居民小區(qū)碼分多址精確化低成本覆蓋

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 彭 鵬 周 瑋 周 禹

小區(qū)場(chǎng)景和樓宇的多樣性，給CDMA（碼分多址）網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋解決手段帶來(lái)了諸多變數(shù)與困難，需要探索新的覆蓋手段來(lái)解決小區(qū)精確化、低成本的覆蓋問(wèn)題，并且要采用多種覆蓋手段相結(jié)合的方法，對(duì)小區(qū)進(jìn)行精細(xì)化的整體方案設(shè)計(jì)。

1 小區(qū)覆蓋建設(shè)難點(diǎn)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，在小區(qū)內(nèi)或小區(qū)邊緣選擇站址的難度越來(lái)越大。其次，住宅小區(qū)內(nèi)建筑高度差別大，無(wú)線信號(hào)的多徑衰落嚴(yán)重，室外容易形成信號(hào)的盲區(qū)，同時(shí)又由于墻體穿透損耗等因素，室內(nèi)無(wú)信號(hào)的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。

1.1 覆蓋目標(biāo)相對(duì)分散

目前新建小區(qū)規(guī)模一般都較大，且小區(qū)內(nèi)建筑物密集，樓宇（中高層建筑）較多，且各樓宇間、地下車庫(kù)彼此獨(dú)立互不相通。覆蓋目標(biāo)相對(duì)分散導(dǎo)致信源的選型和功率分配存在很大困難，給小區(qū)覆蓋系統(tǒng)的整體性設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

1.2 墻體穿透損耗大

住宅小區(qū)內(nèi)的樓體具有下列一些特點(diǎn)：公共區(qū)域面積小，私有區(qū)域面積大，樓層中部區(qū)域多為承重的樓梯墻壁、電梯墻壁，且間隔小；房間內(nèi)多為普通磚墻或其他輕質(zhì)隔斷，“內(nèi)密外松”，對(duì)室外信號(hào)隔離小，對(duì)室內(nèi)信號(hào)隔離大；房間隔斷多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號(hào)在室內(nèi)傳播需要穿透多堵墻體，并經(jīng)過(guò)多次折射或反射，信號(hào)的快衰落嚴(yán)重。

1.3 導(dǎo)頻污染難以控制

由于密集城區(qū)站間距較近，平均站間距在600～700m 或更小。并且實(shí)際工程中選址困難等因素導(dǎo)致的局部區(qū)域站間距過(guò)近，使得實(shí)際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不可能達(dá)到理想的蜂窩狀布局。另外，由于站址高度垂直分層：密集城區(qū)內(nèi)最低天線掛高20m 左右，最高超過(guò)50m，造成重疊覆蓋、越區(qū)覆蓋嚴(yán)重。而且一些居民小區(qū)樓外立面不平整，對(duì)基站信號(hào)的反射、折射效應(yīng)嚴(yán)重，造成樓層內(nèi)可接收信號(hào)增多。因此，小區(qū)覆蓋中如何抑制并解決導(dǎo)頻污染是小區(qū)深度覆蓋的又一難點(diǎn)。

1.4 信號(hào)泄露難以控制

信號(hào)泄露是一個(gè)不可避免的問(wèn)題，它的產(chǎn)生有以下一些原因：居民小區(qū)內(nèi)與小區(qū)外公共區(qū)域基本沒有電磁隔離；住宅樓外墻面玻璃材料的面積占比較大，電磁穿透性良好，室內(nèi)信號(hào)很容易透過(guò)窗戶泄漏到室外區(qū)域；采用樓頂天線能夠達(dá)到最佳的覆蓋效果，同時(shí)很容易將信號(hào)泄漏至小區(qū)外。

1.5 工程實(shí)施難度大

在站點(diǎn)選擇過(guò)程、建設(shè)過(guò)程中存在各種類型的困難，主要有：選擇困難，施工資源匱乏，投資高，回報(bào)低等。

2 小區(qū)覆蓋理論依據(jù)

2.1 小區(qū)覆蓋鏈路預(yù)算模型

小區(qū)覆蓋鏈路預(yù)算主要參照衰弱因子模型，具體公式如下：

式中，LP(d)是路徑d 總傳輸損耗值，d 為覆蓋距離，d0 為參考的近距離，LP(d0)為近地參考距離（通常d0＝1m）自由空間衰減值，β為路徑損耗因子（β＝0～1.6dB/m），LFAF為隔墻損耗，f 為工作頻率。β和LFAF需通過(guò)模擬測(cè)試進(jìn)行糾正。

