典型區域UMTS無線網絡多種覆蓋方案分析

2019-11-05 02:49:46

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一個成功的UMTS網絡規劃可實現多重目標，即無線網絡提供的服務質量可以達到規劃時的目標，業務按預期的服務質量和容量展開，同時可以做到優化網絡投資，使網絡收益最大化，盡快收回投資。作為網絡設計的前期預備工作，網絡規劃越細致、越完善，投資估算將更符合未來的網絡實際，網絡設計的基礎將更扎實。

對于作為網絡規劃難點和重點的無線網絡覆蓋，選擇不同的覆蓋策略，會導致截然不同的網絡投資、覆蓋效果、工程難度和網絡質量。因此，UMTS網絡規劃必須因地制宜，在合理的網絡覆蓋策略指導下進行。本文將就典型區域的無線網絡覆蓋方案進行分析和探討，給出相關的建議。

一、建設初期無線網絡覆蓋的兩種解決方案

在無線網絡建設初期存在兩種不同類型的網絡覆蓋方案，一類為室內+室外的解決方案，一類為純室外的解決方案。

室內+室外的解決方案采用較大的宏蜂窩站間距，宏蜂窩主要解決室外覆蓋，重要商業樓宇由室內覆蓋方案解決。這類方案的好處在于，較大的室外站間距可以帶來室外宏蜂窩下行干擾水平的顯著降低，干擾降低，即意味著每基站容量得到提高，每基站的容量可以得到充分的挖掘，直接部署室內解決方案可帶來室內深層次覆蓋水平的顯著改善；這類方案的缺點在于，假如一期工程直接部署室內覆蓋，可能導致施工難度加大，工程量增加，不部署室內解決方案，可能存在室內深層次覆蓋較差的問題。

純室外的解決方案采用較小的室外站間距，通過室外宏蜂窩穿透的方式，對室內提供深層次覆蓋。這類方案的好處是網絡發展到一定階段之前，無需部署室內解決方案，可以推遲室內解決方案的部署，相應減少室內覆蓋的工程量，降低室內覆蓋工程難度。這種方案也存在較大的缺點，小的站間距意味著網絡需要建設大量的基站，造價高，即使采用較小的室外站間距，對于大的購物中心、商場或寫字樓等進深較大的樓宇，室外宏蜂窩無法穿透多道的混凝土墻，室內深層次覆蓋無法得到顯著的改善，室外較小的站間距，帶來下行較強的干擾，每基站容量大幅降低，無線信號的漫射特性可能帶來大量的導頻污染等問題，同時隨著室內高速數據用戶的增加，基站的發射功率加大，導致室外干擾水平迅速上升，下行容量迅速耗盡的問題，網絡容量發展到一定階段，隨著室內高速數據用戶的增加，仍然需部署室內覆蓋方案，以吸收室內的話務量。

網絡覆蓋策略決定后面臨的下一問題是如何合理分配有限的網絡投資。在網絡建設前期，業務多集中于市區、郊區，因此集中投資，建好城、郊區的無線網絡，是樹立良好的服務形象的要害，而針對農村幅員遼闊、面積大、網絡初始話務量不高的特點，應盡量采用經濟的覆蓋手段，在滿足一定覆蓋水平的基礎上，壓縮投資，以控制全網的整體投資，達到降低成本、建設精品網絡的目的。下面將對典型區域的覆蓋方案進行分析討論。

二、重點樓宇的覆蓋方案分析

1.樓宇覆蓋應考慮的主要問題

現有的無線設計軟件主要是為室外基站規劃設計開發的，它所能設計的室內覆蓋是基于室外基站的信號，通過考慮地貌特征和建筑物穿透損耗要求，對建筑物室內覆蓋性能進行猜測，這些工具都不能直接用來設計覆蓋完全依靠室內信號的系統，因此室內覆蓋系統的解決方案主要依靠經驗。

市區的大型寫字樓的結構復雜，高端用戶量大，網絡性能直接影響網絡的品牌效應，良好的室內覆蓋不可避免的將依靠于室內覆蓋系統，在密集市區，市區的室外宏蜂窩覆蓋策略主要考慮對于大面積的居民樓及一般商業樓的覆蓋，此時20dB和15dB的穿透損耗余量可以分別滿足密集市區和市區居民樓及一般商業樓的室內覆蓋要求，在一般市區和郊區，由于成本的限制，不會考慮太多的室內覆蓋系統，這些地形雖然不會有大量高層樓宇，室內覆蓋主要來源于室外宏蜂窩基站的穿透損耗余量來達到室內覆蓋。

