淺析移動通信網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)、外小區(qū)聯(lián)合規(guī)劃設(shè)計的必要性

文 楊磊 中國移動通信集團設(shè)計院有限公司北京分公司

現(xiàn)代化城市的快速發(fā)展導致城市的移動通信的無線傳播環(huán)境復雜，尤其是室外站點天線掛的過高穿透到高層建筑內(nèi)的通信覆蓋區(qū)域，引起越區(qū)覆蓋，導致室內(nèi)小區(qū)資源閑置而室外站點資源不足等問題，本文將以某市區(qū)的GSM網(wǎng)絡(luò)部分室內(nèi)CQT測試深入分析由于室內(nèi)、外站點獨立規(guī)劃設(shè)計對室內(nèi)小區(qū)的載頻資源利用率的影響，導致室內(nèi)切換區(qū)域復雜，總體網(wǎng)絡(luò)資源浪費。

移動網(wǎng)絡(luò)是目前提供移動通信服務的主要網(wǎng)絡(luò)，在高樓林立的大、中城市GSM網(wǎng)絡(luò)主要由解決室外覆蓋的室外宏站和補充室外覆蓋不足、解決深度覆蓋的室內(nèi)分布系統(tǒng)組成，GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到今天容量受限，可通過合理地重復利用這種不可多得的載頻來增加網(wǎng)絡(luò)容量，但某移動公司通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)運行發(fā)現(xiàn)部分室外站點、室內(nèi)分布系統(tǒng)的載頻容量較低，如何有效利用網(wǎng)絡(luò)載頻資源提升其載頻利用率？

本文結(jié)合對部分區(qū)域?qū)嶋H現(xiàn)網(wǎng)CQT呼叫撥打測試數(shù)據(jù)結(jié)果和移動通信室內(nèi)外通信原理的深入分析，給出今后移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計室內(nèi)外聯(lián)合規(guī)劃設(shè)計的必要性和指導性建議，供實際室內(nèi)、外網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計工作參考。

圖1 移動通信網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)外通信站點關(guān)系示意圖

本文組織結(jié)構(gòu)如下：首先對GSM網(wǎng)絡(luò)原理和小區(qū)功率、鄰區(qū)設(shè)置與業(yè)務切換的關(guān)系進行分析，在此基礎(chǔ)上分析目前的移動通信網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)、室外規(guī)劃設(shè)計任務劃分模式，第三對現(xiàn)網(wǎng)的部分區(qū)域的CQT撥打測試結(jié)果進行深入分析，闡述所存在問題及其導致的原因，以此證明其傳統(tǒng)的室內(nèi)、外站點的覆蓋分別設(shè)計的所帶來的網(wǎng)絡(luò)問題，給出室內(nèi)、外站點的覆蓋聯(lián)合設(shè)計的必要性，以供實際工作中參考。

一般移動通信網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)、外站點工作的原理

移動通信網(wǎng)絡(luò)是當今提供語音、數(shù)據(jù)等業(yè)務的主要網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖1所示，由核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)組成，其核心網(wǎng)包括承載語音業(yè)務的移動交換機和承載數(shù)據(jù)業(yè)務的設(shè)備組成，而無線網(wǎng)絡(luò)由控制管理無線網(wǎng)絡(luò)資源的基站控制器、基站設(shè)備和手機終端設(shè)備組成。隨著現(xiàn)代化城市的快速發(fā)展，大中城市愈來愈多高層建筑，導致城區(qū)的室外無線信號傳播衰耗增大引起室內(nèi)通信質(zhì)量較差，因此采用作為延伸覆蓋的主要手段之一的室內(nèi)分布系統(tǒng)解決高樓大廈內(nèi)的移動終端手機通信。

室內(nèi)分布系統(tǒng)是針對室內(nèi)用戶群、用于改善建筑物內(nèi)移動通信環(huán)境的一種成功的方案。是利用室內(nèi)天線分布系統(tǒng)將移動基站的信號均勻分布在室內(nèi)每個角落，從而保證室內(nèi)區(qū)域擁有理想的信號覆蓋。室內(nèi)分布系統(tǒng)是基站和微蜂窩的補充和延伸，有不能被基站和直放站所代替，是大都市中移動通信不可缺少的組成部分。室內(nèi)分布系統(tǒng)信號源包括.宏蜂窩信源、微蜂窩信源、射頻拉遠信源及直放機信源，信號源需要綜合考慮目標樓宇的覆蓋和容量要求，按照不同類型目標樓宇的要求選擇對應的信源；室內(nèi)分布系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)包括同軸電纜、光纖、泄漏電纜；室分的元器件包括無源和有源兩種，無源器件通常包括功分器和耦合器，有源器件包括干放等設(shè)備；室分系統(tǒng)還包括分布在室內(nèi)各個角落的天線。