2.2 小區(qū)覆蓋Ec/Io 估算方法

由Ec/Io（Ec為碼片能量，Io 為干擾譜密度）的計(jì)算公式

可知，其值與以下參數(shù)有關(guān)：η為導(dǎo)頻信號(hào)的占比，PT為載波總功率，W 為擴(kuò)頻帶寬，L 為前向鏈路損耗，F(xiàn)N 為移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)熱噪聲譜密度，β為其他小區(qū)對(duì)本小區(qū)的干擾比，Pt為載波當(dāng)前使用的功率。

由于載波實(shí)際使用功率Pt的大小以及其他小區(qū)對(duì)本小區(qū)的干擾比β的大小與當(dāng)前小區(qū)與周邊小區(qū)的實(shí)際業(yè)務(wù)發(fā)生量以及業(yè)務(wù)發(fā)生的分布有關(guān)，因此，通常較難以精確計(jì)算目標(biāo)覆蓋區(qū)域的 Ec/Io。而由于 C＝WEc，I＝WIo，因此，C/I＝Ec/Io，在這里W 為碼片速率，C 為載波功率，I 為干擾總功率。

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，當(dāng)室內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度高于－85dBm 時(shí)，系統(tǒng)Ec/Io變化不大，基本維持在－7dB 以上，其值的變化主要受系統(tǒng)自身負(fù)荷的影響。當(dāng)室內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度低于－85dBm 時(shí)，系統(tǒng)Ec/Io約等于覆蓋電平與－85dBm 的差值。據(jù)此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，我們可以按照以下兩種方式預(yù)估覆蓋后的Ec/Io。

1）當(dāng)新增的覆蓋電平大于原Rx（接收信號(hào)）強(qiáng)度，覆蓋后Ec/Io約等于系統(tǒng)自身負(fù)荷；

2）當(dāng)新增的覆蓋電平小于原Rx 強(qiáng)度，覆蓋后Ec/Io 約等于覆蓋信號(hào)在目標(biāo)覆蓋區(qū)域的導(dǎo)頻強(qiáng)度減原Rx 強(qiáng)度。

3 小區(qū)覆蓋解決方案探索

對(duì)于小區(qū)不同的建筑物及建筑物特殊區(qū)域，應(yīng)分別確定不同的覆蓋目標(biāo)，設(shè)計(jì)不同的方案。

1）電梯、地下室應(yīng)根據(jù)平層的信號(hào)進(jìn)行覆蓋，不能在平層未做覆蓋的情況下對(duì)電梯和地下室進(jìn)行盲目建設(shè)。在電梯、地下室的建設(shè)時(shí)，應(yīng)盡量采取無(wú)容量信源，以降低建設(shè)成本；

2）樓道及客廳：由于具備一定的話務(wù)可作為重點(diǎn)覆蓋區(qū)；

3）低層臨窗及小區(qū)路面：小區(qū)內(nèi)低層如無(wú)良好的業(yè)務(wù)覆蓋能力，應(yīng)列為重點(diǎn)的目標(biāo)覆蓋區(qū)進(jìn)行覆蓋；

4）中高層臨窗房間和高層臨窗房間：該區(qū)域內(nèi)如果不能滿足基本的語(yǔ)音業(yè)務(wù)需求，應(yīng)列為重點(diǎn)目標(biāo)覆蓋區(qū)。同時(shí)考慮到投入產(chǎn)出比，應(yīng)盡量尋求低成本的解決方案。

根據(jù)以上的總體思路，本文提出幾種解決方案以豐富小區(qū)覆蓋的建設(shè)思路。

3.1 板狀天線橫置覆蓋

由于大都市中建筑高度不斷拔高，某些獨(dú)棟的高層、超高層小區(qū)樓宇，中高層存在著嚴(yán)重的導(dǎo)頻污染，高層存在著弱覆蓋，室外宏基站難以做到信號(hào)的良好覆蓋，必須通過(guò)室分系統(tǒng)來(lái)提高信號(hào)的覆蓋質(zhì)量。如果由于業(yè)主協(xié)調(diào)等原因，難以建設(shè)傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)，則可以考慮利用室外天線來(lái)進(jìn)行室內(nèi)的覆蓋。

當(dāng)室外天線的架設(shè)安裝點(diǎn)相距樓宇覆蓋目標(biāo)平層距離較遠(yuǎn)時(shí)，為獲得較好的覆蓋效果，需要采用高增益的室外天線。目前常用的雙極化宏基站天線主要有15dBi/65 型和17dBi/90 型，前者主要用于市區(qū)覆蓋，其增益為15dBi，水平波瓣角65 °，垂直波瓣角為15 °；后者主要用于農(nóng)村覆蓋，其增益為17dBi，水平波瓣角90 °，垂直波瓣角為7 °。

