3G室內分布系統分析

摘要　文章針對部署3G網(wǎng)絡(luò )的重要內容——室內分布系統建設，對分布系統信源選擇、傳輸介質(zhì)選擇等幾種主要策略進(jìn)行了評估，并就多系統共用2G室內分布系統在覆蓋和容量的統籌考慮，以及合路器、饋線(xiàn)等分布系統器件的共用和更新等問(wèn)題提出了一些建設性的意見(jiàn)。

　　目前，國外的3G運營(yíng)商充分認識到室內分布系統的重要性，紛紛投入了大量的人力物力進(jìn)行室內覆蓋的研究和建設。由于我國還沒(méi)有真正意義上的3G商用網(wǎng)絡(luò )，因此在3G室內覆蓋方面尚處于探索階段。

　　在本文中，筆者根據從事移動(dòng)通信規劃的經(jīng)驗，就3G室內覆蓋的主要問(wèn)題進(jìn)行了分析，這包括分布系統信源的選擇、傳輸介質(zhì)的選擇以及多系統共用2G室內分布系統等，并結合韓國SKT、香港SUNDAY等已經(jīng)建立3G網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)運營(yíng)商在實(shí)際網(wǎng)絡(luò )建設中的相關(guān)措施和經(jīng)驗，得出了一些結論。

1、室內覆蓋的重要意義

　　與目前2G網(wǎng)絡(luò )主要業(yè)務(wù)量來(lái)自于室外的情況不同，3G網(wǎng)絡(luò )的主要業(yè)務(wù)量來(lái)自于室內。根據香港SUNDAY對業(yè)務(wù)數據的采集結果可知，3G業(yè)務(wù)的室內發(fā)話(huà)量占總發(fā)話(huà)量的一半以上。而NTT DoCoMo的3G商用網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)分布統計數據顯示，大約70%的業(yè)務(wù)量來(lái)自于室內。3G商用網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)分布統計分析見(jiàn)圖1，而其室內話(huà)務(wù)量明細見(jiàn)圖2。




圖1　3G商用網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)分布統計分析




圖2　室內話(huà)務(wù)量明細

　　因此，提高室內覆蓋能力，不僅可以給用戶(hù)帶來(lái)更好的業(yè)務(wù)使用體驗，還可以分散過(guò)密地區的網(wǎng)絡(luò )壓力，更可以與其他運營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò )爭奪室內話(huà)務(wù)量?？梢钥隙ǖ氖?，室內覆蓋的完善是3G取得成功的關(guān)鍵因素之一。

　　但是，由于3G工作在超短波頻段，而且電波繞射能力差，穿透損耗較大，因此網(wǎng)絡(luò )的深層次覆蓋存在著(zhù)缺陷。和目前的2G網(wǎng)絡(luò )相比，3G網(wǎng)絡(luò )會(huì )有更多弱信號區出現，特別是在建筑物內部，更是存在著(zhù)盲區多、易斷線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )表現不穩定的缺點(diǎn)。韓國最大的移動(dòng)通信運營(yíng)商SKT根據網(wǎng)管數據和每年進(jìn)行的兩次全國性用戶(hù)問(wèn)卷調查，以及處理用戶(hù)投訴結果，得出了一個(gè)結論：大部分服務(wù)質(zhì)量差的位置都在室內，而大部分投訴正是因為用戶(hù)對此不滿(mǎn)而產(chǎn)生的。因此，3G需要比2G更早、更全面地部署室內覆蓋。

　　目前，各主要移動(dòng)通信運營(yíng)商對于室內覆蓋建設的戰略意義有著(zhù)非常清晰的認識，在建設上也是不遺余力。截至2005年第三季度，NTT DoCoMo將30%的基站資源用于室內覆蓋，規模達到了3800個(gè)室內分布系統。而且根據計劃，NTT DoCoMo的室內覆蓋建設力度還會(huì )繼續加大。

　　在3G網(wǎng)絡(luò )建設計劃中，我國移動(dòng)運營(yíng)商對室內覆蓋予以了高度的關(guān)注，明確提出了這樣的覆蓋目標：要在1～2年的時(shí)間內，使3G室內覆蓋達到3G覆蓋區內現有2G的室內覆蓋水平。這個(gè)愿望是良好的，目標也是正確的，但是具體實(shí)施起來(lái)仍然有很多問(wèn)題需要解決。下面就一些主要問(wèn)題展開(kāi)討論。

