劉立兵　　重慶郵電大學(xué)通信工程應(yīng)用研究所碩士研究生在讀肖寒春　　重慶郵電大學(xué)通信工程應(yīng)用研究所高級工程師

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多網(wǎng)融合室內(nèi)分布系統(tǒng)覆蓋規(guī)劃研究

劉立兵重慶郵電大學(xué)通信工程應(yīng)用研究所碩士研究生在讀
肖寒春重慶郵電大學(xué)通信工程應(yīng)用研究所高級工程師

摘要：多網(wǎng)融合室內(nèi)分布系統(tǒng)主要利用POI多頻合路器將多個系統(tǒng)統(tǒng)一接入室內(nèi)分布系統(tǒng)，對大型室內(nèi)環(huán)境進行覆蓋。本文介紹了室內(nèi)分布系統(tǒng)原理，分析了室內(nèi)分布系統(tǒng)頻率使用情況，研究了各系統(tǒng)在自由空間中的傳播性能和封閉室內(nèi)環(huán)境中的覆蓋性能，最后根據(jù)各系統(tǒng)室內(nèi)邊緣場強，利用室內(nèi)衰減因子傳播模型對各系統(tǒng)同覆蓋天線口功率進行了規(guī)劃分析、提出了兩種功率匹配方案，為多網(wǎng)融合室內(nèi)覆蓋設(shè)計提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)分布系統(tǒng)；共建共享；邊緣場強；功率匹配

1　引言

近年來，國內(nèi)通信業(yè)務(wù)需求和通信技術(shù)的發(fā)展十分迅速，目前我國存在多家運營商的多網(wǎng)制式多種頻段的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，隨著通信技術(shù)的演進和國家提出的基礎(chǔ)設(shè)施共建共享共贏理念，移動網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)分布系統(tǒng)逐漸向多技術(shù)、多系統(tǒng)融合的方向演進，無論是單運營商的室分多系統(tǒng)融合，還是多運營商的室分多系統(tǒng)融合，均可有效避免各運營商重復(fù)建設(shè)、節(jié)省投資，減少建筑物公共資源的占用，降低對環(huán)境的影響，降低物業(yè)協(xié)調(diào)難度。特別是在大型的室內(nèi)環(huán)境，如大型機場、地下鐵路、大型會展中心、大型體育場館、大型綜合樓宇等，人員密集、流動性大，有多種移動通信需求，設(shè)備安裝空間有限，不可能同時安裝多套無線接入系統(tǒng)，這就對多運營商共建共享提出了要求，各運營商可利用多系統(tǒng)接入平臺（PointofInterface，POI）將各系統(tǒng)統(tǒng)一接入室分系統(tǒng)，POI可以進行多頻段、多信號合路，實現(xiàn)多網(wǎng)合一和透明傳輸功能，從而避免了室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)的重復(fù)投資。但在多系統(tǒng)融合建設(shè)的室分系統(tǒng)，因各系統(tǒng)頻段不同、覆蓋能力也不同，各系統(tǒng)功率不匹配會導(dǎo)致室內(nèi)出現(xiàn)越區(qū)覆蓋、弱覆蓋甚至信號外泄的現(xiàn)象，因此對各系統(tǒng)進行同覆蓋規(guī)劃分析也就成為了多網(wǎng)融合室分系統(tǒng)中一個重要研究方面。

2　多網(wǎng)融合室內(nèi)分布系統(tǒng)原理

室分系統(tǒng)主要包括信源和信號分布系統(tǒng)兩部分，信源為不同制式的基站設(shè)備或接入點設(shè)備，主要有宏基站、微蜂窩基站、分布式基站、射頻直放站、光纖直放站等，室內(nèi)分布系統(tǒng)主要由有源設(shè)備、無源設(shè)備、天線、線纜等組成（見圖1）。