設定正確的穿透損耗值是控制網絡投資成本的一個很重要的手段，密集市區，市區的大型商場，地下停車場，Vip工作場所，政府機關大樓等重要建筑物，取高穿透損耗方式并非覆蓋首選，建議直接考慮部署室內覆蓋網絡，并且應與大網建設同步進行,才能為客戶提供高質量的服務，這是擴大營運收入的重要途經，也是提升網絡品牌效應的一個很重要的手段。

室內設計的主要目標是在滿足服務質量的前提下，提供最好的室內覆蓋和最高的容量，按照CDMA設計原則，主服務小區的Ec/Io、軟切換／更軟切換的比率、BLER和服務可靠度仍然是衡量室內覆蓋質量的準則。

室內信號只有兩種來源：室外信號的穿透和專用的室內覆蓋系統，前者被稱為無源方式部署，后者則被稱為有源方式部署，在這兩種部署方式中，室內的覆蓋和容量都與建筑物的穿透損耗有密切關系。

2.室內/室外同頻的方案

通過室外信號穿透來解決室內覆蓋的方式比較簡單和經濟，為了保證室內覆蓋的可靠性，室外信號要留出充足的余量，同時高的余量會導致室外的整體干擾水平的提高，由于無法很好猜測信號的傳播，室內可能會出現多路信號，無法保證室內各處都始終維持一個主服務信號，導致服務水平降低。除了覆蓋質量，通過室外穿透解決室內覆蓋時，容量也取決于室外小區，室內移動臺要消耗更多的室外下行功率來克服穿透損耗和增加的干擾，減少了室外小區的容量，室內覆蓋越深，要求的穿透損耗余量越多，對室外小區的容量的影響也就越大。

通過室內覆蓋系統解決室內覆蓋的方案相對復雜，此時，室內有發射信號源，這些信號源可以是室內天線、泄漏電纜等，設計的要害是要考慮室內／室外的隔離度，室內外系統采用同一頻率時，建筑物的穿透損耗為有射頻源部署方案提供了一定的天然隔離度，但是網絡設計依舊要遵循CDMA系統的設計原則，最大限度地減少室內系統和室外網絡的覆蓋重疊，盡可能地提高容量，類似于GSM系統所采用的分層式的網絡部署方案是不能應用于WCDMA網絡的，這種分層式的網絡部署方案中室內/室外覆蓋完全重疊，極大程度地降低了室內系統所能提供的容量，室內/室外覆蓋的重疊程度可由軟切換來衡量，軟切換是由室內的Ec/Io值和室外的Ec/Io值決定的，兩者在該建筑物內的值就決定了室內系統和室外站之間的軟切換率，Ec/Io的計算方法如下：

室內小區Ec/Io = 室內小區的導頻功率/(室內小區的總功率 + 來自室外的總功率)

室外小區Ec/Io = 室外小區的導頻功率/(室內小區的總功率 + 來自室外的總功率)

軟切換率是衡量WCDMA室內系統最重要的指標之一，過多的軟切換占用系統資源，降低容量，為了減少室內/室外覆蓋的重疊，必須優化該建筑物四周的室外小區，盡可能地降低室外信號穿透到室內的強度；另一方面，室內系統采用低功率的天線，降低室內信號泄漏到室外的強度，這是基于CDMA技術的系統特有的一個問題，其他的技術如GSM，總會為窄帶室內系統分配與室外網絡不同的頻率，不需要考慮這一問題。

在同頻情況下，一般建筑物室內設計的目標是在滿足室內覆蓋與容量要求的情況下盡可能地減少室內信號的外泄，大型開闊式建筑物的室內覆蓋有不同的設計考慮，室內容量要求高，室內環境的幾何范圍使得不同多徑信號之間的時延小于1 chip，多徑分集效應較室外差，用戶移動速度較慢，小于5公里/秒，交織的效果也較差，Eb/No的要求會相應升高，采用多個低增益小覆蓋天線還是采用稍高增益覆蓋較大的天線應視具體情況而定，也可以利用向內輻射的多個定向天線覆蓋同一區域，在各路信號中插入人工時延，它有利于改善手機接受多徑信號間的不相關性，提供更明顯的分集增益，使覆蓋性能更可靠，因為在空間某點經不同天線傳輸的信號具有不同的時延性，在同一點內同時衰落幾乎不存在。

