崔潔

(江蘇建筑職業(yè)技術學院交通工程學院 江蘇徐州 221116)

由于我國的城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城鎮(zhèn)的高層建筑不斷增多，密集的高層建筑成為了城鎮(zhèn)化的標志，但愈發(fā)密集的高層建筑給建筑室內信號覆蓋帶來了“災難”[1]。在高層建筑物室內區(qū)域，信號覆蓋不全面致使有些區(qū)域信號強度較弱甚至出現(xiàn)無信號的盲區(qū)，室內的客戶在使用網(wǎng)絡信號時，往往會有通話質量不佳、上網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸差甚至不能正常使用等不良體驗。高層建筑室內區(qū)域的網(wǎng)絡信號存在乒乓效應、孤島效應等現(xiàn)象，這是造成不良體驗的主要因素。提高網(wǎng)絡信號覆蓋的全面性、消除網(wǎng)絡覆蓋盲區(qū)、提高區(qū)域網(wǎng)絡信號強度，滿足室內客戶使用網(wǎng)絡信號的訴求，提升用戶滿意度，是網(wǎng)絡信號優(yōu)化的焦點，也是當前亟須解決的關鍵問題[2-4]。

傳統(tǒng)的高層建筑室內信號覆蓋僅能實現(xiàn)水平方向的網(wǎng)絡信號覆蓋，不能兼顧垂直方向的網(wǎng)絡信號覆蓋，導致高層建筑的高層區(qū)域網(wǎng)絡信號覆蓋不佳，網(wǎng)絡信號的立體覆蓋效果較差。研究能夠實現(xiàn)信號立體覆蓋的高層建筑室內信號覆蓋策略具有理論意義和實際意義。

1 高層建筑物內電磁環(huán)境特點

隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城鎮(zhèn)中的高層建筑不斷增多，愈發(fā)密集的高層建筑導致的室內網(wǎng)絡信號覆蓋不全面、區(qū)域網(wǎng)絡信號強度不穩(wěn)定的問題也越來越突出。網(wǎng)絡覆蓋存在盲區(qū)以及導頻污染問題造成了高層建筑室內電磁環(huán)境越發(fā)的惡劣。其主要原因有兩個：首先，愈發(fā)密集的高層建筑要想增加網(wǎng)絡信號覆蓋范圍，就要不斷增加宏蜂窩的數(shù)量，這將導致高層建筑周圍存在多個基站，建筑高層區(qū)域基本無法正常通話，產(chǎn)生嚴重的“孤島效應”；其次，周圍存在多個基站，是由鄰區(qū)設置的參數(shù)，這將對本區(qū)基站造成干擾，致使該區(qū)網(wǎng)絡信號切換異常，形成“導頻污染”。

1.1 高層建筑物內電磁波傳播特征

現(xiàn)代高層建筑室內移動通信廣泛使用VHF 和UHF頻段。從高層建筑室內移動信道的電磁波傳播上看，有直射波、多徑反射波、繞射波、散射波和穿透波這5種。具體特征見表1。

表1 高層建筑室內電磁波傳播特征

1.2 高層建筑物內信號的傳輸衰落

無線信號在高層建筑物內的傳播，實質上是能量在空氣介質中以一定速度傳播的過程，次過程與無線信號的能量以及空氣介質相關聯(lián)。由上文分析可知，高層建筑物內的信號傳播主要依靠直射波,但信號的多徑反射是不能忽視的。信號的多徑反射是影響信號質量的主要因素之一。因此，需要考慮吸收、自由空間損耗和多路徑衰落即瑞利衰落這3 種基本衰落類型，具體特征見表2。

表2 高層建筑室內三種基本衰落特征

1.3 高層建筑物內的電磁環(huán)境描述

高層建筑根據(jù)電磁環(huán)境的特點，可以分為3 個區(qū)域，分別是底層區(qū)域、中層區(qū)域和高層區(qū)域。

（1）底層區(qū)域，周圍存在較多的建筑物（如商鋪、底層住宅、公共設施等），致使底層區(qū)域信號強度較弱甚至出現(xiàn)無信號的盲區(qū)（如電梯間、地下車庫）。（2）中層區(qū)域，靠近室外的窗戶地帶，由于接收到多個室外信號導致信號嚴重重疊，乒乓效應十分嚴重，導致無線信號較差。（3）高層區(qū)域由于存在多個基站，導致覆蓋盲區(qū)和導頻污染等問題的出現(xiàn)，造成高層區(qū)域電磁環(huán)境惡化，從而產(chǎn)生嚴重的“孤島效應”。