POI通過對多頻段、多制式無線通信系統(tǒng)的接入及透明傳輸，實現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)共用一套室分天饋系統(tǒng)，能夠在滿足覆蓋效果的同時，節(jié)省運營商的投資、避免重復(fù)建設(shè)。POI主要作用是實現(xiàn)多系統(tǒng)合路，在這一點上POI與合路器功能相同，但是POI不僅具有合路器功能，還具有以下合路器不具備的功能：

（1）模塊化設(shè)計，擴容性好。

（2）滿足不同系統(tǒng)、頻段的個性需求。

（3）系統(tǒng)具有整體監(jiān)控功能，維護方便。

（4）可以預(yù)留端口，方便升級。

鑒于以上各種優(yōu)點，POI可廣泛地應(yīng)用于飛機場、火車站、地鐵、會展中心、體育場館、高級商務(wù)樓等大型室內(nèi)場所的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋中。

3　多網(wǎng)融合室內(nèi)覆蓋頻率規(guī)劃

在三大運營商LTE商用之前，室內(nèi)分布系統(tǒng)中存在的室分系統(tǒng)主要有移動的GSM900/1800、TDSCDMA（A）、TD-SCDMA（E）系統(tǒng)，聯(lián)通的GSM900/ 1800、WCDMA系統(tǒng)，電信的cdma800、cdma2000系統(tǒng)，以及用于室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分流的WLAN系統(tǒng)，隨著LTE的大規(guī)模部署，室內(nèi)分布系統(tǒng)變得比以前更加復(fù)雜，如何利用有限的資源滿足室內(nèi)不同用戶不同的業(yè)務(wù)需求，各運營商需要根據(jù)室分場景以及用戶分布情況進行精確的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，選擇何種制式何種頻段進行室分建設(shè)，成為室分網(wǎng)絡(luò)面對的重要問題。

圖1　多網(wǎng)融合室內(nèi)分布系統(tǒng)原理

由于LTE高速率的特性，能夠滿足用戶對高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)在滿足用戶語音的基本需求下將重點部署LTE系統(tǒng)，又因各運營商頻譜資源日益緊張，2G和3G占用了大量的優(yōu)勢頻譜資源，各運營商開始做出頻譜退讓或者共享的策略，移動TD-LTE室分系統(tǒng)主要采用TD-SCDMA使用的E頻段，聯(lián)通LTEFDD主要采用GSM1800頻段，電信LTE-FDD2.1G主要采用cdma2000頻段，電信3G主要采用cdma800頻段?？紤]到2G和3G主要用于語音通話以及各運營商都在加速升級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，更多的2G用戶正逐步轉(zhuǎn)入3G和4G，聯(lián)通和電信在新建的室分系統(tǒng)中主要以3G 和LTE建設(shè)為主，當(dāng)前各運營商用于室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要系統(tǒng)和頻段如表1所示。

表1　室分網(wǎng)絡(luò)制式及頻段

4　各系統(tǒng)覆蓋性能分析

4.1各系統(tǒng)自由空間傳播分析

自由空間傳播是指無線電波在空氣中無障礙的傳播，自由空間損耗是無線電波在空氣中傳播時所產(chǎn)生的能量損耗，其傳播模型如下所示。

L=32.45+20lgd+20lgf（1）

其中，自由空間損耗L的單位為dB，傳播距離d的單位為km，無線電波頻率f的單位為MHz。利用傳播模型對各系統(tǒng)在傳播距離為1、10、15、20m的不同距離進行了自由空間路損計算，其結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2分析：各系統(tǒng)無線電波隨著距離的增大傳播損耗逐漸增大，GSM900和cdma800因使用的頻段較低，其傳播損耗相對較低，在同距離傳播的情況下，與使用頻段最高的WLAN系統(tǒng)相比，大約相差10dB，意味著低頻段系統(tǒng)無線電波傳播能力與高頻段系統(tǒng)相差較大，TD-LTE與WLAN使用頻段相近，在自由空間中傳播損耗相差不大，它們的傳播能力相近，3G系統(tǒng)因使用頻段相近，傳播損耗也相差不大。實際的室內(nèi)無線信號傳播會受到各種障礙物的阻擋，需根據(jù)特定的室內(nèi)傳播模型進行各系統(tǒng)覆蓋性能分析。