當(dāng)樓宇的高度相對(duì)樓宇寬度比例較大時(shí)，通過(guò)將天線的橫置，并且選擇合適水平波瓣角的天線，可以使天線波瓣與樓宇形體最大限度地相匹配，從而改善覆蓋效果，并且在一定程度上也能加強(qiáng)對(duì)泄漏的控制。

板狀天線橫打在應(yīng)用時(shí)，一般利用目標(biāo)樓宇附近的群樓或配樓等作為天線的支點(diǎn)。水平半功率角展開范圍內(nèi)盡量涵蓋整個(gè)目標(biāo)覆蓋樓宇的高度范圍，當(dāng)作為天線支點(diǎn)的配樓的與目標(biāo)覆蓋樓宇的水平間距D 越近，則板狀天線的所需的水平波瓣角就越大。天線發(fā)射點(diǎn)越接近目標(biāo)覆蓋樓宇的中點(diǎn)，最大覆蓋半徑R 的距離將越短，可以減少最遠(yuǎn)覆蓋點(diǎn)的路徑損耗，提高最遠(yuǎn)覆蓋點(diǎn)的覆蓋效果。

當(dāng)板狀天線采用17dBi/90 型時(shí)，通過(guò)衰減因子模型可以估算出最大覆蓋半徑R 的最大距離。當(dāng)我們?nèi)」ぷ黝l率f 為880MHz，路徑損耗因子β為0.26dB/m，穿墻LFAF取為穿越窗戶的損耗5dB 時(shí)，計(jì)算得覆蓋半徑R＝190m 時(shí)總的路徑損耗為131.26dB，當(dāng)板狀天線的天線口導(dǎo)頻功率在34dBm 時(shí)，可得到最遠(yuǎn)覆蓋點(diǎn)的接收電平為：34dBm＋17dBi－131.26dB＝－85.26dBm，基本能夠滿足平層的覆蓋要求。

板狀天線橫打可應(yīng)用于解決不具備建設(shè)室分條件的超高層小區(qū)樓宇的覆蓋問(wèn)題。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于由于高層小區(qū)墻體內(nèi)厚外薄，室外信號(hào)的穿透損耗遠(yuǎn)小于信號(hào)從走廊穿墻至室內(nèi)的穿透損耗。由于信號(hào)的發(fā)射功率比較大，如果天線型號(hào)的選型和安裝稍有不當(dāng)，高功率的無(wú)線電信號(hào)很容易越過(guò)樓宇造成越區(qū)。另外，高功率的無(wú)線電信號(hào)在樓宇外立面墻體的反射信號(hào)也會(huì)比較大，會(huì)對(duì)周邊的室外信號(hào)構(gòu)成比較大的干擾。因此，板狀天線橫打的解決方案不宜在密集市區(qū)的高層小區(qū)應(yīng)用。

3.2 美化天線上傾覆蓋

通過(guò)草坪美化天線上傾進(jìn)行小區(qū)平層覆蓋時(shí)，注意根據(jù)不同環(huán)境、不同樓宇、不同的實(shí)際安裝場(chǎng)景選擇合適的美化天線，實(shí)現(xiàn)與周圍的環(huán)境協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，可以大大降低室分建設(shè)的業(yè)主協(xié)調(diào)難度，有效降低小區(qū)居民的心理不舒適程度，保證工程建設(shè)的順利實(shí)施與系統(tǒng)后期的持續(xù)良好運(yùn)行。

通過(guò)草坪美化天線進(jìn)行覆蓋時(shí)，由于天線安裝在地面，主干饋線均在地面管井中，可以適當(dāng)節(jié)省饋線走線。草坪美化天線的覆蓋方式主要以直射覆蓋為主，經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，單個(gè)天線的覆蓋范圍控制在一個(gè)樓宇單元時(shí)效果較好。

通過(guò)衰減因子模型可以估算出一般11 層小高層環(huán)境下，草坪美化天線的所需的天線口出口功率。當(dāng)我們?nèi)」ぷ黝l率f為880MHz，考慮到地面有部分樹葉等遮擋，因此路徑損耗因子β取值為0.5dB/m，穿墻LFAF取為10dB 時(shí)，當(dāng)層高按3m 計(jì)，美化天線距樓宇30m 計(jì)算最大的路徑越為45m，計(jì)算得路徑損耗為101.35dB，此時(shí)，板狀天線的天線口導(dǎo)頻功率在16.00dBm時(shí)，最遠(yuǎn)覆蓋點(diǎn)的接收電平可達(dá)到－89dBm 以上。

美化天線的上傾覆蓋方式，比較適用于樓宇排列整齊的多層、小高層小區(qū)。該方案可以較好地解決小區(qū)路面、樓宇平層的房間和窗邊的信號(hào)覆蓋。而且該方案可以充分利用建設(shè)單位在小區(qū)內(nèi)的管道資源。但該方案也存在著草坪天線易受綠化帶電磁吸收的影響，隨著小區(qū)內(nèi)綠色植被的生長(zhǎng)，信號(hào)質(zhì)量將會(huì)受到影響。