2、3G室內分布系統信號源選擇

　　按照信號來(lái)源，室內覆蓋解決方案可劃分為宏蜂窩基站、微蜂窩基站、射頻拉遠基站和直放站等。

　　目前，國內2G網(wǎng)絡(luò )使用最多的室內覆蓋方法是宏蜂窩基站加定向天線(xiàn)，該方法主要用于建筑物密封性較差或者建筑物較稀的地方，實(shí)現方式是將天線(xiàn)直接對準目標建筑物覆蓋，并采用窄水平半功率角寬垂直波瓣的天線(xiàn)和適當的天線(xiàn)輸出功率，優(yōu)點(diǎn)是室外宏蜂窩基站可以同時(shí)提供覆蓋區域內的室內覆蓋，網(wǎng)絡(luò )資源可以同時(shí)為室內和室外的用戶(hù)服務(wù)；缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，該方法不能確保建筑物內部的完全覆蓋，也不能提高頻率復用度。

　　在3G網(wǎng)絡(luò )中，宏蜂窩方式的使用可能會(huì )減少。如前所述，3G網(wǎng)絡(luò )中相當的業(yè)務(wù)量產(chǎn)生于室內，而作為3G特色的高速數據業(yè)務(wù)要求的接收機靈敏度要高于話(huà)音業(yè)務(wù)，如果仍然使用室外宏基站來(lái)確保室內的覆蓋質(zhì)量，則必然會(huì )減小室外基站的站距，從而增加室外站的數量；另外，由于高層有比較嚴重的導頻污染，如果高大建筑物的高層部分由室外宏基站提供服務(wù)，那么用戶(hù)將接收到來(lái)自于周?chē)驹O備產(chǎn)生的多個(gè)強干擾，此時(shí)，用戶(hù)如果想通話(huà)，則終端需要更大的功率，也就意味著(zhù)將會(huì )產(chǎn)生更多的干擾，從而導致整個(gè)系統通信質(zhì)量下降。

但是，某些特定環(huán)境確實(shí)需要通過(guò)室外基站來(lái)實(shí)現室內覆蓋。香港的SUNDAY在3G室內覆蓋方面遇到的問(wèn)題比較有代表性。香港高樓林立(每平方公里平均630棟高樓，平均樓高45米)，與業(yè)主談判難度大，周期長(cháng)，租賃成本高。作為香港最小的移動(dòng)運營(yíng)商之一，SUNDAY根本無(wú)力在大部分高樓里建設室內分布覆蓋系統。因此，在保證重點(diǎn)建筑室內覆蓋的基礎上，SUNDAY在絕大多數情況下都是采用室外基站+定向天線(xiàn)的方式來(lái)實(shí)現室內覆蓋的。其中：

　　(1)高層室內覆蓋往往是通過(guò)上傾扇區和更寬的垂直面波束的小天線(xiàn)來(lái)實(shí)現的。

　　(2)底層室內覆蓋則往往是利用小天線(xiàn)低下傾的方式來(lái)完成的。

　　作為一種不得已的做法，室外基站加定向天線(xiàn)的室內覆蓋效果并不理想，這種方式不能完全解決信號盲區、弱區的問(wèn)題，更重要的是，它會(huì )給后續的網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化工作帶來(lái)很大的壓力。因此在國內，另外三種方式很可能會(huì )在3G室內覆蓋方面獲得更加廣泛的應用，下面分別進(jìn)行闡述。

　　(1)微蜂窩加室內信號分布方式。該方式采用獨立的基站系統，可以獨立承載話(huà)務(wù)量，并能分擔宏小區話(huà)務(wù)。該方式雖然需要傳輸和供電設備，但是實(shí)施簡(jiǎn)單，無(wú)需機房資源，更重要的是能夠提供更多的網(wǎng)絡(luò )資源，可以靈活結合具體室內分布系統來(lái)實(shí)現室內覆蓋。因此，該方式通常應用于面積比較大或者人流量比較大、話(huà)務(wù)量比較高的室內覆蓋。該方式也是目前SKT主要的室內覆蓋解決方案之一。