圖2　各系統(tǒng)自由空間傳播損耗

4.2各系統(tǒng)室內(nèi)傳播分析

各系統(tǒng)信號從信源設(shè)備發(fā)出至用戶接受主要經(jīng)過分布系統(tǒng)損耗和室內(nèi)傳播損耗兩大部分，分布系統(tǒng)損耗是指信號在合路器、功分器、耦合器、傳輸饋線等傳輸器件中傳輸，造成的插入損耗、分配損耗、傳輸損耗等。室內(nèi)傳播損耗指信號從天線發(fā)射出至用戶終端所產(chǎn)生的損耗，主要由信號在空氣中傳播和穿透室內(nèi)障礙物引起的損耗，由最大允許路損（Maximal Allowed Path Loss，MAPL）決定，本文采用室內(nèi)衰減因子傳播模型進行各系統(tǒng)覆蓋性能分析，其傳播模型如下所示：

PathLoss=PL（d0）+10nlog（d/d0）+FAF（2）

其中，PL（d0）為距離天線1m處的路徑損耗（自由空間損耗）；d為傳播距離；n為衰減因子（2～3.5），不同的無線環(huán)境，衰減因子n取值不同；FAF為附加衰減因子，主要由樓板、隔墻、墻壁等引起的附加損耗。

根據(jù)室內(nèi)分布系統(tǒng)信號傳輸方式，可以得到以下室內(nèi)傳播鏈路預(yù)算關(guān)系式：

天線口導(dǎo)頻功率=信源輸出功率-分布系統(tǒng)損耗（3）

MAPL=天線口導(dǎo)頻功率+天線增益-邊緣場強（4）

室內(nèi)傳播損耗：PL=PL（d0）+10nlog（d/d0）+FAF=天線口導(dǎo)頻功率+天線增益-邊緣場強（5）

從公式（5）可以分析出，在特定的室內(nèi)環(huán)境，各系統(tǒng)天線口導(dǎo)頻功率決定了各自的覆蓋范圍，導(dǎo)頻功率與天線出口總功率密切相關(guān)，因此室內(nèi)覆蓋中天線功率的設(shè)置尤為重要。根據(jù)以上關(guān)系式可進行各系統(tǒng)室內(nèi)鏈路預(yù)算。

4.3各系統(tǒng)室內(nèi)覆蓋鏈路預(yù)算

根據(jù)《電磁輻射防護規(guī)定》標準，室內(nèi)天線口發(fā)射總功率不能大于15dBm。前文分析得出天線覆蓋距離與天線口的功率密切相關(guān)。根據(jù)室內(nèi)覆蓋指標，無線系統(tǒng)的自身特性，查閱相關(guān)資料，得到各系統(tǒng)相關(guān)指標如下：

（1）GSM系統(tǒng)：GSM900與 GSM1800系統(tǒng)導(dǎo)頻功率與天線口的總功率相同，最大為15dBm，信源發(fā)射功率最大為43dBm，工程中一般取值37dBm，廣播控制信道（Broaddcast Control Channel，BCCH）主控信道最小接收電平不小于-85dBm。

（2）TD-SCDMA系統(tǒng)：天線口導(dǎo)頻信道功率約為天線口總功率的2/9左右，導(dǎo)頻功率最大為15+10lg （2/9）=8.5dBm；信源發(fā)射功率一般取33dBm，主公共控制 物 理 信 道（Primary Common Control Physical Channel，PCCPCH）最小接收電平不小于-85dBm。

（3）CDMA系統(tǒng)：導(dǎo)頻功率占信源總功率的10%～30%，本文按15%進行計算，信源最大發(fā)射功率20W，則信源導(dǎo)頻功率為35dBm，天線口最大功率15dBm，天線口最大導(dǎo)頻功率為15+10lg（0.15）= 6.8dBm，單載波前向鏈路接收信號功率≥-85dBm。

