类线汇聚到一起,以减少BBU端口的需求。
由于每个pRRU可以灵活配置扰码,即可以一个pRRU配置一个扰码(一个小区),也可以多个pRRU配置成同一个小区,这样,容量可以灵活配置和调整,与广覆盖能力相结合,可以适应各种不同的应用场合。
该系统对覆盖特大型的建筑物目标,具有灵活简单、减少干放设备、减少施工难度、降低MCL、提高接收灵敏度、降低干扰增加容量等优点。
在实际工程设计和实施中,我们可以结合供货厂家的设备支持程度,考虑尝试使用。
2.多主干、多分支覆盖原则(包括使用POI)
高层建筑的楼层覆盖应最少采用两条主干,如果是较高的建筑物,可采用4条或者多条主干,将建筑物划分成多段进行覆盖。
非高层建筑也可根据楼层数量和所需天线数量来采用若干条主干进行覆盖。
另外,同一楼层也应该根据建筑平面结构特点,采用多条分支对单层进行覆盖。
采用多主干、多分支覆盖,一方面可以避免单条路由导致线路损耗过大,接头损耗等不确定因素增多,导致偏离甚至无法满足设计要求的问题;另一方面在载波扩容或者扇区分裂时,能减少对室内信号分布系统部分的改动。
如果采用主干多于4条,可以考虑使用POI(POINTOFINTERFACE),即多系统合路平台,可以实现多频段、多信号合路功能,并有等功率多支路输出。
目前相关厂家的POI一般有4个输出(衰减一般在6~8dB),这样就可方便地对目标进行多主干覆盖。
3.多主干(大于POI输出支路数目)情况下进行功率放大的技巧
大型室内覆盖系统,需要的主干数目远大于4时,可以采用每条POI输出通过耦合器或者功分器等组合、分成2条以上支路,每条支路加干线放大器进行放大,这样就解决了主干数目较多而POI输出数目有限的问题。
例如某大型建筑物共有7层,但由于每一层面积非常大,2G已经用了2个sector(分别接2个POI),多条主干对其进行覆盖,总体覆盖情况如图1所示。
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在该站点的3G升级改造设计中,由于路由太长而造成WCDMA信号衰减很快,所以需要考虑对每一层进行多分支覆盖,对每条POI输出通过耦合器或者功分器等组合、分成2条以上支路,每条支路加干线放大器进行信号放大。
这种放大方式可以根据具体情况进行多种变化,如图2所示。
总的来说,这种放大多分支的办法要把握尽量少用干放以及每条支路不能使干放串联两条原则。
4.多天线小功率设计原则
采取多天线小功率覆盖,可以达到均匀的分布强度。
特别是在天线输出功率普遍不高的情况下,天线密布而小范围覆盖,比天线疏而大范围覆盖的效果好得多。
根据模拟测试结果,增加天线数量获得的增益如表4、表5所示。
从表4、表5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。
在实际工程设计中,采用多天线小功率覆盖,明显可以减少建筑物内柱、墙等信号阻碍物对信号的阻挡衰耗和绕射损耗,尤其在WCDMA信号源输出功率普遍不是很强、室内天线输出功率不高的情况下,效果更是好得多。
采用多天线小功率进行覆盖,也要注意合理设置边缘天线的输出信号功率,防止泄漏到室外而造成干扰和掉话。
二、TD-SCDMA室内覆盖
1、TD-SCDMA室内分布系统特点:
(1)TD-SCDMA室内分布系统不使用智能天线,系统覆盖、容量和质量均受影响。
业务信道没有下行链路赋型增益,同室外覆盖方式相比,业务信道下行功率要低6dB~8dB。
由于缺少智能天线,上行干扰也得不到很好的控制。
(2)公共信道和业务信道的覆盖分开考虑。
由于室内业务信道没有智能天线赋形增益,因此它是一个业务信道覆盖受限系统。