圖2 室內(nèi)、外站點覆蓋及室外站點信號對室內(nèi)通信區(qū)域影響示意圖

圖3 第10層樓道內(nèi)分布天線出口功率及樓道內(nèi)覆蓋測試結(jié)果示意圖

室外站點主要包括負責轉(zhuǎn)發(fā)手機信號的基站設(shè)備、完成收發(fā)的架設(shè)在鐵塔或高層建筑物上的室外天線及其饋線系統(tǒng)；通過調(diào)整設(shè)計室外天線的掛高、天線增益、通信方位角、天線下傾角及發(fā)送功率等來滿足每個室外基站的覆蓋范圍及容量的需求。

小區(qū)功率、鄰區(qū)設(shè)置與業(yè)務切換的關(guān)系

不同的通信廠家的移動通信網(wǎng)絡(luò)其小區(qū)鄰區(qū)關(guān)系設(shè)置算法模型及其就原理大同小異，但不完全一樣，以諾基亞的GSM為例，在GSM網(wǎng)絡(luò)中BTS/MS的信號功率大小、鄰區(qū)關(guān)系是決定手機是否切換的主要因素之一，下面是在諾基亞的GSM設(shè)備中基于“功率預算“切換公式

AV-RXLEV-NCELL(n )：手機在相鄰小區(qū)所能接收的平均信號電平；

rxLevMinCell(n )：手機在相鄰小區(qū)所能接收的最小信號電平；

msTxPwrMax(n )：允許手機在相鄰小區(qū)的一個信道上使用RF最大發(fā)射功率，BSC內(nèi)部，

msTxPwrMax：允許手機在當前服務小區(qū)的一個信道上使用RF最大發(fā)射功率；

其中：

PBGT=(msTxPwrMax-AV_RXLEV_DL_HO-(btsTxPwrMax-BTS_TxPwr))-(msTxPwrMax(n )-AV_RXLEV_NCELL(n ))

AV_RXLEV_DL_HO：手機所在服務小區(qū)的平均接收信號電平

btsTxPwrMax：手機所在服務基站的最大發(fā)射功率

BTS_TxPwr：手機所在服務基站的基站當前的發(fā)射功率

hoMarginPBGT(n )：用于防止鄰近小區(qū)之間的頻繁切換

由上述公式可知，當手機測量到周圍小區(qū)信號強度足夠強、且系統(tǒng)中設(shè)置為鄰區(qū)關(guān)系，就促使手機從原始小區(qū)切換到鄰小區(qū)上。

目前室內(nèi)、外小區(qū)規(guī)劃設(shè)計狀況及部分室內(nèi)業(yè)務質(zhì)量測試結(jié)果分析

傳統(tǒng)的室內(nèi)和室外的通信隔離主要由穿透損耗較大的墻壁隔離，因此在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)階段室內(nèi)室外獨立規(guī)劃設(shè)計，包括“室外無線站點的規(guī)劃設(shè)計”、“室內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計”。

室外站點的規(guī)劃設(shè)計主要滿足室外用戶的覆蓋和容量需求如圖2所示，所需設(shè)計的主要包括天線的掛高、天線下傾角、發(fā)送功率等。而室內(nèi)覆蓋設(shè)計主要涉及其分布天線位置、發(fā)送功率大小、器件及饋線的選擇等，以便達到讓在室內(nèi)的用戶通過室內(nèi)小區(qū)接入網(wǎng)絡(luò)獲取相應的服務。

但高層建筑內(nèi)各種障礙物及其相對位置的變化導致其無線傳播環(huán)境較為復雜，下面是不同的墻壁材料對電波傳播的統(tǒng)計經(jīng)驗值：

?