室內天線可以采用全向天線(安裝在屋頂)或定向天線(主要安裝在墻壁)，天線的尺寸根據實際情況有不同的要求，增益一般在2-7dBi之間，在選擇天線安裝的位置時應盡可能避免與其他電子設備靠近，以防止干擾，同時應盡量將天線安裝于距通話手機大于一米的位置，避免由于通話用戶距離天線過近導致手機發射功率到達基站過大對基站造成的阻塞，另外應將天線放置在較高的，無阻擋物或離墻壁，柱子等阻擋物足夠遠的區域，盡可能創造一個視距傳播環境。

建筑物自身穿透損耗帶來的天然隔離是非常重要的設計考慮，良好的隔離使我們在設計該室內系統的覆蓋時不用過多考慮與室外宏基站的相互干擾與切換問題。

從容量角度而言，良好的隔離作用增加了單小區室內用戶容量，下面是單小區極點容量的理論公式

從公式可以發現，對于室內系統而言，處理增益和話音激活因子與室外系統一樣，Eb/No的要求與室外一般會有差別，另一主要區別在于不同的扇區化增益SG/K和鄰小區干擾指標f，當穿透損耗無限大時，扇區容量實現最大，這是由于室內扇區的覆蓋近似是一個沒有任何外來干擾的“孤站“覆蓋,因此來自外小區干擾指標 f=0，扇區化增益SG/K=1，此時的極點容量等于：

足夠大的穿透損耗要求將來自室外宏基站的干擾降至可忽略不計，這類場景僅有大型地下商城或地鐵系統可適合，一般樓宇穿透損耗有限，室外宏基站的干擾使容量下降。

2.采用異頻方式覆蓋建筑物室內方案

以上分析了室內/室外同頻的方案，假如采用異頻方式覆蓋建筑物室內，室內/室外通過不同的頻率提供較好的隔離，但是使用異頻，意味著室內和室外的切換將是硬切換，在WCDMA中，很難在室內系統中采用異頻，主要的困難就是硬切換，硬切換的邊界難以控制，?？赡茉斐善古仪袚Q的區域，而需要專用室內覆蓋的大樓一般坐落在核心商務區，周邊的室外小區密集，很難控制硬切換的邊界，在硬切換區域很難避免小區的重疊，不需測量的盲切換成功率難以保障，必需采用壓縮模式測量，確保切換高成功率，激活壓縮模式測量目標小區，終端需要較高的發射功率，以補償由于采用較短的擴頻碼帶來的處理增益下降，而且，目標小區的清單越長，測量需要的時間就會更多，需要提前激活壓縮模式，或采用更高的壓縮比，同時使室內和室外系統容量有較大損失，而要減少容量損失，就需很好的控制硬切換邊界，減少目標小區及測量次數，而提高硬切換成功率又是以良好的測量為前提的，同時切換邊界在實際網絡當中很難控制，這是異頻方式難以克服的困難。

建立室內覆蓋系統主要有以下三種方案可供選擇。

(1)直放站

直放站是能夠在上下行雙向接收、放大和發射空間輻射(無線引入方式)或電纜及光纜傳導(有線引入方式)的RF信號的設備，在室外站存在富余容量的情況下，可以通過直放站將室外信號引入室內的覆蓋盲區，即直放站的施主天線直接從四周的室外宏蜂窩基站提取信號(在無線引入方式中為了保證信號強度，一般要求施主天線與施主基站天線之間保證視通)，經放大后，通過室內天線將其擴展至室內盲區。

直放站安裝簡便靈活、見效快、周期短、成本也較低，較適合于低話務量、中小型建筑的室內覆蓋，雖然此方案中的室內容量來自于室外覆蓋基站，不能提高系統容量，但通過調配(均衡)話務容量，尤其是通過提高下行鏈路功率的使用效率(減少了穿透損耗)，還是在一定程度上提高了系統的下行容量，在WCDMA系統中容量為下行受限。其前提是要確保直放站方案設計合理，整體網絡進行了合理優化。

采用直放站后的網絡性能與直放站自身性能指標密切相關，主要包括底部噪聲、收發隔離度、線形度、帶內平坦度、上下行增益平衡等參數，均需滿足相關技術規范的要求。此外，在直放站實施過程中，必需注重以下幾方面的問題：

功放是直放站的核心部件，放大器的非線性將造成交調嚴重、WCDMA導頻信號混亂、通信質量惡化，直放站選型時應注重選擇采用超線性功放的機型；

市內由于基站密度較大，為防止同時接入幾個施主基站，應優先采用光纖接入式直放站或移頻直放站；

假如采用同頻無線直放站，應確保施主基站信號強度清楚、穩定(RSCP一般應在–70~–80dBm，Ec/Io達到–7~–9dB)，避免將其它較強的基站信號引入室內；