　　(2)射頻拉遠基站采用室內/室外混合覆蓋。該方式的優(yōu)點(diǎn)在于建設成本低，室外基站的基帶部分可以同時(shí)處理室內和室外的話(huà)務(wù)量，無(wú)需嚴格的機房和建站條件，同時(shí)可靈活地結合具體的室內覆蓋系統，并且配置和實(shí)施十分靈活。缺點(diǎn)在于要仔細核算基站的基帶所能承載的處理能力，同時(shí)遠端無(wú)線(xiàn)接入設備需要獨立的傳輸和供電設備。

　　SKT正在積極嘗試該方法。SKT通過(guò)采用相當數量的基站耦合方式，利用光纖加干放拉遠解決室內覆蓋，在全國共部署600多個(gè)點(diǎn)，效果很好。

　　(3)直放站加室內信號分布方式。該方式實(shí)施簡(jiǎn)單，但因為沒(méi)有提供新的網(wǎng)絡(luò )資源，該方式適用于話(huà)務(wù)量較低的建筑。同時(shí)，它還需要保證直放站接收和發(fā)射天線(xiàn)之間的隔離度。對于地下室、停車(chē)場(chǎng)等強調覆蓋而非容量的建筑，直放站是不錯的選擇。

　　從國內部分移動(dòng)運營(yíng)商的建設方案可以看出，直放站將成為解決室內覆蓋的重要手段之一：對于無(wú)法利用室外基站信號達到良好室內覆蓋的有價(jià)值的公共場(chǎng)所，直放站的使用比例一般會(huì )在50%以上，很多地市甚至計劃全部采用直放站的方式來(lái)解決室內覆蓋。

　　需要指出的是，直放站干擾是困擾我國移動(dòng)運營(yíng)商的主要問(wèn)題之一，從某種意義上說(shuō)，直放站是一把雙刃劍。但是，從SKT使用的案例中我們可以看到，如果使用的方法科學(xué)，直放站對基站的影響并不是很大。一般情況下，SKT使用小功率的直放站實(shí)現室內覆蓋，而對于大功率的射頻直放站、光纖直放站，SKT認為并不適用于室內覆蓋。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò )部署中，SKT在全國范圍內的直放站超過(guò)10萬(wàn)個(gè)，其中光纖直放站約5000個(gè)，大部分用于室外覆蓋，僅80個(gè)用于室內，其中大部分還是針對不能安裝基站的大型住宅區；射頻直放站約10萬(wàn)個(gè)，99%為500mW的小型自適應小功率直放站，主要用于地下停車(chē)場(chǎng)、咖啡廳、辦公室、小商鋪以及臺球廳等覆蓋面積比較小的場(chǎng)所。SKT還經(jīng)常使用手掌大小的增益為0dB的直放站，用于解決某些公寓區中單家庭的服務(wù)質(zhì)量不良的問(wèn)題。

　　綜上所述，室內分布系統的信源選擇需要綜合考慮建筑物的覆蓋、容量和周?chē)W(wǎng)絡(luò )環(huán)境等關(guān)鍵因素，一般應該遵循如下原則：

　　◆對于低話(huà)務(wù)密度、小規模覆蓋且較為封閉的場(chǎng)景，優(yōu)先選用直放站作為信號源，這樣可以充分利用室外宏基站的容量。

　　◆對于中等話(huà)務(wù)密度和中等覆蓋規模的場(chǎng)景，優(yōu)先選用微蜂窩作為信號源。

　 ◆對于高話(huà)務(wù)密度和大覆蓋規模的場(chǎng)景，優(yōu)先選用射頻拉遠模塊作為信號源。

3、3G室內分布系統的射頻信號傳輸介質(zhì)選擇

對于已有2G室內分布系統的建筑，2G和3G共用室內分布系統的比例一般將會(huì )在70%以上，某些地市甚至將會(huì )超過(guò)90%。2G和3G共用室內分布系統的最大優(yōu)勢，就在于可以減少網(wǎng)絡(luò )的重復建設投資和多次工程帶來(lái)的不便和危險。根據筆者測算，近兩年建設的分布系統，共用分布系統需更換的設備的投一般不高于20%，節省下來(lái)的投資相當可觀(guān)。