（4）WCDMA系統(tǒng)：導(dǎo)頻功率約為信源總功率的10%，載頻最大發(fā)射功率為20W，則信源導(dǎo)頻功率為33dBm，天線口最大功率15dBm，則天線口導(dǎo)頻功率最大為15+10lg（0.1）=5dBm，邊緣導(dǎo)頻功率≥-85dBm。

（5）LTE系統(tǒng)：TD-LTE與FDD-LTE在20MHz工作帶寬情況下有100個RB，子載波數(shù)量為1200個，1200個子載波共用天線口的15dBm最大功率，則每個子載波的最大導(dǎo)頻發(fā)射功率為15-10lg1200=-15.8dBm；信源單通道發(fā)射功率為43dBm，每個子載波RSRP為43-10lg1200=12.2dBm，邊緣RSRP接收電平不小于-105dBm。

（6）WLAN系統(tǒng)：發(fā)射功率最大為27dBm，邊緣覆蓋場強不小于-75dBm。

在各個系統(tǒng)天線口最大發(fā)射功率為15dBm的情況下對各個系統(tǒng)進行鏈路預(yù)算，其結(jié)果如表2所示。

表2　各系統(tǒng)鏈路預(yù)算對比

4.4各系統(tǒng)覆蓋性能對比

在多網(wǎng)共建共享室分系統(tǒng)的情況下，各系統(tǒng)無線信號從室內(nèi)分布系統(tǒng)中同一天線發(fā)出，為確定各系統(tǒng)的覆蓋性能，本文使用衰減因子傳播模型進行定量分析，選擇較封閉室內(nèi)場景，例如酒店寫字樓等場所，衰減因子n取值為3，附加損耗FAF取值23dB，通過理論計算各系統(tǒng)在封閉場景的最大覆蓋距離。根據(jù)室內(nèi)傳播損耗模型：PL=PL（d0）+10nlog（d/d0）+FAF=天線口導(dǎo)頻功率+天線增益-邊緣場強，在不考慮其他環(huán)境因素的情況下，計算各系統(tǒng)在天線口功率為5～15dBm的范圍內(nèi)，暫不考慮天線增益，各系統(tǒng)的覆蓋性能對比統(tǒng)計情況如圖3所示。

圖3　各系統(tǒng)封閉室內(nèi)環(huán)境覆蓋性能對比

根據(jù)圖3的數(shù)據(jù)顯示：在各系統(tǒng)天線口功率為5～15dBm，GSM900系統(tǒng)覆蓋能力最強，覆蓋距離在15～33m，cdma800覆蓋能力和GSM1800系統(tǒng)相近，覆蓋距離約9～20m，TD-SCDMA、WCDMA、LTE與WLAN覆蓋能力相差不大，因TD-LTE與WLAN使用頻段相近，空間傳播損耗相近，兩系統(tǒng)覆蓋距離約為4～8m，F(xiàn)DD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)使用頻段低于TD-LTE系統(tǒng)，覆蓋能力相對TD-LTE較強。在室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計中，如各系統(tǒng)天線口功率相同，則會造成覆蓋能力強的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域過大，覆蓋能力弱的網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域過小，會導(dǎo)致越區(qū)覆蓋和弱覆蓋區(qū)域，因此在多網(wǎng)共建共享的室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計中，需對各系統(tǒng)做好鏈路預(yù)算，使各系統(tǒng)達到同區(qū)域同距離覆蓋。

5　各系統(tǒng)同覆蓋技術(shù)

5.1各系統(tǒng)天線功率規(guī)劃

根據(jù)各系統(tǒng)室內(nèi)覆蓋指標，利用室內(nèi)衰減因子傳播模型，選擇多網(wǎng)融合室內(nèi)分布系統(tǒng)建設(shè)常用場景，例如機場、車站、大型場館等半開放室內(nèi)環(huán)境，通過理論計算各系統(tǒng)覆蓋20m所需天線口輸入功率，其中衰減因子模型中n取值2.5，附加衰減因子FAF取值15dB，天線口增益均為3dBi，LTE均以20MHz工作帶寬，子載波數(shù)量為1200個計算，以TD-LTE天線口功率計算進行說明。

