3G时代小区室内覆盖接入思路

    上海邮电设计院 周承诚

    本文根据3G小区室内覆盖的特点，理论基础结合实际工程经验，重点阐述几个需要非凡关注的问题,如组网方式，切换区域控制，干扰问题等，与读者探讨解决之道。

    最近几年，国内移动通信建设保持了高速发展态势。截至2005年12月底，中国城市的手机普及率达到93.2％，位列世界第三。据不完全统计，用户平均在家拨打或接听手机的时间占到手机使用时间的23.7%，住宅小区已成为高话务产生的热点区域。然而，居民小区却又恰恰是无线信号覆盖的薄弱区域之一，小区内的高楼大厦形成了阻碍信号传播的屏障，影响了用户的正常通信。

    一、居民小区无线覆盖特点

    居民小区覆盖是传统室内无线覆盖的延伸，既有对楼宇内部进行的信号覆盖，也有对小区室外空旷地带的无缝覆盖。因此，对组网方式、切换区域的控制、信号泄漏以及线缆和天线的放置有较高的设计要求。

    1．居民小区无线环境概况

    以上海这样的大型城市为例，经过几年激烈的房地产开发，上海目前已有成规模的居民小区数万个，分布在城市的不同地域。根据小区楼层高度可分为：高层（小高层）住宅区，10层以上；普通（多层）住宅区，7层以下；别墅区和低矮住宅区，4层以下。按建筑密度可分为：高密度住宅区，楼间距10米以内；中等密度住宅区，楼间距10～20米；低密度住宅区，楼间距20米以上。按建筑材料分：混凝土框架结构、砖混结构、新型空心砖墙壁。

    目前，地产开发商新建的小区一般均配有电梯以及地下停车场等配套设施，这些也都是无线信号的盲区，需要通过室内覆盖系统改善。

    信号覆盖电平的大小受小区内建筑物的密度、高度以及墙壁厚度、材料等因素影响。根据覆盖区域场强，采用电波自由空间传播损耗结合障碍物阻挡模式进行计算，其自由空间传播损耗计算公式为：

    Ls＝（４πｄ／λ）2＝（4πdf／c）2

    式中d为传输距离,单位为ｍ；f为电波频率,单位为Hz；c为光速。

    用对数表示为：

    Ls（dBm）＝101g(4πdf/c)2

    ＝201g(４π/c)＋201g(f)＋201g(d)＝32.45＋201gf（MHz）＋201gd（km）

    上式中Ls为电磁波在自由空间传播时的传输损耗；f为所选频率；c取3×108m/s；以GSM900系统为例，天线阵列下行链路损耗如表1所示。

L_S（dB）＝91.5+20lgd(km)

距离

1m

10m

15m

20m

损耗

31.5dB

51.50dB

55.02dB

57.52dB

    建筑材料损耗平均值如表2所示。

金属

水泥墙

砖墙

木/塑料板

玻璃

抗紫外线玻璃

25dB

15-30dB

14dB

6dB

6dB

20dB

    可见，在室内环境下，电磁波在自由空间传播的损耗随着距离和频率的增大而显著衰落。同时，由于受多径影响以及建筑材料屏蔽影响，基站对周边生活小区内的覆盖通常存在一些盲点/区，尤其是低层区。高层区虽然较少受到屏蔽影响，但室内往往又是导频污染的“重灾区”，轻易产生“乒乓效益”等通信干扰问题，严重影响了用户通信质量，导致用户投诉增多。

    2．3G时代小区覆盖面临的难题

    第三代移动通信按目前通行的概念理解即为宽带多媒体蜂窝系统。ITU对其的要求是使用效率更高的体制，提供高质量宽带的多媒体综合业务，并能实现全球覆盖。第三代移动通信可以为客户提供最高2Mbit／s的速率，充分满足无线Internet业务和多媒体业务要求。

