综合室内分布系统设计.docx

WCDMA综合室内分布系统设计1、前言 3G的魅力在于高速数据与多媒体业务，而视频电话、视频流、游戏等高速数据业务一般都发生在舒适的室内环境中，这些业务功能都需要较大的系统容量和良好的网络质量。3G时代60%-70%的数据业务将发生在室内，如欧美国家和中国香港地区的统计显示室内移动电话话务量约占总话务量的1/3；日本NTT DoCoMo的调查发现3G用户的室内使用量占到了70%，而室外使用量只有30%。解决室内覆盖的主要方法是建设室内覆盖分布系统，室内分布系统的基本原理是将室外信号通过有线方式引入到室内，再通过小型天线将信号发送出去，从而提高室内覆盖水平。3G时代建设室内分布系统目的不仅仅是为了解决建筑物内部的信号盲区、弱区，解决建筑物内部信号杂乱造成的通话质量差，分担室内话务量改善网络拥塞，也是企业战略发展的需要。WCDMA是3G三大主流技术之一，WCDMA室内分布系统的建设将是未来的一个热点，本文将重点探讨室内分布系统的设计问题。 射频综合室内分布系统主要包括信号源、天馈信号分布系统。由于CDMA制式是自干扰系统，所以室内外系统规划、设计与2G系统有很大不同。对于WCDMA系统，室外宏蜂窝主要是下行容量受限即功率受限。而室内分布系统则是上行容量受限，其主要原因有两点。一是WCDMA室外宏基站基本为一发二收，可以有效提高上行接收灵敏度，而室内分布系统无接收分集导致上行受限；二是室内过多的天线也导致干扰增大，影响了系统容量。 下面针对室内分布系统建设中的几个主要问题进行具体分析。 2、链路预算 在进行链路预算时，首先是链路模型的选择，室内传播模型主要有以下5种：衰减因子模型、Motley经验公式、对数距离路径损耗模型、Ericsson多重断点模型及射线跟踪模型。 在选择传播模型时需要注意传播模型的适用范围和各参数意义。目前用的最多的是室内衰减因子模型。计算公式如式（1）所示。 （1） 其中： L（do）：距离天线口1 m处自由空间损耗； a：不同室内环境的衰减因子； F：隔墙损耗； d：传输距离。 对于WCDMA室内分布系统，一般采用导频信号强度和主导频Ec/Io衡量网络覆盖情况。WCDMA室内分布系统设计采用导频功率进行链路预算，CPICH（公共导频信道）、SCH（同步信道）和CCPCH（公共控制物理信道）分配固定的功率，DPCH（专用物理信道）发射功率按需分配，一般情况下导频功率约为总功率的10%，其他同步信道功率及控制信道功率大约为10%。以10 W信源为例，导频功率约为30 dBm。WCDMA室内分布系统设计时。边缘覆盖场强的设计需要综合考虑业务覆盖需求和无线环境情况：数据速率越高，CPICH Ec/Io要求越高；无线环境越复杂，干扰越严重，边缘场强要求越高。一般情况下，高速数据业务覆盖范围比语音业务覆盖范围要小，为保证高速数据业务的覆盖，需要更高的发射功率。WCDMA室内分布设计与室外规划类似，需要结合业务需求和无线情况决定边缘设计场强。一般情况下，要求目标覆盖区域内95%以上位置，导频信号强度-90 dBm，导频Ec/Io-12 dB（50%负载）。业务类型与典型CPICH Ec/Io要求见表1，对于部分区域如果要满足384 kbit/s业务要求，则相应要提高CPICH Ec/Io。 表1业务类型与典型CPICH Ec/Io要求3、信源的选择 室内分布系统信源的选择主要取决于室内分布系统未来的话务量需求，需要综合考虑室内分布潜在的话务需求和室外基站的话务余量。如果采用直放站作为信源，一般情况下忙时室内话务总量不要超过室外施主基站的1/3。WCDMA典型区域各种类型业务的容量见表2，在选择施主基站时需要综合考虑室内外话务情况。 