根據(jù)室內(nèi)衰減因子傳播模型：

PL=PL（d0）+10nlg（d/d0）+FAF（n=2.5，F(xiàn)AF=15dB）

TD-LTE空間傳播損耗：PL=39.68+25lg20+15= 87.21dB

由覆蓋指標可知，邊緣子載波RSRP不小于-105dBm，根據(jù)天線口輸入子載波RSRP+天線增益-PL＞=-105dBm得到：

天線口輸入子載波RSRP＞=-20.79dBm

TD-LTE系統(tǒng)帶寬為20MHz，每個子載波為15KHz，共有1200個子載波，則天線口輸入功率為：P=-20.79+10lg（1200）=10dBm，根據(jù)理論得到各系統(tǒng)天線口輸入功率如表3所示。

表3　各系統(tǒng)天線口輸入功率對比

表3是各系統(tǒng)在半開放室內(nèi)環(huán)境下覆蓋距離為20m的天線口輸入功率，GSM系統(tǒng)因覆蓋能力最強，天線入口功率最小，TD-LTE與WLAN傳播能力相差不大，天線入口功率相近。實際建設(shè)中，多運營商室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)采用多天線、小功率的設(shè)計思路，在封閉的室內(nèi)場景，天線輸入功率以覆蓋6～10m進行規(guī)劃，在半開放室內(nèi)場景，天線輸入功率以覆蓋10～20m進行規(guī)劃，各系統(tǒng)天線功率需根據(jù)實際室內(nèi)環(huán)境進行規(guī)劃設(shè)計。

5.2各系統(tǒng)功率匹配方案

在多網(wǎng)融合室內(nèi)分布系統(tǒng)中，各系統(tǒng)天線口的功率大小決定各自的覆蓋范圍，為使各系統(tǒng)在同天線同區(qū)域達到各自無縫覆蓋的效果，可通過以下3種功率匹配方法實現(xiàn)。

（1）在各系統(tǒng)信源功率不變的情況下，可通過控制分布系統(tǒng)的饋線傳輸損耗、功分器和耦合器的分配損耗、器件插入損耗等分布損耗，以及調(diào)整天線的增益，使各系統(tǒng)信號傳輸至天線時達到同距離覆蓋效果。

（2）對各系統(tǒng)信源進行功率控制，將2G覆蓋能力強的系統(tǒng)信源功率調(diào)小，降低覆蓋范圍，將高頻段覆蓋能力弱的系統(tǒng)信源功率調(diào)大，增大覆蓋范圍，從而達到各系統(tǒng)同距離覆蓋效果。

（3）利用2G低頻段覆蓋距離遠的優(yōu)勢，2G系統(tǒng)獨建一路進行室內(nèi)覆蓋，3G、LTE和WLAN合路輸出，因3G、LTE和WLAN覆蓋距離相差不大，則容易達到同覆蓋效果。

由以上3種功率匹配方法，可得到如圖4、5所示的兩種功率匹配覆蓋方案。

如圖4所示，在大型的公共室內(nèi)場景，根據(jù)室內(nèi)用戶需求，三大運營商的2G、3G、LTE以及WLAN可通過多頻合路器合路后經(jīng)過統(tǒng)一的室內(nèi)分布系統(tǒng)進行覆蓋，采用這種方案需要對各個系統(tǒng)進行詳細的鏈路預(yù)算，使各系統(tǒng)達到同天線同覆蓋效果，避免某些區(qū)域產(chǎn)生強覆蓋、弱覆蓋現(xiàn)象。在一些特殊場景，也可采用如圖5所示覆蓋方案進行室內(nèi)覆蓋。