    2005年，根据日本3G运营商NTTDoCoMo的统计，移动用户在室内使用3G数据业务的时间占到手机使用总时间的70.4％。可见，在3G通信即将在中国普及的明天，国内用户对室内信号质量的要求将越来越高。2G小区覆盖系统平滑升级到3G系统也成为一种趋势，这其中，有四点问题值得注重。

    （1）3G规划使用2GHz频段，馈线传输损耗和空间损耗将大于目前2G系统。

    （2）信号切换区域控制。3G系统的软切换和硬切换控制更加复杂。

    （3）2G分布系统器件是否兼容3G频段。假如更换新器件，必将对原功率分配造成一定影响。

    （4）2G系统与3G系统之间的干扰问题。

    二、3G时代小区覆盖接入思路

    1．组网方式

    （1）容量配置

    在配置信号源容量前，必须先了解目标覆盖小区各个建筑的功能模块以及潜在的3G用户群落，猜测该覆盖区域的语音和数据业务量，结合小区建筑物特点和2G已有分布系统设计2G/3G合网覆盖方案，充分考虑上下行负载，对3G信号源设备能力进行猜测。

    3G室内覆盖的容量规划应充分考虑各种数据业务需求。系统建设要分区预留，分区数量主要依据容量猜测结果。建议以上行30%、下行50%负载，软切换率30%为前提。考虑到今后数据业务量较大的情况，建议每个小区配置2个载波。

    （2）参考方案

    必须根据现场实际情况采用相对合理的组网方案。通常可采用的组网方式有以下4种。

    ①同频方案

    本方案适用于低层楼宇较多的小区（普通小区）。假如小区周边有宏站可以采取这个方案，通过耦合宏站信号或者远端射频单元RRU（RemoteRadioUnit）直接把信号引入小区，通过分布系统将信号均匀地分布到盲区或弱信号区域。

    该方案投资成本低，但须考验室外宏基站话务负荷量。假如小区内采用微蜂窝作为信号源，终端进出小区发生同频软切换，方案设计则必须考虑小区泄漏信号对室外宏站的干扰。

    ②异频方案

    本方案适用于室外宏基站信号在小区建筑内快速衰减(3G宏基站在建筑内的衰减达到25dB以上)，终端进出建筑发生异频硬切换的情况。在小区覆盖方案设计中，应注重调整“小区重选参数”（设置手机接入电平门限、CRO值、T0值），使得手机在空闲状态尽可能驻留在微蜂窝小区上，减少对室外宏站的影响。

    ③同频+异频方案

    本方案适用于建筑底层室外宏站覆盖较好，但不满足直接切换至室内异频分区条件的高层建筑。高层分区采用异频f2，低层分区采用同频fl，电梯采用异频f2，在电梯厅安装天线引入f2信号。

    终端进出建筑发生同频软切换，从低层到高层在进入电梯时发生异频盲切换，从高层到低层在离开电梯时发生异频压缩模式切换。这种方案比较适合于高档居民小区，非凡是高层楼宇。

    ④过渡小区方案

    本方案适用于建筑底层室外宏站覆盖较好，但不满足直接切换至室内异频分区条件的高层建筑。高层分区采用异频f2，底层分区采用同频fl和异频f2同时覆盖。

    终端进入建筑，发生同频软切换进入过渡小区，随后触发异频硬切换进入f2小区，终端离开建筑后直接从异频小区硬切换到室外宏站。本方案采用的过渡小区不提供容量。

    2．切换控制

    （1）3G系统内的切换

    3G系统的切换分为软切换和硬切换。发生软切换时终端同时接收多个基站的信号，切换速度非常快，切换成功率高。而硬切换的成功率较低，非凡是在室内覆盖环境下，由于建筑隔断、电梯等因素易产生信号快速跌落的现象，若切换过渡区设置不佳，非常轻易产生切换掉话。下面重点讨论小区覆盖3G接入中硬切换区的设置。

    ①压缩模式异频硬切换－压缩模式异频硬切换

    切换区大小为切换源小区电平从异频测量门限下降到要求最低电平的区域，区域的大小应满足从启动异频切换到完成异频切换的时间要求(压缩模式需要5秒)。切换区内的目标小区的信号覆盖电平应大于该小区的设计覆盖电平。