　　此外，在2G室內覆蓋的區域應盡量減少與GSM間的系統切換，這就要求3G網(wǎng)絡(luò )覆蓋要做到與原有的2G網(wǎng)絡(luò )信號覆蓋相同。最經(jīng)濟實(shí)用的方法是采用共用室內分布系統。

　　下面將就多系統如何共用室內分布系統進(jìn)行闡述。3G室內分布系統按射頻信號傳輸介質(zhì)來(lái)劃分，可分為同軸電纜分布、光纖分布和泄漏電纜分布等方式。根據中繼方式的不同，可分為無(wú)源分布系統和有源分布系統。針對不同的建筑物，應選擇不同的解決方案。同軸電纜分布的優(yōu)點(diǎn)是成本低，設計方案靈活，易于維護，可兼容多種移動(dòng)通信系統，缺點(diǎn)是覆蓋范圍受同軸電纜傳輸損耗的限制。光纖分布的優(yōu)點(diǎn)是傳輸損耗低，易于設計和安裝，可兼容多種移動(dòng)通信系統，缺點(diǎn)是遠端模塊需要供電。泄漏電纜分布的優(yōu)點(diǎn)是信號強度均勻，缺點(diǎn)則是安裝要求十分嚴格，每隔1米就要求裝一個(gè)掛鉤，懸掛起來(lái)時(shí)電纜不能貼著(zhù)墻面，而且至少要與墻面保持2厘米的距離，這不但會(huì )影響環(huán)境的美觀(guān)，而且價(jià)格是普通電纜的2倍。這些分布方式的系統組成可以是某種單一的傳輸介質(zhì)，也可以是多種介質(zhì)的靈活組合。這些組成方式也就是室內分布系統的功率分配方式的表現形式。

　　(1)根據覆蓋面積選取合適的分布系統
　　例如，對于覆蓋面積較大、需布放較多天線(xiàn)的場(chǎng)景，可根據實(shí)際情況選用有源分布系統或光纖分布系統。
　　(2)根據建筑結構選取合適的分布系統
　　例如，對于建筑物內部結構簡(jiǎn)單、墻體屏蔽較小、樓層較低但建筑物較為分散的場(chǎng)景優(yōu)先選用光纖分布系統；而對于建筑物內部結構狹長(cháng)的特別區域，可選用泄漏電纜分布系統。
　　(3)根據信源方式選取合適的分布系統
　　對于信源方式為小功率直放站或微/宏蜂窩的場(chǎng)景，優(yōu)先選用有源分布系統；對于信源方式為中功率直放站和大功率直放站的場(chǎng)景，優(yōu)先選用無(wú)源分布系統。

4、2G和3G的室內分布系統共用

4.1　覆蓋和容量的統籌考慮

　　一方面，應根據共用室內分布系統的各無(wú)線(xiàn)通信系統的情況，盡量滿(mǎn)足覆蓋和容量的要求。例如，考慮到3G在室內的鏈路損耗一般比GSM900大8dB～12dB，所以一般需要增加一定數量的天線(xiàn)點(diǎn)，以滿(mǎn)足3G覆蓋和容量的要求。
　　另一方面，由于CDMA網(wǎng)絡(luò )是自干擾系統，室內分布系統的信號泄漏容易造成對室外信號的干擾，容易導致室外用戶(hù)選用室內信號，使軟切換增多，從而影響室外的掉話(huà)率，同時(shí)過(guò)多的軟切換也會(huì )浪費系統的容量。
　　因此，在設計3G室內分布系統時(shí)，要采用多天線(xiàn)、小功率的方法，減少室內天線(xiàn)的輸出電平，以控制信號泄漏電平；其次，在設計時(shí)應加強模擬測試，對泄漏問(wèn)題增強預知性；在靠近窗戶(hù)、門(mén)口等邊緣區域，應采用方向性較好的定向天線(xiàn)，以減少信號的泄漏。