表2WCDMA典型区域各种类型业务的容量（下行加载50%） 在信源使用上应注意以下几点： 采用直放站信源时为降低干扰，在光缆资源许可条件下，优先选用光纤直放站。 对于无线直放站信源，首选主导频所在的基站小区为信源点，一般要求最强CPICH Ec/Io-7 dB，最强CPICH RSCP（接收信号码域功率）大于-65 dBm。 室内覆盖站点与信源点基站的光纤直线距离一般应小于1 km，考虑到光纤路由成本及基站小区邻区配置的复杂性，优先选择光纤路由短的基站小区作为接入信源。 施主基站的选择需要兼顾原覆盖小区的容量和覆盖需求。采用宏基站做信源的室外小区，每个宏基站原则上只为1至2个室内覆盖站点提供信源，最多不要超过3个，防止施主基站底噪的快速抬升（室外覆盖主要有宏蜂窝和微蜂窝。如果用于室内覆盖其容量必须有一定冗余，因此，一般情况下不会在微蜂窝基站下接无线直放站）。 若室内覆盖站点附近的基站小区话务量均比较高（原则上大于40 Erl）或已为多个站点提供信源，则考虑选用微蜂窝设备作为信源。 在话务量繁忙（如繁华商业区）且欲覆盖站点多的区域，可考虑建设专用于室内覆盖的宏基站（一般将专门用于解决室内覆盖的宏基站称为专建基站，该基站不做室外覆盖）作为室内覆盖的信源点，原则上每个专建基站的小区可为1至3个室内覆盖站点提供信源。 为降低今后的维护、运营成本，在满足覆盖质量要求和投资预算的前提下，尽量减少干线放大器的使用数量。 在信源容量满足室内覆盖要求前提下，可以采用干线放大器扩大覆盖面积，但不建议串联使用，并联使用时建议每个信号源所带干线放大器不超过5台。 4、系统间干扰的分析 多系统共用室内分布系统最重要的问题是系统间干扰的控制，抑制干扰的主要方法是增加频带隔离、降低干扰源功率或增加空间隔离。对于室内分布系统降低干扰的主要方式是增加频带隔离和增加系统隔离度。目前主要的移动/无线通信系统工作频段见表3。 表3主要的移动/无线通信系统工作频段 目前系统间干扰主要有杂散干扰、互调干扰及阻塞干扰，要解决干扰问题需要遵循3条基本原则1： 对于杂散干扰，被干扰基站从干扰基站接收到的寄生辐射信号强度应比它的接收机噪声基底低10 dB。 对于互调干扰，在被干扰基站生成的三阶互调干扰（IMP3）电平应比接收机噪声基底低10 dB。 对于阻塞干扰，被干扰站从干扰站接收到的总载波功率应比接收机的1 dB压缩点低5 dB。 一般情况下杂散是最严重的系统间干扰，如果能够满足第一条原则，其他两条也可满足。从表3可以看出，WCDMA上行（1920-1 980 MHz）与CDMA1900下行（1 980-1 985 MHz）相邻，两者相互干扰影响最严重，因此以这两者干扰为例分析系统隔离度要求。 假设WCDMA与CDMA1900共用室内分布系统，需要采取一定的措施避免CDMA1900系统下行对WCDMA系统上行的干扰。下面以12.2 kbit/s语音业务为例进行分析。 假设：1 900 MHz CDMA信源带外杂散为Ic=-67 dBm/100 kHz；WCDMA基站热噪声密度为-174 dBm/Hz，基站接收机噪声系数为5.0 dB，干扰余量为3.0 dB，所需Ec/Io为5 dB：合路器隔离度为A；WCDMA系统能允许的最大杂散干扰Iw-max，计算过程如下： 根据参考文献1，杂散规避准则可以表述为“为保证良好的系统性能，不同系统应有一定的隔离度。对于杂散干扰。被干扰基站从干扰基站接收到的寄生辐射信号强度应比它的接收机噪声基底低10 dB，那么被干扰基站的接收灵敏度下降低于0.5 dB"。如式（2）所示。 Iw-maxLc-A （2） 其中：Iw-max为WCDMA系统所允许的最大杂散干扰；Lc为接收机噪声基底；A为杂散隔离度要求，一般为10 dBm。 