控制反向噪聲：控制進入直放站的噪聲功率及調整增益，保證底部噪聲不對基站形成干擾。

由于直放站借用施主基站容量，因而帶直放站的基站容量將不同于正?；救萘康挠嬎?，直放站覆蓋區沒有上行宏分集增益，下行又無多徑分集增益，解調信號需要更高的能量，也就是說，帶直放站的母站容量會低于正常基站。

假如不熟悉CDMA系統特性，沒有豐富的CDMA網絡設計和優化經驗，在WCDMA網絡中也很難實現直放站應用的優化，甚至嚴重影響網絡性能。例如一個常見的誤區就是試圖靠抬高直放站的發射功率去壓制其它信號，從而引起導頻污染，帶來“乒乓效應”。

大型寫字樓的地下停車場覆蓋是使用直放站的良好場地，地下系統有天然的隔離，不需考慮信號外泄問題，而且沒有容量要求，其覆蓋又是保證重點區域質量的必要組成部分。

(2)射頻拉遠

射頻拉遠作為室內覆蓋系統的信號源是常用的解決方案，在市區中心使用較多，同時解決覆蓋和容量問題，適用于中等覆蓋范圍及話務量的建筑物，這類建筑物的容量要求已不是直放站所能提供的，需要提供容量的解決方案。

使用射頻拉遠的前提是所要覆蓋的建筑物四周宏基站有富余容量，而且需要專用光纖聯結拉遠模塊和基站其它模塊。在密集市區，尤其老城區，部署光纖往往成為制約該方案的瓶頸所在。另外，拉遠模塊體積小，部署安裝簡便，不需要專用機房，再配合室內信號分布系統不僅可以解決室內覆蓋，而且可以提供相當的容量增益。

(3)采用室內基站

采用室內基站作為室內覆蓋系統的信號源，適用于覆蓋范圍較大且話務量相對高的建筑物內，或在商業密集區的建筑物，四周宏蜂窩站沒有富余容量的情況下，室內基站作為可選的解決方案，同時解決覆蓋和容量問題。與前面方案相比，在室內部署基站(配合信號分布系統)不僅可以解決室內覆蓋，而且可以提供顯著的容量增益，尤其適用于話務量集中的高檔寫字樓、大型商場等環境，當然其投資也相對較高。

在實際使用中，對高層建筑部署單獨的室內覆蓋系統，即室內基站加信號分布系統。室內分布系統可使室內基站的容量均勻分布各個區域而達到良好的覆蓋范圍。

3.關于樓宇覆蓋的建議

如前所述，室內覆蓋與室外覆蓋最好采用同一載波，在建筑物的進出通道處以軟切換的方式實現移動用戶呼叫的連續性，減少掉話的發生，同時利用建筑物自身的隔離特性，做好覆蓋控制，減少軟切換區。反之，假如室內采用異頻覆蓋，不僅占用一個5MHZ載波，而且硬切換的成功率也將大大低于軟切換。

綜上所述，移動通信室內覆蓋的問題從廣義上講，不僅僅是對室內信號盲區的改善，同時也包括對室內移動通信話音質量、網絡質量、系統容量的改善。室內覆蓋的側重點是商業價值高的重要樓宇，它們又因用途及設計的不同結構上差異很大。

三、居民小區的覆蓋方案分析

居民小區是國內城市環境一大特點，主要表現為集中，密集，高層，集群，尤其是近年新建小區。老式居民小區密集程度不高，樓層較矮，室外宏基站能提供良好的室內覆蓋，不具備非凡性，因而不在此非凡討論。這類環境的覆蓋既是重點，又是難點，在此對其解決方案做一些討論。

密集型居民小區樓層較高，且高度差不多，樓宇排列往往自成體系呈封閉式或半封閉式，居民小區的覆蓋要以室外宏基站為主，如對每一棟樓做室內覆蓋，成本顯然太高，然而小區的結構使得室外基站天線不論朝著那一個方向打，都可能會有盲區死角，需要在網絡設計時非凡考慮，這類小區地理環境相對獨立，周邊大都無密集商業區，也就是說，周邊室外宏站扇區往往會有富余容量，較好的解決方案是根據實測室內盲區大小的具體情況，選用直放站或射頻拉遠來做補充覆蓋。