TD-SCDMA的导频功率可以根据要求灵活设置,不是固定值。
(3)各业务覆盖基本一致。
TD-SCDMA系统的呼吸效应不明显,对各种速率的业务基本实现同径覆盖。
(4)支持不对称数据业务,可根据上下行业务量调整时隙配置。
(5)工作频段高、损耗大,信号室内传播能力差,深层覆盖难度大。
(6)为减少室内、室外干扰,室内、室外更适于采用异频组网方式。
(7)在室内分布区域向室外覆盖区域移动时,不能采用接力切换,只能选择硬切换。
(8)需控制系统设备时延。
TD-SCDMA基站覆盖最大半径为11.25km,这就要求室内分布系统中继设备不能有大的传输时延,以保证下行链路之间互不干扰。
(9)采用上行同步技术,对直放站和干放的技术要求提高。
(10)大部分信源需要引入单独的GPS天线,并选择合适的位置进行安装。
2、TD-SCDMA室内分布系统规划存在的问题
TD-SCDMA室内分布系统的规划设计是一个综合的系统工程,它融合了网络规划、性能目标、工程实施等多方面内容,同时还要考虑所承载系统的技术特点,做到统筹兼顾。
根据中国电信保定TD-SCDMA测试的情况来看,单个TD-SCDMA系统组网时存在下列问题,相信多系统环境室内分布的规划设计将更复杂:
(1)内外场切换性能有待改善。
这样做有助于改变经常掉话的情况,尤其是有助于改善室内切换到室外、外部干扰增强时的切换性能。
(2)N频点情形时,存在同频干扰问题(这要求在规划和优化时尽量保证属异频切换)。
(3)如何在与WCDMA同等条件时降低TD-SCDMA室内分布的成本,提高竞争力。
目前TD-SCDMA需要投入更多的干放等设备,这无形中增加了成本。
(4)终端产品和接入层产品的不成熟性,也给室内分布带来了一定的影响。
3、TD-SCDMA室内分布系统设计建设中需要注意的问题
TD-SCDMA室内分布系统的设计和建设应纳入到网络的整体规划中:
●在频点选择上根据建筑物位置的室外信号分布环境选择合适的频点,在频谱资源丰富的情况下,可以考虑使用与室外宏蜂窝信号不同的频点;使用N频点的系统(假设频点数等于3)的主载波频点应尽量避开信号最强的2个相邻宏蜂窝主载波的频点。
●TD-SCDMA室内分布系统在设计中,在建筑物非完全封闭的条件下应采用与室外宏蜂窝一致的时隙格式,以避免业务时隙的上下行干扰。
但根据已有3G运营商业务量统计,3G的数据业务有70%以上发生在室内,所以室内分布系统使用非对称时隙格式将有利于提高系统资源的利用率,也有助于室内系统向未来的HSDPA演进。
所以,这就需要在条件允许的情况下,室内分布系统使用独立于室外蜂窝的频点,并保证频点或信号间的有效隔离。
●在室内分布系统建设中,应对建筑物中已有的室外蜂窝的信号予以评估。
如果进入到室内的室外基站信号足够强,可以考虑调整室内信号的场强分布,并调整相应的无线参数避免多个小区的过度重叠覆盖。
4、TD-SCDMA系统室内覆盖关键
第一,缺少大功率设备。
TD-SCDMA是基于智能天线设计的,单通道输出功率只有1-2W,生产大功率的TDD功放的成本高,而WCDMA、CDMA天线输出功率一般为10W,这制约了室内分布系统的共享程度,在多网络共用POI系统中,覆盖能力不足。
对于一些大型建筑物,或者需要更多的信号源,或者需要更多的干线放大器,这都增加了网络建设和维护成本。
第二,直放站运用受限。
为了确保室内外信号相互隔离,要求室内外异频组网,从而不能采用室外基站做施主基站。
直放站时延5US,联合检测窗只有10US,当由室外施主基站直达径和室内直放站转发径构成的主径发生变化时,信号主径有可能出了信号检测窗,从而引起掉话。
目前全国有15万套不同类型的直放站应用于2G网络中,约75%作为室内分布的信号源。