　　4.2　分布系統器件的共用或更新

　　3G與2G共用室內分布系統，對原有系統的改動(dòng)除了要考慮電源和傳輸外，還需考慮以下問(wèn)題：

　　(1)室內分布式系統的寬帶部件，如饋纜、接頭部件，應滿(mǎn)足3G使用頻段的需求。各樓層分布式天線(xiàn)、耦合器、功分器、合路器也要支持3G使用頻段。

　　目前，我國主要的室內分布系統包括GSM900MHz、CDMA800MHz、PHS等，對現有2G室內分布系統進(jìn)行改造時(shí)，不僅要滿(mǎn)足3G的要求，還應兼顧WLAN的發(fā)展需要。這就要求改造后的室內分布系統支持885MHz～2500MHz的工作頻率范圍：

　 ◆在基站設備接入端增加雙工合路器，以保證系統間隔離度的要求。

　　◆部分系統原有的分布饋線(xiàn)為細饋線(xiàn)，信號傳輸損耗大，可能需要更換為粗饋線(xiàn)或光纖分布。

　　(2)現有的GSM室內分布系統使用的饋線(xiàn)大多為8D/10D/1/2，2000MHz與900MHz的損耗相差較大。工程中，1.9GHz頻率以上一般不采用8D和10D饋線(xiàn)，建議饋線(xiàn)改造按以下要求：

　　◆原有GSM分布系統的平層饋線(xiàn)中，長(cháng)度超過(guò)5m的8D/10D饋線(xiàn)需更換為1/2饋線(xiàn)，主干饋線(xiàn)中不要使用8D/10D饋線(xiàn)；

　　◆原有GSM分布系統平層饋線(xiàn)中，長(cháng)度超過(guò)50m的1/2饋線(xiàn)均需更換為7/8饋線(xiàn)，主干饋線(xiàn)中長(cháng)度超過(guò)30m的1/2饋線(xiàn)，均需更換為7/8饋線(xiàn)；

　　◆考慮到進(jìn)行饋線(xiàn)改造所產(chǎn)生的饋線(xiàn)與接頭的成本控制的問(wèn)題，更換下來(lái)的1/2饋線(xiàn)與接頭可以用于更換8D/10D饋線(xiàn)；

　　◆由于有源器件無(wú)法共用，需要增加雙工分路器、干放、雙工合路器及多頻段合路器等。

　　(3)近兩年建設的2G室內分布系統，很多都已經(jīng)充分考慮了與3G共用的問(wèn)題，所以在3G的室內分布系統建設中，只需增加以下部件：

　　◆信號源可以是蜂窩基站、遠端射頻單元或直放站；

　　◆至少增加等量的3G干線(xiàn)放大器、多頻合路器和分路器，并且增加一個(gè)干線(xiàn)放大器和兩個(gè)相應的多頻合路器；

　　◆根據原有天線(xiàn)的距離，適當改變天線(xiàn)的位置。

　　需要在此處指出的是，改造室內分布系統最主要的工作之一，就是選用能夠滿(mǎn)足系統間隔離度要求的合路器。這是因為系統間干擾的主要類(lèi)型包括發(fā)射機雜散、接收機阻塞、互調干擾等。前兩種干擾可以通過(guò)增加系統間隔離度來(lái)減小干擾，而互調干擾則復雜一些，需要避免使用有源放大器件，還需要保證合路器的無(wú)源互調抑制指標。這就對合路器的性能提出了非常嚴格的要求。

5、結束語(yǔ)

　　業(yè)務(wù)量分布的特點(diǎn)和3G頻段的特性，使3G的室內覆蓋問(wèn)題處在了非常重要的位置。一方面，已經(jīng)部署了3G商用網(wǎng)絡(luò )的NTT、SKT等運營(yíng)商在這方面取得的經(jīng)驗，值得國內移動(dòng)運營(yíng)商學(xué)習和借鑒。另一方面，我國移動(dòng)運營(yíng)商應該充分利用在2G時(shí)代積累起來(lái)的優(yōu)勢資源。本文從上述兩個(gè)角度出發(fā)，對3G室內分布系統建設的一些重要內容進(jìn)行了闡述，并結合筆者在規劃設計方面的經(jīng)驗，提出了一些建設性的觀(guān)點(diǎn)，希望對從事相關(guān)研究的人們有所啟發(fā)。