《GSM室内覆盖方案设计指导原则》V10.docx
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《GSM室内覆盖方案设计指导原则》V10
室内覆盖方案设计指导原则
网络优化中心网优技术室
2008.6
目录
一、无源器件的插损3
1.1、耦合器3
1.2、功分器4
二、传输馈线信号衰耗5
三、自由空间无线信号传播损耗模型5
四、不同类型天线覆盖能力评估7
4.1、90度定向板状天线7
4.2、120度定向壁挂天线8
4.3、360度全向吸顶天线10
五、室内建筑穿透损耗模型11
六、信号外泄模型12
6.1、室内区域12
6.2、室外区域16
七、高层覆盖模型18
八、典型场景下的信号覆盖模型19
8.1酒店19
8.2写字楼20
8.3住宅23
8.4城中村23
一、无源器件的插损
1.1、耦合器
目前,室内覆盖使用的耦合器包括:
6dB、10dB、15dB、20dB和30dB。
以下将以6dB耦合器为例,介绍如何计算耦合器直通端和耦合端的输出功率。
耦合器有1个输入端,两个输出端,如上图所示,P1端为直通端,P2端为耦合端。
现假设6db耦合器输入功率为1mw,即0dbm,那么有:
⏹P2端输出功率为:
10-6/10=0.25mw=-6dbm
⏹P1端输出功率为:
1-0.25=0.75mw,即:
10lg0.75=-1.25dBm
⏹耦合器自身损耗0.1dB
所以,6dB耦合器直通端的插损为:
1.25+0.1=1.35≈1.4dB。
类似的,可以得到其他类型耦合器的插损
耦合器类型
耦合器插损(db)
6db
1.4
10db
0.6
15db
0.2
20db
0.1
30db
0.1
1.2、功分器
目前,室内覆盖使用的功分器包括:
2功分、3功分和4功分。
以下将以2功分为例,介绍如何计算功分器的输出功率。
2功分有1个输入端,2个输出端,两个输出端的功率相等,都等于输入功率减去功分器的插损。
现假设2功分的1mw,即0dbm,那么有:
⏹输出端功率为:
1mw/2=0.5mw,即10lg0.5=-3.01dBm
⏹功分器自身损耗为0.1dB
所以,2功分的插损为:
3.01+0.1=3.1dB≈3dB。
类似的,可以得到其他类型功分器的插损
功分器类型
功分器插损(db)
2功分
3
3功分
5
4功分
6
二、传输馈线信号衰耗
目前,室内覆盖最常用的馈线类型包括:
1/2”馈线和7/8”馈线,馈线类型的区分标准是馈线内芯的半径。
1/2”馈线7/8”馈线
两种馈线100米信号损耗分别为:
馈线类型
100米信号损耗(db)
1/2”馈线
7.42
7/8”馈线
4.24
可以近似的认为,GSM信号的馈线损耗与距离呈线形关系,由此,两种类型的馈线不同距离模型下的信号损耗可以通过100米损耗近似得到,即:
1/2”馈线在L距离下的信号损耗Loss为:
Loss=L*7.42/100
7/8”馈线在L距离下的信号损耗Loss为:
Loss=L*4.24/100
三、自由空间无线信号传播损耗模型
无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种。
自由空间是满足以下条件的一种理想空间:
1.均匀无损耗的无限大空间;
2.各项同性;
3.电导率为零;
日常工作中,我们也将无线电波在自由空间的传播模型作为室内覆盖设计的参考依据。
应用电磁场理论可以得出,在自由空间传播条件下,GSM无线信号的直射传播损耗Loss表达式为:
Loss=32.4+20Lg(f)+20Lg(d)(DB)
f:
频率(GHz)
d:
路径长度(m)
对于GSM900信号:
Loss=31.5+20Lg(d)
对于DCS1800信号:
Loss=37.5+20Lg(d)
结论:
a)在相同覆盖距离情况下,DCS1800信号空间损耗比GSM900信号多6DB。
b)距离每增加一倍,信号损耗增大6DB。
附:
信号在特定距离下的空间损耗
距离
GSM900空间损耗(db)
DCS1800空间损耗(db)
1米
32.4
38.4
5米
46.4
52.4
10米
52.4
58.4
15米
55.9
61.9
20米
58.4
64.4
25米
60.4
66.4
30米
61.9
67.9
35米
63.3
69.3
40米
64.4
70.4
45米
65.5
71.5
50米
66.4
72.4