    使用异频压缩模式切换的源小区在覆盖区域内的覆盖电平应大于异频测量门限。

    ②压缩模式异频硬切换－异频盲切换

    此方式下的切换区设置与上一个方式一致，由于异频盲切换的切换速度较快(1.5秒)，切换区域较小。切换区内目标小区的信号覆盖电平应大于该小区的设计覆盖电平。

    使用异频压缩模式切换的源小区在覆盖区域内的覆盖电平必须大于异频测量门限。

    （2）2G系统和3G系统间的切换

    为了减小对2G现网的影响，提高切换成功率，减少信令交互，建议采用如下3G/2G系统间互操作策略。

    对于语音业务，可先要求支持3G到2G的切换，不要求支持2G到3G的切换。目前在2G覆盖质量良好的情况下，没有必要将正在2G系统中进行的通话通过系统间的切换转移到3G系统。采用这种方式，2G系统不用改动，还可以避免频繁的“乒乓”切换，也减少了3G和2G系统间的信令交互。

    对于分组业务，由2.5G(GPRS)/3G同覆盖区移向纯粹2.5G覆盖区，当到达2.5G边界时，由3G网络或者双模终端发起小区重选，让双模终端小区重选到2.5G网络；当双模终端驻留在2.5G网络，由纯粹2.5G覆盖区移向2.5G/3G同覆盖区；当到达3G边界时，双模终端发起小区重选，驻留到3G网络上。

    3．分布系统

    由于3G系统使用2GHz频段，馈线传输损耗和空间耦合损耗较大，原2G系统的功率余量可能不能满足3G系统的覆盖要求，建议采取以下措施。

    （1）使用符合3G频段要求的器件

    原有的2G系统器件（天线、功分器、耦合器、合路器等）可能不支持大于2GHz的高频率要求，必然不适应未来3G系统接入要求。所以，对于已施工的小区，必须立即着手替换这些老式器件，更换成满足3G频段要求的新式器件。

    （2）替换主干馈线

    为了减少信号在馈线中的传输损耗，建议首先将主干馈线替换为13/8英吋馈线。假如有条件，可以将部分支路馈线替换为7/8英吋以上的馈线。

    （3）调整天线位置

    由于3G所在频段较大，空间传播损耗大大高于2G系统。小区内原有天线点位可能会造成3G覆盖空洞。建议使用3G模拟测试设备对目标小区重新路测，并在弱信号区域增加3G天线。

    天线的选择可参考以下原则。

    ①小区覆盖建议使用低于10dBi的小尺寸天线，通常的高增益天线尺寸较大，会破坏小区环境美观度。

    ②为了既能充分吸收低层区室内部分信号，又能兼顾高层区的部分室内信号，可选择垂直波束宽度35～80度、水平波束宽度60～150度的定向天线。对于小区空旷区域，例如公共场地、绿地等，可采用全向天线。

    ③为了控制成本，可不用考虑“分集接收”，单垂直极化天线即可满足一般需求。

    ④为了减少小区覆盖系统对小区环境的破坏，建议尽可能将天线隐蔽安装或采用“伪装天线”，尽量做到和四周环境协调。对于安装于楼顶或者空旷处的天线必须考虑避雷问题。

    （4）3G信号接入方式

    对于还没有进行小区覆盖的居民区，在设计方案时必须考虑3G接入问题。一般直接采用前级合路方式，即通过双频/多频合路器将2G和3G信号混合后，通过主干射频电缆输送到整套小区分布系统中。