处理增益为：10lg3.84 Mbit/s/12.2 kbit/s=25 （dB）（3） 接收机噪声功率为：-174+5=-169（dBm/Hz）（4） 3.84 MHz带宽内接收机噪声功率为：-169+10lg3.84+60=-103.2（dBm）（5） WCDMA接收机的灵敏度（即无干扰条件下接收机噪声基底）为：-103.2-25+3+5=-120（dBm）（6） 所允许的最大杂散干扰为：Iw-max=-120-10=-130（dBm） CDMA1900信源频带外杂散干扰为-67 dBm/100 kHz，则其在WCDMA频带内的杂散干扰为-67+10lg38.4=-51.2（dBm）。 因此，所需隔离度为：-130-（-51.2）=-78.8（dB）。 5、天线的布放 室内分布系统的天线布放虽简单但重要，是设计的关键点。一般遵循“小功率，多天线”的原则，保证信号均匀覆盖整个目标建筑物。采用小功率的优点是信号易于控制，辐射小，对外干扰小；缺点是会提高整个室内覆盖系统的总造价，因此需要在布放原则和经济性之间寻找最佳平衡点。由于室内传播环境的复杂性，所以进行天线布放前进行模拟测试。天线的布放与建筑物结构紧密相关，需要根据模拟测试效果选择天线布放位置，同时考虑不同楼层结构的差异性。模拟测试需要重点注意以下几点： 若建筑物包含不同类型的楼层/区域结构，应对每一种结构分别进行模拟测试。 每一种建筑结构类型都应给出模拟测试天线的具体位置以及相应的目标覆盖区域，目标覆盖区内所选的测试点必须具有代表性。 目标覆盖区内模拟测试点应包括建筑物边缘及纵深区域。 为降低干扰，提高容量，应对相邻天线交叠覆盖区域内的模拟测试点进行分析。WCDMA与GSM共享室内分布系统设计截至2005年8月底，我国移动用户数已达到3.73亿，占全球移动用户总数的20%以上。与此同时，尽管中国3G牌照发放形式、数量和时间表仍然扑朔迷离，但是3G的脚步已越来越近却是勿庸置疑的。    根据NTTDoCoMo3G运营统计数据：70的话务发生在室内；且3G带来的高级业务也绝大多发生在室内。所以3G室内覆盖将是3G运营商品牌形象的重要体现，同时也是3G运营商吸引用户的重要手段。    GSM/WCDMA共享室内分布系统，作为一种既可以节省投资又能够快速建网的3G室内覆盖建设方法，时下正成为3G网络建设研究的一大热点。    2  可行性分析    多系统共享室内分布系统是指在2G、3G等多系统共存的室内覆盖中采用宽频合路器等手段来实现室内分布天馈部分的共享。    2.1GSM/WCDMA共享室内分布系统存在的主要问题    引入合路器，以及共享天馈线系统会带来一些问题：    （1）无源器件问题    在GSM/WCDMA共享室内分布系统中，所有无源器件工作频率必须要涵盖GSM和WCDMA工作频段。    （2）有源器件问题    由于不同制式系统工作方式不同，且存在相互干扰的可能，因此有源器件部分无法共用。在GSM/WCDMA共享室内分布系统中，各系统间有源器件需相互独立。    （3）功率损耗差异问题    在GSM/WCDMA共享室内分布系统中，由于GSM、WCDMA工作频段不同，无论是在天馈线还是在自由空间传输时都存在功率传输损耗差异。    （4）合路器插损问题    在GSM/WCDMA共享室内分布系统中，由于系统合路时必须在天馈系统中插入双频或多频合路器，该器件接入将造成一定的信号功率的损耗。    （5）系统间相互干扰问题    在多系统共享室内分布系统中，边带、杂散、互调等噪声都会引起多系统间的相互干扰。