圖4　多網(wǎng)融合功率匹配覆蓋示意圖

如圖5所示，覆蓋能力強的2G系統(tǒng)可單獨部署一路進行室內(nèi)覆蓋，選擇支持800～2500MHz頻段的天線，主要部署在對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不高的環(huán)境，如地下停車場和電梯，因在半開闊室內(nèi)場景中，其覆蓋距離可達到30m以上，不必降低2G系統(tǒng)的功率，這樣可減少室內(nèi)天線數(shù)量，在未來可將2G系統(tǒng)直接升級改造為LTE系統(tǒng)，LTE800頻段與2G系統(tǒng)覆蓋在半開闊的室內(nèi)場景覆蓋能力相當(dāng)，即可不必改造天饋系統(tǒng)，此種方案可在滿足當(dāng)前用戶需求的同時考慮到未來的發(fā)展方向，節(jié)約資源，且部署容易。同時，在半開放的室內(nèi)場景，也可利用室外2G系統(tǒng)對室內(nèi)進行覆蓋，在室內(nèi)只需將覆蓋能力相當(dāng)?shù)?G、LTE和WALN系統(tǒng)進行合路輸出，使各系統(tǒng)較容易達到同覆蓋效果。這種方案即可減少多系統(tǒng)之間存在的干擾，也提高了資源利用率，是一種從長遠角度發(fā)展考慮的室分系統(tǒng)部署方案。

圖5　多網(wǎng)融合功率匹配覆蓋示意圖

6　結(jié)束語

多網(wǎng)融合室分系統(tǒng)主要針對大型的室內(nèi)覆蓋場景，在覆蓋設(shè)計中，需考慮與室外覆蓋協(xié)同。在多系統(tǒng)融合建設(shè)的室分系統(tǒng)，因各系統(tǒng)頻段不同、覆蓋指標不同、覆蓋能力也不同，各系統(tǒng)功率不匹配會導(dǎo)致室內(nèi)出現(xiàn)越區(qū)覆蓋、弱覆蓋甚至信號外泄的現(xiàn)象，本文主要對各系統(tǒng)在自由空間，密閉室內(nèi)環(huán)境的傳播性能做了詳細分析，分析了各系統(tǒng)的覆蓋能力差異，最后利用衰減因子傳播模型對各系統(tǒng)在半開闊室內(nèi)場景下，進行了同距離覆蓋天線口功率規(guī)劃分析，同時提出了3種功率匹配方法，對比了兩種多網(wǎng)融合室分系統(tǒng)功率匹配覆蓋方案，為多網(wǎng)融合室分系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。

參考文獻

［1］王彥剛，孫海濱，楊晨.多家運營商共用室內(nèi)分布系統(tǒng)方案設(shè)計［J］.通信設(shè)計與應(yīng)用，2015（1）：20-24.

［2］冷錦，馬為民，喬云等.多制式基站共站方式和干擾問題研究［J］.郵電設(shè)計技術(shù)，2012（10）：52-55.

［3］朱健，王雄，李光文.TD-LTE室內(nèi)分布系統(tǒng)四網(wǎng)協(xié)同組網(wǎng)方案研究［J］.通信與信息技術(shù)，2014（6）.

［4］萬俊青.LTE網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)分布系統(tǒng)共建共享探討［J］.移動通信，2013（6）：16-20.

［5］劉培欣，張曉剛.新型TD-LTE室內(nèi)分布建設(shè)方式研究［J］.電信技術(shù)，2015（8）：32-36.

［6］劉威，陳海燕.基于多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計［J］.電信科學(xué)，2014（9）.

收稿日期：（2016-03-28）

Research on the cover planning of multi-network fusion indoor distribution system

LIU Libing，XIAO Hanchun

Abstract：The multi-network integration indoor distribution system mainly makes use of the multiple frequency combiner（POI）will multiple systems unified access indoor distribution system，to cover the large indoor environments. This paper introduced the principle of indoor distribution system，frequency usage，and study the transmission performance of each system in free space and coverage performance in closed indoor environment.In the end，according to the indoor cell-edge of each system，using the indoor propagation attenuation factor model analyses the antenna power of each system when cover the same distance，put forward two kinds of power matching schemes，provides guidance for multiple network convergence indoor coverage design.

Key words：indoor distribution system；co-construction and sharing；the cell-edge；power matching