2 影響信號質量的主要因素

2.1 盲區(qū)現(xiàn)象

高層建筑自身可以屏蔽或吸收無線電波，這將導致無線信號能量的衰減甚至消失，形成了無線信號覆蓋的弱區(qū)乃至盲區(qū)。由上文分析可知，高層建筑的底層區(qū)域由于周圍建筑物較多，無線電波被屏蔽或吸收嚴重，電梯、地下車庫等地方經(jīng)常會出現(xiàn)信號盲區(qū)。

2.2 導頻污染

高層建筑的高層區(qū)域，存在多個基站，多個相似信號的相互干擾，導無線信號背景噪聲將被提高，導致無線信號較差。

2.3 阻塞問題

高層建筑內，如果在一定區(qū)域范圍內，大量客戶集中使用網(wǎng)絡信號，這將導致出現(xiàn)信道阻塞的現(xiàn)象，會伴有有通話質量不佳、上網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸差甚至掉線等不良體驗，網(wǎng)絡容量將不能滿足用戶對網(wǎng)絡信號質量及信號正常接入的需求。

3 網(wǎng)絡信號覆蓋需求

3.1 網(wǎng)絡容量需求

網(wǎng)絡信號覆蓋其實是一張共享無線網(wǎng)絡，使用的客戶希望在高層建筑室內的任何地方都能得到如同有線網(wǎng)絡的響應速度，又能保障最實際想要的移動性。一般情況下，技術人員主要關注如何提供足夠的覆蓋區(qū)域，而忽略了擴充的網(wǎng)絡容量的問題，網(wǎng)絡容量不充足往往是數(shù)據(jù)傳輸差、通話信號質量不佳的關鍵因素。

另外，調研一個高層建筑覆蓋區(qū)域內的潛在使用客戶的數(shù)量，以及他們使用無線網(wǎng)絡的習慣和方式，通過調研數(shù)據(jù)來進一步確定該高層建筑覆蓋區(qū)域內的網(wǎng)絡容量。根據(jù)得到網(wǎng)絡容量、潛在使用客戶數(shù)量以及覆蓋區(qū)域，來設計部署接入點數(shù)量。

3.2 網(wǎng)絡質量需求

高層建筑物存在各種臨近基站的信號干擾，信號覆蓋不全面致使有些區(qū)域信號強度較弱甚至出現(xiàn)無信號的盲區(qū)，使用客戶數(shù)據(jù)傳輸、通話信號質量都得不到很好的保障，無法滿足使用客戶基本的通信需求。主要原因如下。

（1）對于高層建筑物的中部區(qū)域，雖然距離底層區(qū)域有一定高度，底層區(qū)域周圍多個基站的信號依然可以到達中部區(qū)域。由于到達中部區(qū)域的路徑不長，不同基站到達中部區(qū)域的信號強度較好，這些信號彼此覆蓋重疊，導致系統(tǒng)頻繁切換，產(chǎn)生嚴重的“兵兵效應”，通話質量、上網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸將無法保障。因此，必須要控制高層建筑周圍基站的覆蓋范圍，減小越區(qū)覆蓋的產(chǎn)生。

（2）高層建筑物周圍的多基站也會嚴重影響高層區(qū)域的電磁環(huán)境（同頻、鄰頻干擾），被干擾的電磁環(huán)境不利于網(wǎng)絡信號的傳輸，甚至出現(xiàn)通話斷斷續(xù)續(xù)、上網(wǎng)速度慢甚至中斷，這種嚴重的“孤島效應”會造成網(wǎng)絡信號覆蓋的盲區(qū)。因此，必須要控制高層建筑周圍基站的過覆蓋情況，減小對其他小區(qū)的信號干擾。