同样，在GSM/WCDMA共享的室内分布系统中也必然存在相互的干扰，能否将干扰控制在一个可以接受的程度内从而使得各系统协调共存至关重要。    2.2GSM/WCDMA共享室内分布系统的可行性分析    针对以上所述的问题，下面逐条进行可行性分析：    （1）无源器件问题    在GSM/WCDMA共享室内分布系统中，GSM900使用的频段为上行890MHz915MHz，下行935MHz960MHz；GSM1800使用的频段为上行1710MHz1785MHz，下行1805MHz1880MHz；WCDMA使用的频段为上行1920MHz1980MHz，下行2110MHz2170MHz。因此，系统所用室内天线及无源器件工作频带必须涵盖800MHz2500MHz。目前，大多数厂家都能提供。已有GSM室内分布系统的无源器件假如不支持多系统的工作频带，在引入WCDMA系统时，必须对原有室内分布系统进行改造，将无源器件更换为宽频器件。    （2）有源器件问题    在GSM/WCDMA共享室内分布系统中，有源器件主要指的是干线放大器。对于有源器件无法共用的问题，一般有两种方法来解决。    第一种：通过增加多个宽频合路器（同时也可以做分路器）的方法规避，如图1所示：    图1  增加合路器法规避有源器件的共用    这种方法首先使用宽频合路器把信号分开（对于下行是分路，对于上行是合路），通过各自的放大器进行信号放大，然后再通过宽频合路器进行合路（对于下行是合路，对于上行是分路），从而避免了有源器件的共用问题。    第二种：通过调整共享接入点的方法规避，如图2所示：    图2  调整共享接入点法规避有源器件的共用    这种方法通过调整GSM/WCDMA共享接入点，即在各系统的干线放大器之后合路，使得不同的系统分别独立地的进行信号放大，从而避免了有源器件的共用。    （3）功率损耗差异问题    在GSM/WCDMA共享室内分布系统中，可以根据实际情况，通过对信号源与干线放大器的功率调整，以及精心选择共享接入点，保证各系统的边缘场强要求。    （4）合路器插损问题    在GSM/WCDMA共享室内分布系统中，合路器插损问题可以与功率设计问题联合考虑，一般可以通过调整天馈系统的输入信号电平弥补。    （5）系统间相互干扰问题    在GSM/WCDMA共享室内分布系统中，由于两个系统的工作频带间隔较远，边带噪声的影响可以不考虑；另一方面，由于实际系统中很难将互调噪声和杂散噪声严格区分，按照惯例，这里将互调也归入到杂散噪声一类。    对于杂散干扰，需要采用满足隔离度要求的合路器来解决。根据3GPP协议要求，WCDMA系统对GSM系统隔离度达到30dB以上时，WCDMA系统不会对GSM系统产生干扰；而根据3GPP规定的GSM系统的杂散辐射限值，可计算得到GSM系统对WCDMA系统的隔离度要求则为90dB。这个结果是完全按照协议规定的指标计算出来的，但测试结果表明：在杂散指标上实际设备均有较大的余量M(典型值为30dB)。因此，工程中GSM系统对WCDMA系统的隔离度要求为（90-M）dB。    根据以上分析，在GSM/WCDMA共享室内分布系统中，合路器的隔离度要求为（90-M）dB。如上面所说，余量M典型值为30dB，所以GSM/WCDMA共享室内分布系统中合路器的隔离度要求的典型值为60dB。在GSM/WCDMA的频率间隔内，实现隔离度为60dB同时保证较小的带内插损（0.6dB）的合路器是不难做到的。目前大多数厂家都能提供GSM900/WCDMA端口间隔离度80dB，GSM1800/WCDMA端口间隔离度60dB的合路器。而当余量M小于30dB，对合路器的隔离度要求有所提高，以至于这样的合路器难以实现或成本过高时，也可以考虑在GSM设备输出端口增加带限滤波器以满足整体的隔离度要求。    