高层室内移动网络覆盖解决方案浅析

高层室内移动网络覆盖解决方案浅析【文章摘要】随着城市建设步伐的加快，越来越多的高层建筑为城市增添了现代气息。然而，大量的高层建筑也给移动通信网络的室内覆盖带来了技术难题，成为网络优化和室内覆盖系统建设的重点和难点。伴随高楼及在建高楼逐年增多，移动用户对手机通话质量的要求也越来越高，高层用户投诉不断。因此，如何解决高层室内覆盖问题成了当前室内覆盖工程设计中的当务之急。笔者结合实际工作中遇到的高层室内覆盖设计方案和部分典型案例的解决方式，对于高层室内覆盖解决方案进行了如下分析，并总结部分解决思路以供探讨。湖北万维通信工程规划设计有限公司黄靳哲随着城市建设步伐的加快，越来越多的高层建筑为城市增添了现代气息。然而，大量的高层建筑也给移动通信网络的室内覆盖带来了技术难题，成为网络优化和室内覆盖系统建设的重点和难点。伴随高楼及在建高楼逐年增多，移动用户对手机通话质量的要求也越来越高，高层用户投诉不断。因此，如何解决高层室内覆盖问题成了当前室内覆盖工程设计中的当务之急。笔者结合实际工作中遇到的高层室内覆盖设计方案和部分典型案例的解决方式，对于高层室内覆盖解决方案进行了如下分析，并总结部分解决思路以供探讨。现阶段无线通信网络建设已具有相当的规模，在城区单个基站的覆盖面积越来越小。天线挂高普遍不超过30m，最小站距在200m以内。城区内建筑物特点是大型建筑多、楼层高并且位置相对集中。在这些区域的楼宇中高层室内接收到的无线信号往往都不是附近基站的直射信号，多数是反射、绕射信号，或者是远处基站越区覆盖信号。这样一来，用户在拨打手机时会出现信号不稳、通话质量差、掉话率高、接续困难的情况，在室内临窗区域尤为突出。通过实际测试发现,随着楼层的升高，手机可接收到多个扇区的信号，各个扇区信号的场强大致相同并且不稳，缺乏主服务小区，由于通话质量差而引起的频繁切换，造成掉话率升高。同时，高层住宅多配有高速电梯，由于快速移动产生的多普勒效应比一般的低速电梯更为明显，对无线信号的均匀引入也提出更高的要求。高层室内覆盖布线系统设计分析高层楼宇窗口边缘场强分析1．在高层室内布线系统的设计中，室内覆盖边缘场强一般要求高于-75dBm，该电平值可满足室内封闭环境如电梯、过道等的覆盖要求。2．在高层楼宇窗口等开放性区域，若室外宏站的干扰电平达到-70dBm左右，室内信号电平必须高于室外宏站信号10dB左右，以满足同频干扰保护比C/I≥12dB的要求。3．市区高层楼宇密集，楼宇的间距非常小，在加强高层楼宇窗口附近室内信号边缘场强时，必须防止室内信号泄漏对周围宏站小区间的干扰。因此，建议对高层室内布线系统边缘场强的设置进行修改，高层楼宇窗口的边缘场强要求高于-60dBm，室内封闭环境的边缘场强要求高于-75dBm。电梯覆盖设计分析在高层室内布线系统设计时，对高速电梯的覆盖方式和小区间的重叠覆盖距离需特殊考虑。1．电梯井覆盖方式：在电梯井道内安装对数周期或定向平板天线来进行覆盖，这种方式施工时相对复杂，但覆盖效果较好，目前采用较多。2．泄漏电缆覆盖方式：在电梯井道内垂直布放泄漏电缆进行覆盖，这种方式施工复杂，成本较高，适合高层高速电梯，覆盖效果好。3．对于高速电梯覆盖的解决方式，目前有一种较新的思路，即采用光纤分布系统，将室内天线和光纤远端机放置在电梯轿箱顶部，柔软的线缆与电梯随梯电缆捆绑在一起，天线随电梯移动，保障轿箱内信号均匀，使信号强度不随电梯轿箱的升降而变化。这种覆盖方式目前只在几个城市有所应用，对光纤及施工要求较为严格。若这种方式成熟的话，对高速电梯覆盖将是一种比较好的解决方式。干线放大器对系统性能的影响分析干线放大器主要用于在室内布线系统的干线上对室内信号进行双向放大，小功率干放有1W、2W干放，中、大功率干放有5W、10W、20W干放等。干放的性能指标除功率P外，主要还有噪声系数NF和上下行增益G。噪声系数NF＝输入端信噪比/输出端信噪比＝SNR入/SNR出，上下行增益G=10lg（P/N），其中N为信源载频数。