玻璃對電磁波的損耗較小，遠小于其樓房內(nèi)的鋼筋混凝土墻壁對電磁波的損耗，這就導致室外站點的信號很容易通過窗口等穿透到室內(nèi)部分區(qū)域，室內(nèi)部分區(qū)域有多個室外小區(qū)信號使其室內(nèi)的無線環(huán)境更加復雜，當手機所在室內(nèi)區(qū)域的室外信號滿足前面切換要求時手機就發(fā)生切換到室外站點，由于手機用戶的移動性加之多個遠處室外小區(qū)信號進入室內(nèi)區(qū)域，若鄰區(qū)關(guān)系設(shè)置不當，就易于使手機切換失敗，同時引起室外小區(qū)超忙、室內(nèi)小區(qū)超閑這種現(xiàn)象，導致整體網(wǎng)絡(luò)資源利用率下降、投資嚴重浪費。

圖3是某市區(qū)內(nèi)一具有室內(nèi)分布系統(tǒng)的高樓內(nèi)第10層樓的室內(nèi)分布信號及CQT呼叫撥打測試結(jié)果及其分析，該樓內(nèi)的小區(qū)的CELLID為20926（BCCH35），該房間的外面有室外站點A和室外站點B等小區(qū)：

圖4 1009房間關(guān)門且從位置2開機測試時的小區(qū)選擇及切換狀況示意圖

圖5 1009房間關(guān)門開機測試時手機測的各個小區(qū)BCCH信號強度示意圖

第10層樓道內(nèi)天線出口功率及其樓道內(nèi)的實際接收信號強度如圖3所示，由6個室內(nèi)分布天線，且天線的出口功率達到了大約-20dBm，其樓道內(nèi)的接收信號強度最小也達到了-55dBm，根據(jù)相關(guān)電磁環(huán)保對人身健康影響規(guī)定其室內(nèi)信號覆蓋設(shè)計不能再增大了，否則引起人身健康問題。

當對位于圖4中右上角的第十層樓內(nèi)的0509房間關(guān)門測試，從圖4中所示位置開機測試時的小區(qū)先選擇到室內(nèi)20926小區(qū)(BCCH35)但隨著手機位置的移動，呼叫撥打中切換到BCCH526小區(qū)和BCCH28小區(qū)，所測室內(nèi)BCCH35、BCCH526小區(qū)和BCCH28小區(qū)信號強度如圖5所示：

在關(guān)門情況下掃頻儀測量的各個BCCH載頻的信號強度和手機測量的各個BCCH載頻的信號強度大小一致反映出：

測量的室內(nèi)20926小區(qū)(BCCH35)接收信號強度基本上大于-80dBm，滿足室內(nèi)設(shè)計規(guī)范要求，根據(jù)根據(jù)相關(guān)電磁環(huán)保對人身健康影響規(guī)定其室內(nèi)信號覆蓋設(shè)計不能再增大了，否則引起人身健康問題。

在室內(nèi)部分區(qū)域其室外鄰區(qū)信號強度大，手機開機時雖然選擇駐留到室內(nèi)小區(qū)，隨著手機位置移動，室內(nèi)信號漸弱，手機呼叫過程中切換到其鄰區(qū)，后來隨著手機位置的移動即使室內(nèi)小區(qū)的信號再次較強，由于切換控制參數(shù)的設(shè)置，也無切換回到室內(nèi)小區(qū)通話。

由上可知，分別規(guī)劃設(shè)計室內(nèi)站點、室外站點的覆蓋導致室內(nèi)站點資源不能充分利用而閑置，室外站點資源緊張而超忙，網(wǎng)絡(luò)的總體資源的利用率下降。

結(jié)論

綜上所述，由于室外站點的越區(qū)覆蓋和高樓大廈內(nèi)的復雜的無線傳播環(huán)境，導致室內(nèi)的資源不能充分利用，進而引起網(wǎng)絡(luò)總體資源利用率下降，而GSM的無線頻譜資源是不可多得的稀缺資源。由此可見室內(nèi)、外站點通信相輔相成不能違背移動通信網(wǎng)絡(luò)這一客觀原理，室內(nèi)、外站點覆蓋設(shè)計不能獨立隔離進行，需要室內(nèi)、外站點覆蓋聯(lián)合規(guī)劃設(shè)計。