综上分析可知：GSM/WCDMA共享室内分布系统在前文所述的无源器件工作频率、有源器件共用、功率损耗差异、合路器插损、系统间相互干扰等问题上都可以得到解决，因此GSM/WCDMA共享室内分布系统是可行的。    3  系统设计    3.1WCDMA与GSM室内分布系统比较    WCDMA与GSM室内分布系统比较如表1至表5所示：    3.2WCDMA室内分布系统工程技术指标建议    （1）一般区域导频功率90dBm，导频EC/IO-12dBm(50%负载)；    （2）重点区域导频功率-85dBm，导频EC/IO-8dBm（数据业务或语音密集区域）；    （3）电梯或地下室区域导频功率-100dBm，导频EC/IO-15dBm（数据业务或语音密集区域）；    （4）外泄电平：室外10米处导频功率-95dBm；    （5）用户业务模型    话音业务12.2k：忙时每用户0.02Erl；    数据（分组）业务64k：忙时每用户0.002Erl；    分组业务忙时下行链路每用户数据吞吐量为250bps，上行链路每用户数据吞吐量为62.5bps；    （6）无线信道呼损率取定为2%；中继电路呼损率取定为0.5%；    （7）统计指标：掉话率1.5%，呼叫建立成功率94%，切换成功率94%。    3.3GSM/WCDMA共享室内分布系统设计    （1）GSM/WCDMA共享室内分布系统设计的总体原则    性能优先    确保原有GSM网络在改造后能达到覆盖效果；    确保原有网络在改造后不受WCDMA网络干扰；    确保新建WCDMA网络覆盖、质量和容量；    确保原有网络不干扰WCDMA网络。    利旧原则    尽量利用原有系统的设备、器件，控制改造成本；    尽量采用原有GSM系统的设计思路。    （2）典型的设计方案    共用总线型    把GSM、WCDMA信号源通过定制的合路器进行合并，经主干路由耦合分配功率，再通过支持相应频宽的分布式天馈系统进行室内覆盖；在功率弱时，使用合路器对信号进行分路，经干放放大、合路进行覆盖，如图3所示：    图3  共用总线型方案    该设计方案特点：系统能量分配预算按衰耗最大的系统进行设计，设计预算简单；GSM、WCDMA功率放大设备需在合路器合路前进行功率适当匹配，才能达到同样的覆盖效果合覆盖范围；在无须或者暂时无法开通WCDMA的室内分布系统中，可将多频合路器中的接口用负载暂时代替；在引入功率放大设备时，为防止系统间干扰，需进行信号分离，系统升级成本较高，增加工程改造难度；为使WCDMA达到覆盖效果，会浪费一部分GSM系统功率，设备功率资源利用不充分。    独立总线型    参照GSM室内覆盖主干路由路径，WCDMA信号源经独立的主干路由，在各覆盖“分区”接点，通过合路器，接入原GSM室内覆盖系统进行覆盖。必要时在接入前，加装功率放大器。如图4所示：    图4  独立总线型方案    该设计方案特点：系统能量分配预算按照GSM、WCDMA系统损耗独立设计，设计预算简单；GSM、WCDMA功率放大设备需在合路器合路前进行功率适当匹配，才能达到同样的覆盖效果和覆盖范围；在无须或者暂时无法开通WCDMA的室内分布系统中，可将多频合路器中的接口用负载暂时代替；由于独立设计主干路由，增加物业和工程改造难度。    4  结束语    本文首先针对GSM/WCDMA共享室内分布系统中存在的问题进行了可行性分析，然后提出了相关技术指标的建议值和典型的设计方案，对时下正热门的2G/3G共享室内分布系统的设计具有一定的参考意义。