    对于已进行小区覆盖的居民区，可以考虑使用后级楼层合路的方式，通过后端连接双频/多频合路器将信号混合，可以保留原系统资源。

    4．2G/3G组网干扰分析

    小区覆盖建设必将碰到2G系统与3G系统共站问题，下面以GSM和WCDMA作为典型案例进行分析。

    WCDMA和GSM共站的干扰，需要考虑GSM1800基站发射对WCDMA基站接收的干扰。GSM900的频段和WCDMA的频段相差很远，正常工程中要求的水平隔离很轻易满足GSM900和WCDMA共站的隔离度要求。同样，WCDMA基站在发射时对GSM1800基站接收产生的干扰，由于频段的间隔较大，隔离度要求并不高，正常工程中要求的水平隔离也比较轻易满足。

    对于GSM1800基站发射对WCDMA基站接收的共站干扰，以WCDMA基站灵敏度下降0.1dB为基准考虑，所需要的隔离度要求如表3所示。

    由于目前小区覆盖信源一般使用GSM900，与WCDMA之间的干扰较小，即便个别区域使用GSM1800作为信源，通过使用滤波器或者高隔离度的合路器就能有效避免系统间干扰。

    三、工程案例

    A小区位于上海浦东繁华地段，是高档小区的代表之一。小区占地面积12万平方米，建筑面积20万平方米，内有近80幢楼宇。除了2幢20层的高层建筑，其余楼宇均为6层建筑且均配备载客电梯。大型地下停车库位于小区中间区域，各楼宇地下室都与其相连。

    小区内的建筑均为钢筋混凝土框架，对无线信号的阻挡能力很强，约为20dB。通信运营商在小区四周没有宏站，小区内信号较弱，室内信号普遍低于－85dB，通信质量差。

    针对该小区面积大，建筑物分散的情况以及现场的路测数据，我们提出了以下建设思路。

    1．因为是高档小区，为移动通信高端用户群集中区域，必将是未来3G数据业务的热点区域之一。因此，小区覆盖首先考虑满足3G信号的覆盖需求。

    2．小区既有高层住宅楼、会所，又有大量低层建筑群。因此，总体方案采用室内覆盖和室外覆盖相结合的方法。

    对于高层居民楼宇、所有电梯、地下停车场和会所建设室内分布系统；对于低层楼宇采用室外定向天线覆盖方法；对于小区公共区域、绿地等采用室外全向天线均匀覆盖，控制建设成本。天线根据现场的模测数据精心布放。在显眼区域使用各种类型的伪装天线，既可取得良好的覆盖效果又可与四周环境保持协调。

    3．本方案中有80个单元，小区约有住户3200人。根据建设方提供的移动市场用户占有率，GSM网每用户忙时话务量取0.017erl计，呼损取2％，设计G网配置微蜂窝基站（2载波）1台，足够满足小区话务负荷。3G设备由于尚未正式建设，故只预留机架位置、传输线路和接入端口。

    4．为了让功率更均匀地分布，我们根据现场实际情况将该小区划分为10个分区。G网和3G网各使用3部1拖3的光纤直放站，拉出的9路G网信号和3G信号在各自分区采用后级合路方式，将混合后的信号引入分区1～9的主干馈线。还有1路G网和3G信号使用双频合路器，采用前级合路方式，引入分区10。

    该方案实施完毕以及系统开通后，经过现场多次场强和话音质量测试，达到了预想效果。小区内平均接收电平达到－72dB左右，原先频繁掉话现象消失，话音质量得到极大提高。该小区覆盖系统同时吸收了周边若干店铺以及小型办公场所的话务量，减轻了大网的话务负荷。

    在上述的小区方案设计中，我们充分考虑了3G的需求。除了安装的器件和有源设备（光纤直放站）均满足3G频段要求外，天线的点位布置也是在3G信号模拟测试后确定的。为了更好地满足3G覆盖要求，小区内还预留了数个天线点位，以便将来增补3G天线。今后，只需将3G信号源直接接入目前预留的端口即可完成整个小区的3G信号覆盖。

    小区室内覆盖的3G接入是未来小区覆盖的核心工作之一。对于已建项目，须根据3G频段要求重新测试，并尽可能利用原有资源完成2G到3G的平滑升级。对于未建项目，在方案设计时优先考虑3G应用，细致规划，并在系统开通后进一步调测和优化。（火王编辑）