3.3 美化天線燈塔式覆蓋

由于居民環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，在小區(qū)內(nèi)建設(shè)室分系統(tǒng)的難度不斷加大，能夠較好與外界環(huán)境相匹配的美化天線在一定程度上緩解了這一矛盾。但是由于美化天線的造價(jià)相較傳統(tǒng)天線為高，因此在實(shí)際使用美化天線的難點(diǎn)在于要能較好地做到美化天線的防護(hù)和控制美化天線的使用數(shù)量。以往通過(guò)在樓頂天面安裝美化天線，然后直射對(duì)面樓宇進(jìn)行覆蓋的方式，能較好做到美化天線的防護(hù)問(wèn)題，但在美化天線的數(shù)量控制上并不理想。對(duì)于某些體量較大的小區(qū)，即使采用大水平波瓣角（如120 °）的美化天線，也難以有效降低美化天線的使用數(shù)量。

因此，對(duì)于某些覆蓋面積較大，而樓宇又以多層、小高層為主的小區(qū)可以采取燈塔式覆蓋。燈塔式覆蓋的思路是綜合考慮信號(hào)的反射與繞射，選取小區(qū)中位置較佳的幾個(gè)天面，將美化天線布置在樓宇頂部女兒墻上，形成類似于宏基站三葉草的覆蓋方式，以完成整個(gè)小區(qū)的基本面覆蓋。由于美化天線燈塔式覆蓋方式的天線布置相對(duì)集中，因此一方面可以減少饋線的使用量，減少信號(hào)在饋線中的損耗，提高效能；另一方面工程實(shí)施難度大為減低，可以快速靈活部署。

當(dāng)采用燈塔式組網(wǎng)方式時(shí)，由于覆蓋方式不再主要以直射方式進(jìn)行，而是兼具反射和繞射的覆蓋形式，因此在進(jìn)行鏈路預(yù)算時(shí)衰減因子模型將不再適用。COST231Walfish-Ikeygami模型雖然在頻段、天線掛高、覆蓋距離等方面比較適用，但其主要針對(duì)移動(dòng)臺(tái)高度在3m 以下，因此亦不適合作為燈塔式組網(wǎng)的傳播模型來(lái)進(jìn)行覆蓋半徑的預(yù)測(cè)。因目前尚無(wú)合適的傳播模型應(yīng)用于此類覆蓋，因此采用美化天線燈塔式組網(wǎng)時(shí)，應(yīng)結(jié)合各小區(qū)的特點(diǎn)以測(cè)試驗(yàn)證覆蓋效果。

美化天線燈塔式組網(wǎng)覆蓋，適合在宏基站覆蓋的邊緣弱覆蓋地帶。燈塔式組網(wǎng)方案的缺陷在于天線的選址受業(yè)主制約，無(wú)線信號(hào)的控制性較差，將反射信號(hào)應(yīng)用于覆蓋的同時(shí)加強(qiáng)其泄漏控制具有一定的難度。另外，該覆蓋方式對(duì)電梯的穿透覆蓋效果較差，后期可結(jié)合用戶的實(shí)際使用習(xí)慣，再對(duì)部分電梯做針對(duì)性的補(bǔ)盲覆蓋以節(jié)約投資。

3.4 電梯地下室薄覆蓋

電梯、地下室由于空間相對(duì)密閉，室外信號(hào)難以穿透，因此一般都屬于信號(hào)弱覆蓋區(qū)域。而正是由于空間密閉，所以干擾也少，信號(hào)一般都比較純凈，因此可以以“少天線加小功率”的方式進(jìn)行薄覆蓋，在滿足覆蓋的情況下，有效降低投資。

在密閉的地下室環(huán)境下，天線口導(dǎo)頻功率全向天線可以控制在－10dBm 左右，覆蓋半徑可達(dá)20m 以上，定向板狀天線可以控制在－10dBm 左右，覆蓋半徑可達(dá)40m。在空曠無(wú)視距阻擋的地下室，盡量采用定向板狀天線，減少全向天線的使用，可在一定程度上降低饋線的使用量，降低系統(tǒng)建設(shè)成本。

電梯、地下室薄覆蓋的方式除了采用降低天線密度，減少天線口功率方式來(lái)實(shí)現(xiàn)之外，還可以采用微型直放站進(jìn)行薄覆蓋。對(duì)于一些面積不大的獨(dú)立地下室，如果在信源引入時(shí)存在浪費(fèi)饋線資源過(guò)大的情況，可結(jié)合實(shí)際情況，靈活采用微型直放站進(jìn)行覆蓋。