室内布线系统在引入干放后，整个系统的噪声电平将有所抬升，对系统性有严重影响的关键在于其上下行增益的调节。在使用干放时，需注意载频数量对干放增益的影响。干放的增益G=10lg(P/N)，其中P为干放的功率，N为信源的载频数。以10W的干放为例，在室内信号为2载频时，其增益G=10lg(10W/2)=37dB；在室内信号为4载频时，其增益G=10lg(10W/4)=34dB；在室内信号为8载频时，其增益G=10lg(10W/8)=31dB。因此建议在干放的输入端需安装1个可调的衰减器，为今后室内站扩容预留信号电平余量。光纤直放站对系统性能的影响分析光纤直放站采用光纤进行传输，光信号在光纤中传输的损耗非常小，光纤直放站信号传输的距离主要是受信号时延的限制。GSM系统的时间提前量TA的取值范围是0～233μs，对应的小区半径为35km。当引入光纤直放站延伸信号传播距离时，信号的传播时延包括了在光纤直放站上的时延和在空中传播的时延。光信号在光纤的介质中传播时，速度是无线信号在空气中传播的2/3，加上直放站的时延（大约1.5μs）和无线信号在空中传播时延，光纤直放站距离基站最远不应该大于20km。引入光纤直放站后，给手机和基站之间的信号增加了热噪声，增加热噪声的直接后果是降低了基站的接收灵敏度、缩小基站的覆盖范围。因此在设置直放站的上行增益时，必须减小对基站底噪的影响。光纤直放站造成的噪声增量计算方式如下。其中NFreq为直放站噪声指数，NFbts为基站噪声指数。Grep为直放站上行增益，Lp为基站发射端到直放站输入端的路径损耗。当N=0时，ΔNbts=3dB，对基站接收灵敏度影响较为明显。当N=－6时，ΔNbts=0.97dB，可认为基本对基站接收灵敏度无影响。在基站和光纤直放站选定后，NFreq、NFbts、Lp已确定，因此，光纤直放站的上行增益Grep决定了噪声增量ΔNbts，一般直放站噪声指数NFreq为4dB，基站噪声指数为2dB，因此在光纤直放站的上行增益Grep要比路径损耗Lp低8～10dB时，基站的接收灵敏度基本不受影响。因此考虑上下行平衡，光纤直放站的下行增益应该比上行增益高1～2dB。高层室内覆盖优化案例分析高层窗口边切换掉话、话音断续站点名称：武汉金色华府。站点信息：该站点为高层住宅小区，有地下停车场，地上共10栋高层住宅，其中1-3、7-11#楼31层，5-6#楼28层，共计1317户住户，总共有24部电梯。问题描述：金色华府小区初期采用光纤直放站引入周围宏站信号覆盖，并在相关楼栋顶层设置室外平板天线对小区覆盖，开通后依然有大量用户投诉。问题分析：经测试后发现高层切换依然存在，其原因在于周围宏站较多，无线环境复杂，高层窗口边接收到不同频点信号，且不同频点信号电平值相差不大。优化措施：1．改用2台微蜂窝作为独立信源，对各个楼层，地下室和电梯作专项室内覆盖解决。2．进行分区对高层和低层采用不同的微蜂窝覆盖。3．与周围宏站设置邻区关系，对切换参数进行优化。中低层通话断续和上线困难站点名称：武昌凯乐花园。站点信息：该站点为高层住宅小区，有地下停车场，大楼共分为5栋，有24部电梯，最高楼层28层。问题描述：凯乐花园周围宏站较多，初期布线设计时采用了高低分层覆盖，低层通过光纤直放站引入附近宏站信号作信源，高层采用微蜂窝作信源覆盖，由于地势较高，窗口边接收周围宏站信号电平值平均-65dBm，干扰严重，站点开通后中低层依然存在切换现象，投诉较多。问题分析：由于地市较高，中低层窗口边接收到周围宏站信号较强，中低层采用光纤直放站引入附近宏站信号作信源，导致室内室外同频，产生干扰所致。优化措施：1．将低层光纤直放站更换成一台微蜂窝，采用室内室外不同频覆盖方式。2．增加室内天线输出电平值，有效压制室外宏站信号；3．与周围宏站设置邻区关系，对切换参数进行调整优化。