四、隧道的覆蓋方案分析

無論隧道長短，其共同特點是：

隧道兩端各有一段引路，市區隧道進出口往往是多條道路的匯聚點，除隧道進出口外，隧道能做到很好的隔離，不用擔心與外面宏基站間的相互干擾；

多數隧道是直通隧道或少而緩慢的彎道；

隧道雙方向完全隔離，即兩個行車方向是兩個隔離的連體隧道；

話務要求較低，手機用戶具有中等的移動速度，平均每小時40公里左右，最高不超過每小時80公里；

一般隧道內具備一定的傳輸配套設施。

隧道本身具有良好的隔離作用，在設計該室內系統的覆蓋時，可不考慮與宏基站的覆蓋重疊而導致的相互干擾問題，通過室外宏蜂窩的穿透實現對隧道內的覆蓋顯然不可行，因此必須設計一個非凡的室內覆蓋系統。

在充分分析了隧道的特點后，可以考慮作如下覆蓋。

1.直放站

直放站是一個很好的解決方案，由室外施主宏蜂窩基站提供容量，重慶市區的隧道出口大都不在密集街區，因而施主宏蜂窩基站富余容量可以有所保障。視具體情況，光纖和射頻直放站均可考慮。如條件許可，光纖直放站效果更佳。如難以拉光纖，也可選射頻直放站。在這種情況下，需選擇正確的宏蜂窩作施主站，該站與射頻直放站的接收天線間在視距上無遮擋，施主站在滿足隧道外話務量要求的同時，有一定的容量余量。

射頻直放站通過從遠處的宏蜂窩收到無線信號對隧道內進行覆蓋，直放站對施主基站的接受天線通常是高增益 (>= 20 dBi)窄波瓣，安裝在接收主信號強，來自其他室外站信號少的位置。主信號RSCP 的典型值是–70 到 –80 dBm或更好，Ec/Io 值–7到–9 dB或更好。

直放站的覆蓋天線或分布系統需要通過光纖來傳入隧道，也可使用用同軸電纜。同軸電纜傳輸損耗大，不便于彎曲，安裝難度大，假如覆蓋短隧道，或覆蓋距離較短(通常小于五十米的傳輸距離)，可考慮使用一到兩個八木天線，提供覆蓋。在傳輸損耗小的情況下，還可以考慮低增益甚至無源系統做覆蓋。

與同軸電纜相比，光纖傳輸更適用于長距離的傳輸要求。光纖所許可的輸入功率通常很小，傳輸距離長傳輸損耗小，需要在遠端對信號進行放大，光纖便于彎曲，安裝難度小。對于長隧道，分布系統跨度大，光纖傳輸更適合。

2.泄漏電纜

泄漏電纜是隧道覆蓋的另一種解決方案，其結構與普通的同軸電纜基本一致，由內導體、絕緣介質和開有周期性槽孔的外導體三部分組成。電磁波在泄漏電纜中縱向傳輸的同時通過槽孔向外界輻射電磁波，外界的電磁場也可通過槽孔感應到泄漏電纜內部并傳送到接收端。泄漏電纜的傳輸損耗大，僅適用于覆蓋要求高而均勻的場景。由于線性損耗對饋線首末段的信號強度影響很大，耦合損耗導致在距離電纜起始處較近的區域有良好的覆蓋，但在超過50m的區域里幾乎沒有覆蓋。

泄漏電纜的解決方案與分布天線系統解決方案各有利弊，泄漏電纜通過信號泄漏方式實現對室內的良好覆蓋。與天線相比，它提供的是一種功率較低，但輻射均勻的“霧狀”覆蓋。

因為采用同頻進行隧道內外的覆蓋，就需要認真設計隧道進出口處與室外宏蜂窩的軟切換。隧道進出口處最好處于一個宏基站的主服務區內，這樣切換關系必將簡單。

五、山區公路的覆蓋方案分析

山區公路無線覆蓋的挑戰性較大，其特點可概括如下：

山區公路及沿路居民點有全覆蓋要求，但話務量低；

信號傳播受山區地形阻擋，覆蓋的盲區多，覆蓋難度增大，普通的基于基站的線性覆蓋方案難以達到經濟有效的全覆蓋目標；

WCDMA容量顆粒度較大，難以象G網一樣靈活配置；

傳輸配套條件一般。

根據山區公路的地形地貌特點及其對無線環境的非凡要求，有效地解決山區公路及沿路居民點的盲點覆蓋是無線設計的要害，一般有以下三種解決方案：

1.基于增加基站覆蓋山區盲點的方案

此方案是依靠增加站點，達到盲點覆蓋的效果，其優缺點如下：

優點