如果不能有效地利用直放站作为信号源,那么室内分布系统的建设成本将会大幅度提高,特别是一些狭小封闭的区域,如电梯、地下停车场等。
第三,链路平衡问题。
室内分布系统没有智能天线,单通道功率有限,下行功率不足,数据业务的吞吐量(如HSDPA)受到影响。
第四,其他频段的改造。
现有TD-SCDMA信息源、有源设备甚至合路器都是基于2010MHz-2025MHz设计的,其他两个频段暂不考虑。
以后网络如果启用其他两个频段,将会增加系统改造工作量。
第五,大型建筑物大话务量的承受能力有待进一步验证。
尽管在去年的TD-SCDMA试验网中测试了一些室内分布系统,但数量有限,规模不大。
因此,TD-SCDMA室内分布系统的性能还有待于大型建筑物大话务量冲击的考验。
例如,大型展馆、会馆,在封闭空旷区域内用户密集、话务量大的前提下,不使用智能天线,是否能确保良好的网络质量。
5、TD-SCDMA室内分布系统业务指标要求
组网方式
业务需求
导频强度
室内外异频组网
语音
-90dBm
可视电话
-85dBm
PS数据业务
-90dBm
室内外同频组网
语音
-85dBm
可视电话
-80dBm
PS数据业务
-85dBm
为减少室内分布系统对室外系统的影响,需要满足如下条件:
除规定室内边缘信号电平外,室内覆盖系统不得过度覆盖室外,距建有室内分布系统的建筑物10米处,室内信号应比室外最强信号电平低9dB以上,或室内信号泄漏至室外10米处的导频信号强度不高于-95dBm。
6、室内分布系统功率匹配综合分析
在同一个分布系统中,把多个系统信号源直接耦合,不同系统得到的剩余允许损耗差异巨大。
在所有的系统中,CDMA800、GSM和DCS1800覆盖效果最好,WCDMA和TD-SCDMA效果次之,PHS和WLAN的覆盖效果最差。
在分布系统中,各系统的支路损耗在5dB左右,相差不大,因此共用分布系统支路的难度不大。
同时,各系统的干路损耗在2dB之内,似乎更适于共用。
然而各个系统由于容量和功率匹配的需要,在干路上要做不同的处理方式,所以TD-SCDMA多系统共享分布系统时,干路很难共用,除非是小型分布系统。
7、TD-SCDMA室内覆盖方案
1)利用GSM主干线,对信号源进行合路。
GSM室内分布系统多用微蜂窝、直放站作为信源,采用无源室内分布系统覆盖。
在其一,利用GSM主干线,对信号源进行合路。
GSM室内分布系统多用微蜂窝、直放站作为信源,采用无源室内分布系统覆盖。
在进行TD-SCDMA室内分布系统改造时,GSM、TD-SCDMA共用室内分布系统,需要利用合路
器把GSM、TD-SCDMA信源合路,共同利用GSM原有室内分布系统,同时需要更换支持TD-SCDMA频段的无源器件,如图
GSM与TD-SCDMA共用室内分布系统
2)新增TD-SCDMA主干线,根据需要对TD-SCDMA信源进行合路。
GSM覆盖系统的边缘场强小于-75dBm,TD-SCDMA信源设备选择采用宏蜂窝,然后新增主干线,根据需要增加TD-SCDMA干放,然后合路,如图
新增TD-SCDMA主干线
3)利用原有线路、设备无法满足TD-SCDMA的信号覆盖时,为了保证GSM和TD-SCDMA信号的均匀分布,可采取新建TD-SCDMA主干线,将TD-SCDMA、GSM在支路合路,完成信号覆盖。
如图
新建TD-SCDMA独立路由设计
对于新建楼宇的TD-SCDMA室内分布系统建设,应以TD-SCDMA为主导进行覆盖,同时解决GSM覆盖。
8、TD-SCDMA信源选择
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