60米
68.0
74.0
70米
69.3
75.3
80米
70.5
76.5
90米
71.5
77.5
100米
72.4
78.4
四、不同类型天线覆盖能力评估
目前,室内覆盖建设采用的发射天线主要有两种,一种为吸顶天线,一种为壁挂天线。
根据半功率角的不同,又可以细分为不同类型的天线。
以下,将就几种最常见的室内覆盖天线的性能指标,天线波瓣以及实际覆盖能力进行详细的介绍。
4.1、90度定向板状天线
天线照片及波瓣图
天线主要的性能指标如下:
工作频段
824MHz~960MHz;1710MHz~2300MHz
驻波比
≤1.5
水平面半功率波瓣宽度
90°
垂直面半功率波瓣宽度
40°
最大增益
10.8dBi
极化方向
垂直极化
天线尺寸
388mm×282mm×55mm
进一步验证天线在室内自由空间的实际覆盖能力,分别采用GSM900和DCS1800的模拟发射源,以11dbm的输入功率,在距离发射点不同距离测试点位上得到以下数据:
⏹GSM900:
方向
方位角
距离(米)/输出信号强度(dbm)
10米
20米
30米
40米
50米
60米
主瓣
0度
-44
-45
-46
-47
-49
-52
30度
-45
-45
-46
-48
-50
-53
60度
-44
-50
-52
-55
-57
-60
90度
-52
-54
-52
-53
-58
-62
背瓣
0度
-57
-60
-65
-73
30度
-60
-65
-70
-78
60度
-68
-70
-71
-77
⏹DCS1800:
方向
方位角
距离(米)/输出信号强度(dbm)
10米
20米
30米
40米
50米
60米
主瓣
0度
-42
-45
-54
-54
-57
-57
30度
-52
-51
-55
-57
-62
-66
60度
-50
-52
-55
-70
-65
-70
90度
-60
-65
-65
-67
-75
-80
背瓣
0度
-56
-60
-69
-74
30度
-70
-73
-74
-76
60度
-70
-75
-80
-83
注:
1、方位角指测试采样点所在直线与天线水平主波瓣(0度)所成的角度;
2、红色字体表示半功率角范围以内,黑色字体表示半功率角范围以外;
4.2、120度定向壁挂天线
天线照片及波瓣图
天线主要的性能指标如下:
工作频段
824MHz~960MHz;1710MHz~2300MHz
驻波比
≤1.5
水平面半功率波瓣宽度
120°
垂直面半功率波瓣宽度
°
最大增益
7dBi
极化方向
垂直极化
天线尺寸
190x216x45
进一步验证天线在室内自由空间的实际覆盖能力,分别采用GSM900和DCS1800的模拟发射源,以11dbm的输入功率,在距离发射点不同距离测试点位上得到以下数据:
⏹GSM900:
方向
方位角
距离(米)/输出信号强度(dbm)
10米
20米
30米
40米
50米
60米
主瓣
0度
-45
-45
-46
-48
-52
-53
30度
-44
-45
-52
-55
-59
-65
60度
-45
-46
-55
-55
-55
-60
90度
-50
-55
-58
-60
-60
-65
背瓣
0度
-51
-59
-60
-65
30度
-54
-60
-68
-75
60度
-55
-60
-65
-67
⏹DCS1800:
方向
方位角
距离(米)/输出信号强度(dbm)
10米
20米
30米
40米
50米
60米
主瓣
0度
-41
-41
-48
-50
-52
-55
30度
-41
-55
-55
-56
-58
-63
60度
-60
-60
-64
-64
-65
-67
90度
-58
-60
-61
-62
-70
-75
背瓣
0度
-62
-63
-70
-72
30度
-57
-65
-71
-72
60度
-58
-65
-67
-75
注:
1、方位角指测试采样点所在直线与天线水平主波瓣(0度)所成的角度;
2、红色字体表示半功率角范围以内,黑色字体表示半功率角范围以外;
4.3、360度全向吸顶天线
天线照片及波瓣图
天线主要的性能指标如下:
工作频段
824MHz~960MHz;1710MHz~2300MHz
驻波比
≤1.5
水平面半功率波瓣宽度
360°
垂直面半功率波瓣宽度
180°
最大增益
2.1dBi
极化方向
垂直极化
天线尺寸
Φ:
200mm,高:
78mm
进一步验证天线在室内自由空间的实际覆盖能力,分别采用GSM900和DCS1800的模拟发射源,以11dbm的输入功率,在距离发射点不同距离测试点位上得到以下数据:
⏹GSM900:
方向
距离(米)/输出信号强度(dbm)
10米
20米
30米
40米
50米
60米
主瓣
-44
-52
-54
-56
-59
-61
⏹DCS1800:
方向
距离(米)/输出信号强度(dbm)
10米
20米
30米
40米
50米
60米
主瓣
-48
-52
-58
-59
-65
-75
结论:
⏹实测数据与自由空间无线信号的理论公式计算结果基本吻合,因此,在实际的方案设计中,可以将理论公式做为信号强度估算的依据;
⏹半功率角为65、75、90、105、120的定向天线,在主瓣方向上覆盖能力基本相当,没有太大的区别;
⏹对于GSM900(DCS1800)信号,天线主瓣方向距离发射点相同距离的不同点位信号场强的差值保持在10db(15db)以内,其中以0度方位角信号最强,90度方位角信号最弱;
⏹在自由空间传播中,相同距离DCS1800信号损耗将比GSM900信号损耗约大2~8db,与理论值6db基本吻合。
⏹在实际的室内覆盖建设中,天线后瓣的覆盖半径为10~15米;
五、室内建筑穿透损耗模型
不同频率的信号,在相同的传播介质中的损耗是不同的。
因此,需要了解室内常见的建筑材料对于GSM900和DCS1800的信号损耗,以便于在进行方案设计时,适当的设计覆盖天线的安装位置以及天线输出功率等。
常见的室内建筑材料信号穿透损耗如下(频段越高,穿透损耗越大):
材料
类型
GSM900损耗(db)
DCS1800损耗(db)
水泥砖墙
薄(24cm)
15
29
厚(34cm)
30
48
玻璃
普通玻璃
6
6~8
玻璃幕墙
8
8~10
防紫外线玻璃
8
10
电梯
电梯门
40
60
电梯轿箱
30~35
35~40
木门
6
8
天花
木板或石膏板
2~3
3~5
铝合金
8~10
10~12
六、信号外泄模型
6.1、室内区域
该节主要考查室内覆盖天线信号外泄至室外的信号强度,试验的结论将可用于日常室内覆盖方案设计是天线安装位置,天线安装方式、天线输入功率等相关内容的参考。
试验方法:
如下图所示,选取1栋楼高约25层的楼宇,每隔3层作为一个采样点。
每个楼层分别设置3个信号发射点(包括2个定向天线和1个全向天线发射点源),发射功率为4dbm。
针对每个发射点,分别测试室内窗边,室外街道两侧共3个数据,主要验证的内容为全向吸顶天线主瓣和定向天线背瓣的外泄情况(大楼外墙落地玻璃的穿损约12db)。
室内发射点源位置图
每发射点源对应的测试点位
以下为每个发射点的信号测试情况(注:
表格记录数据为平均值,实际信号强度以此变动[-5,5]db):
1)发射点1
楼层
测试点
A
B
C
2F
-50
-68
-78
4F
-45
-72
-73
5F
-47
-73
-76
9F
-48
-75
-75
11F
-45
-76
-78
14F
-46
-84
-83
17F
-49
-83
-81
20F
-46
-86
-80
23F
-47
-87
-80
根据现场的测试数据,可以计算出无线信号从室内楼层边缘到测试点B、C的自由空间损耗,并与理论计算的数值进行比较:
B测试点C测试点
2)发射点2
楼层
测试点
A
B
C
2F
-55
-70
-77
4F
-51
-75
-79
5F
-53
-77
-76
9F
-52
-79
-82
11F
-49
-81
-83
14F
-51
-85
-88
17F
-53
-86
-84
20F
-50
-86
-83
23F
-51
-90
-85
根据现场的测试数据,可以计算出无线信号从室内楼层边缘到测试点B、C的自由空间损耗,并与理论计算的数值进行比较:
B测试点C测试点
3)发射点3
楼层
测试点
A
B
C
2F
-51
-71
-75
4F
-46
-76
-76
5F
-45
-75
-78
9F
-46
-77
-76
11F
-42
-75
-74
14F
-44
-82
-83
17F
-46
-85
-79
20F
-43
-80
-83
23F
-44
-81
-83
根据现场的测试数据,可以计算出无线信号从室内楼层边缘到测试点B、C的自由空间损耗,并与理论计算的数值进行比较:
B测试点C测试点
结论:
1.