3.3 網(wǎng)絡移動和安全需求

潛在使用客戶終端在SSID不變的情況下，將和新的接入點重新建立新的連接，與此同時，斷開與原來接入點之間的連接，經(jīng)過校驗后，終端設備就可以進行發(fā)送和接收幀。

網(wǎng)絡的安全問題是用戶在使用網(wǎng)絡信號時比較關心的問題，也是我們在設計時要必須考慮的因素。網(wǎng)絡在設計完成時，不能急于投產(chǎn)使用，要對設計好的網(wǎng)絡進行用戶隔離、MAC地址過濾以及加密認證等相關測試，對新設計的網(wǎng)絡進行詳細的安全性能評估并加以驗證。符合網(wǎng)絡的安全性能要求后，方可投入使用。

4 信號覆蓋策略

目前，解決高層建筑內信號覆蓋問題通常采用以下3種解決方案。

4.1 室內分布系統(tǒng)

高層建筑物周圍的基站將信號發(fā)射到建筑物的室內，室內任意位置均有滿足用戶需求的信號強度以及容量，如圖1所示。高層建筑內存在電梯、地下停車場等信號覆蓋死角區(qū)域，通過室內分布系統(tǒng)，電梯、地下停車場等室內場景也能具有很好的信號覆蓋。由于室內分布系統(tǒng)需要在室內布置較多的RRU 模塊來解決信號覆蓋不到的盲區(qū)問題，造成建設周期與投資成本較大，并且無法改善臨窗區(qū)域的信號覆蓋問題，這限制了該系統(tǒng)的大范圍推廣。

圖1 室內分布系統(tǒng)圖

4.2 室外分布系統(tǒng)

通過在高層建筑物周邊已有基站（或街區(qū)附近的樹木、路燈、廣告牌等構件）上加裝天線，加強對高層建筑進行信號的覆蓋，如圖2所示。室外分布系統(tǒng)在改善高層建筑信號覆蓋的同時，還不影響住宅小區(qū)或城市街區(qū)的美觀。但在樹木、路燈、廣告牌等構件上加裝天線，存在一定的技術難點，并且由于早期城市布局或市政工程施工等原因影響，將導致無法在街區(qū)兩旁的樹木、路燈、廣告牌等構件上加裝天線。此外，天線安裝位置、天線安裝高度以及天線需要覆蓋的區(qū)域，都是影響天線參數(shù)設置的重要因素，是需要精準設置的。另外，天線參數(shù)設置受外界環(huán)境影響較大，不僅造成后期維護工作量大，也不能保證高層建筑內信號覆蓋的穩(wěn)定性。

圖2 室外分布系統(tǒng)圖

4.3 宏蜂窩覆蓋

選擇高層建筑物周邊已有的基站，通過重新調整周邊已有基站的參數(shù)（如方向角、下傾角），來進行覆蓋區(qū)域的重新分配，如圖3 所示。宏蜂窩覆蓋可以根據(jù)已有基站的具體情況，根據(jù)高層建筑室內信號覆蓋問題，有針對性地調整的基站天線參數(shù)，從而實現(xiàn)改善信號覆蓋范圍與強度，同時兼顧改善信號干擾[5-6]。宏蜂窩覆蓋要合理安排周邊已有基站的覆蓋方案，嚴禁產(chǎn)生越區(qū)覆蓋影響網(wǎng)絡質量的現(xiàn)象。

圖3 宏蜂窩覆蓋圖

天線波束賦形技術可以獲得具有指向性的輻射方向圖，是控制宏蜂窩覆蓋的有效方法之一。相比于傳統(tǒng)的室內分布式天線覆蓋方法，陣列天線和三維波束賦形技術可以在不添加額外輔助設施的情況下，實現(xiàn)網(wǎng)絡信號的立體覆蓋，具有良好的應用前景。傳統(tǒng)的貼片天線、微帶天線、SIW 天線、喇叭天線等都可以組成陣列天線，其中，微帶天線具有小型化，易于集成，成本低等優(yōu)點而得到廣泛應用與陣列天線的設計中。