高层室内覆盖解决方案解决思路通过对以上几种设计方案和典型案例的分析，在高层室内覆盖的解决方案中，为了保证良好的通话质量和防止高层切换，在高层窗口室内信号电平达到-60dBm时，一般可起到压制室外宏站信号的干扰、改善通话质量的目的。要达到这个目的，我们可以从以下几点来考虑。1．若保证高层窗口室内信号电平达到-60dBm，在布线系统设计时，仅仅利用传统的在楼道或业主门口安装全向吸顶天线覆盖是很难解决高层切换的。那么可以考虑通过在室内加装室内定向吸顶天线加强覆盖，同时防止了室内信号泄漏。对于相对封闭的环境，通过在室外加装定向平板天线加强对高层窗口边缘覆盖，同时考虑对周围宏站的干扰。2．室外宏站天线一般都设置了下倾角，其天线主瓣方向覆盖不会对高层空间无线环境造成影响。由于天线上旁瓣辐射的宏站小区信号电平是比较强的，往往和室内信号电平在同一数量级上，所以在进行高层室内覆盖优化时必须考虑宏站信号对室内信号干扰的影响。图1和图2为900MHz和1800MHz天线波瓣方向图，从图中可以看到，天线对第一上旁瓣进行了抑制，满足上旁瓣抑制大于15dB的要求，对于高层空间无线环境的影响不大。但是其第二上旁瓣抑制约为12dB，特别是在工作频率为1750MHZ时具有明显的第三、第四上旁瓣，当下倾角为12度、8度时，其第二、第三上旁瓣的上倾角约为30度和60度，对高层空间的无线环境造成了一定的影响。因此适当调整宏站天线的下倾角也是有效防止室外信号对室内信号干扰的手段。图1GSM900MHz天线波瓣方向图图2GSM1800MHz天线波瓣方向图3．对于话务量需求较高的高层楼宇进行布线系统设计时，采用垂直分区分层覆盖。同时设置好室内站与主覆盖小区的邻区关系。在高层楼宇窗口可以收到的室外宏站信号非常多，容易对室内信号造成频率干扰，建议在频率规划时专门预留几个室内站专用频率。对于高层楼宇来说，在规划室内小区的TCH频点时，不可避免地要偷用宏站的TCH频点。在选择频点时，建议通过现场扫频找出信号电平最弱的频点作为TCH使用。4．根据不同的楼层合理考虑室内信号的泄漏问题，防止对室外宏站信号的干扰。在中高楼层，室内信号主要从窗户口向外泄漏，由于高层窗外主要是空中，虽然存在切换区，一般来说没有用户，所以影响较小。在这里需要注意的是，室内分布天线通过走廊或者玻璃，信号能够直接泄漏到室外，而正好室外相应的区域是产生话务的地方，就会产生高层室内信号对于室外的干扰。在这种情况下，需要针对室内的天线进行优化，利用楼层的天然阻挡，确保高层室内信号不对室外造成干扰。而对于低楼层，信号主要是从大厅、地下室等处经窗户和出口处泄漏到室外，而这种泄漏会增加不必要的室内外切换，使网络服务质量下降。相对于高层而言，中低层的信号泄漏造成的影响较大。对于中低楼层的信号泄漏，主要通过调整信号发射功率、优化切换参数等手段进行优化和控制。但要从根本上进行控制则必须在进行室内分布系统设计规划时就进行考虑，一方面要确定该建筑的实际建筑穿透损耗，另一方面对切换区进行合理规划设计，对室内天线位置和发射功率进行合理规划。如果必要，可以采用信号收发系统模拟测试，从而更准确地设计室内天线，控制室内信号泄漏。解决方案在以上解决思路的基础上，我们整理出现阶段高层室内覆盖的一些有成效的解决方案。1．高层窗口优化加强高层窗口处的室内信号电平，压制室外信号，保证载干比和通话质量。适当采用室内定向吸顶天线加强覆盖和防止信号泄漏。对于相对封闭的环境，通过在室外加装定向平板天线加强对高层窗口边缘覆盖，同时考虑对周围宏站的干扰。高低层分区覆盖，合理设置邻区关系。对小区重选和切换参数适当优化。对室内微蜂窝频点进行优化，降低对宏站干扰。控制宏站信号覆盖范围，设置一定的下倾角，避免对高层楼宇重叠覆盖。2．室内信号泄漏根据不同楼层合理设计室内布线系统，降低造成信号泄漏天线的发射功率，向室内缩进天线布放位置，利用障碍物避免信号直接辐射到室外，改用室内定向吸顶天线向室内方向覆盖等。调整参数降低小区发射功率。临时设置室外小区对室内小区的速度敏感切换和小区重选惩罚电平、惩罚时间。3．室内弱覆盖整改室内布线系统，加装室内天线，增