从室内整体覆盖效果上看,方案1和方案3的覆盖效果相当,差别不大;但方案3的效果较之前的2种方案,在功率上弱了约5~7db。
2.
从信号外泄情况来看,3种方案的情况基本相当。
方案2的情况较其他两个方案,外泄信号弱了约4~6db。
同时,在15F以上的区域,就目前广州的道路情况而言,绝大部分外泄信号对室外道路的影响已经比较弱。
室外B测试点
室外C测试点
3.信号外泄强度可以根据以下公式得出大致的数值:
6.2、室外区域(未完成)
测试步骤:
c)发射天线分别设置为900MHz和2100MHz,选用定向天线半功率角为60的天线,测试该天线对室外周边的信号影响;
i.将天线安装于离地0.5米左右的高度,分别设置天线的上倾角为15、30、45,天线功率设置为25dbm,测试高层覆盖天线对室外周边的信号影响。
ii.记录信息为:
分别在天线主瓣方向0度、30度、60度、90度四个方向上进行测试;以10米为单位,测试距离天线10米、20米、30米。
。
。
。
。
。
。
信号强度,直至信号场强小于-85dbm。
d)选用定向天线半功率角为90、120的天线,重复上述步骤,记录相关数据。
e)测试点示意图如下:
图:
室外覆盖天线测试点示意图(垂直方面)
图:
室外覆盖天线测试点示意图(水平方面)
测试工作量估计:
类型
天线类型
安装方式
每种状态测试点数
单频测
试点数
双频测
试点数
定向天线
3
3
42
252
504
预计完成周期:
分两组测试,每组3个人,8个工作日。
七、高层覆盖模型(未完成)
要求:
针对目前的住宅、写字楼等高层楼宇,提出切实可行的高层覆盖方案,具体包括:
天线安装建议、天线功率等;
测试步骤:
f)本节需测试两种场景,一种是落地玻璃墙,另一种是玻璃窗;
g)各选用1栋40层的大楼;
h)发射天线分别设置为900MHz和2100MHz,选用定向天线半功率角为60的天线,测试该天线对高层的覆盖效果;
i.分别在离大楼15、30、45、60、75米的位置,将天线安装于离地0.5米左右的地面,天线功率设置为25dbm;
ii.记录信息为:
分别记录15、20、25、30、35、40六个楼层的窗口信号强度;并记录以上楼层离墙边信号强度为-65dbm、-75dbm、-85dbm的距离。
i)测试点示意图如下:
测试工作量估计:
类型
测试场景
安装方式
每层测试点数
总楼层
单频测
试点数
双频测
试点数
定向天线
2
5
4
6
240
480
预计完成周期:
分两组测试,每组3个人,8个工作日。
八、典型场景下的信号覆盖模型
本节主要内容是结合此前各项测试子项,通过在特定场景下的实际应用,为日常室内覆盖场景的方案设计提供参考依据。
8.1酒店
选取全向天线,注入0dbm的GSM900信号,以-85dbm边缘场强作为测试的依据,评估天线在酒店特定环境下的覆盖半径,并得到房间外到房间内的信号余量,作为方案设计的参考依据。
测试点位图:
测试数据:
测试点
房间门口
房间内平均场强
房间内最弱场强
天线口
-40
A(1.5M)
-45
-66
B(2.5M)
-48
-70
C(6.5M)
-51
-75
D(9.5M)
-54
-82
结论:
⏹在输入功率为5dbm的情况下,酒店室内标准楼层GSM900天线的覆盖半径约15米,DCS1800天线的覆盖半径为8.5米;
⏹房间外到房间内的信号预留余量为30db,具体可以根据天线的输入功率,确定覆盖半径如下:
8.2写字楼
目前,专用的写字楼内,一般都以落地玻璃作为间隔,房间内一般比较空旷,信号的
传播较为理想,阻挡损耗较小,这是与酒店的最大区别。
以下将分别采用GSM900和DCS1800信号源,通过实际测试数据,得出各种情况下,天线的覆盖半径。
(注:
全向天线输入功率为0dbm)。
1)天线位于天花内(GSM900)
2)天线位于天花外(GSM900)
小结:
A.写字楼房间比较复杂,有一定间隔
⏹若天线安装位于天花内(石膏天花),则确保天线输入功率为[5,10]dbm,天线布放间隔为8米左右;
⏹若天线安装位于天花外,则确保天线输入功率为[5,10]dbm,天线布放间隔为15米左右;
B.写字楼房间比较空旷
⏹若天线安装位于天花内(石膏天花),则确保天线输入功率为[5,10]dbm,天线布放间隔为15米左右;
⏹若天线安装位于天花外,则确保天线输入功率为[5,10]dbm,天线布放间隔为20米左右;
3)天线位于天花内(DCS1800)
4)天线位于天花外(DCS1800)
小结:
A.写字楼房间比较复杂,有一定间隔
⏹若天线安装位于天花内(石膏天花),则确保天线输入功率为[5,10]dbm,天线布放间隔为6米左右;
⏹若天线安装位于天花外,则确保天线输入功率为[5,10]dbm,天线布放间隔为10米左右;
B.写字楼房间比较空旷
⏹若天线安装位于天花内(石膏天花),则确保天线输入功率为[5,10]dbm,天线布放间隔为12米左右;
⏹若天线安装位于天花外,则确保天线输入功率为[5,10]dbm,天线布放间隔为15米左右;
综上所述,考虑到GSM900和DCS1800系统的兼容,以及TD-SCDMA系统的建设,建议方案设计时,天线输入功率保持在10dbm左右,当天线安装于天花内时,天线间隔为10米左右;当天线安装于天花外时,天线间隔为15米左右。
8.3住宅(未完成)
8.4城中村
目前城中村室内覆盖主要通过室外分布天线进行室内覆盖,因此,室外天线的覆盖半径将直接关系到最终的覆盖的效果。
考虑到城中村的特殊情况,我们在实际的建设过程中参照的标准是确保室内95%的区域信号强度高于-85dbm,因此,以下的模型也是基于上述原则。
选取全向天线,注入10dbm的GSM900信号,通过现场测试获取各楼层室外到室内的信号预留量。
测试点位图:
测试数据:
序号
1F
2F
3F
1
15dB
15dB
21dB
2
19dB
22dB
22dB
3
21dB
24dB
30dB
4
21dB
26dB
31dB
5
21dB
26dB
32dB
6
22dB
26dB
32dB
7
25dB
30dB
32dB
8
28dB
31dB
33dB
9
28dB
32dB
33dB
10
32dB
32dB
34dB
11
36dB
34dB
35dB
12
37dB
34dB
35dB
13
35dB
36dB
14
37dB
37dB
15
40dB
39dB
16
42dB
室内1~3层信号测试情况
根据95%覆盖率的要求,可以得到,室外到室内的信号预留量为:
36db,结合室内-85dbm的边缘场强,可以计算室外覆盖的边缘场强为:
-50dbm。
通过在室外测试覆盖天线在不同距离上的信号强度,如下:
离开天线距离
测试手机接收信号
3.5米
-38dBm
7米
-45dBm
7.5米
-47dBm
8米
-50dBm
9.5米
-50dBm
10.3米
-52dBm
12.5米
-55dBm
13.8米
-60dBm
16米
-68dBm
最终可以得到以下结论:
⏹城中村覆盖中,天线的覆盖半径约为10米,输入功率保持在10dbm左右
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