高層樓宇室外站解決室內(nèi)覆蓋問題的研究

中國普天信息產(chǎn)業(yè)北京通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院　劉　軍　于克佳　王　棟

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高層樓宇室外站解決室內(nèi)覆蓋問題的研究

中國普天信息產(chǎn)業(yè)北京通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院劉軍于克佳王棟

【摘要】高層建筑是高端用戶的“聚集區(qū)”，但因?yàn)閭鹘y(tǒng)的“平面覆蓋”設(shè)計(jì)思路、后置的單點(diǎn)優(yōu)化模式，未能跟上城市快速發(fā)展的需求，導(dǎo)致移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)高層覆蓋存在諸多不足；解決高層覆蓋問題是目前城市移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化的一項(xiàng)重要內(nèi)容；文章總結(jié)了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)高層覆蓋存在的問題，按照典型的建筑分布形態(tài)將高層建筑進(jìn)行歸類，并給出每一類的覆蓋方案；同時(shí)，也就移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)高層覆蓋中常用的“上層站”、“高層室外站”等覆蓋手段的技術(shù)細(xì)節(jié)問題進(jìn)行了詳細(xì)的闡釋，旨在能夠切實(shí)地指導(dǎo)解決移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)高層覆蓋問題。文章還提出了“天線橫置”等較為新穎的解決方案。

【關(guān)鍵詞】高層覆蓋；上層站；高層室外站；天線橫置

0　概述

伴隨當(dāng)今城市化進(jìn)程的不斷加快，作為城市標(biāo)志的高層建筑越來越多，對其室內(nèi)覆蓋及通信質(zhì)量予以保證，已然成為開展移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及深入優(yōu)化的關(guān)鍵所在。由于城市高層建筑在具體的分布方面較為分散，且并非呈現(xiàn)出成群分布狀況，而對于高層建筑周圍相應(yīng)底層建筑而言，其在具體的外來信號(hào)方面則不能實(shí)施有效隔離，造成高層建筑在相應(yīng)室內(nèi)所接受的無線信號(hào)出現(xiàn)較為雜亂狀況，而在其遠(yuǎn)處方位上基站所存在的繞射、反射及直射方面的信號(hào)開始增多，其在信號(hào)場強(qiáng)度方面往往和室內(nèi)分布系統(tǒng)較為相同，至此，就會(huì)造成比較嚴(yán)重的同鄰頻感染，以及出現(xiàn)無主服務(wù)區(qū)及載干比較低等狀況。如若用戶撥打手機(jī)，則就會(huì)造成通話質(zhì)量差及信號(hào)不穩(wěn)定等狀況，該狀況在市內(nèi)臨窗區(qū)表現(xiàn)更為明顯，所以，在具體的設(shè)計(jì)及規(guī)劃移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)高層建筑時(shí)，如何將通信質(zhì)量進(jìn)行提升已然成為該領(lǐng)域發(fā)展的難題所在。

1　高層覆蓋問題產(chǎn)生的原因分析

高層覆蓋問題的產(chǎn)生主要有以下幾個(gè)方面的原因：

1.1城區(qū)基站密度高

由于在其周邊存在較為密集的基站，且在其室外中層站天線方面，其通常情況下會(huì)均設(shè)置為下傾角，其在天線主瓣方向所具有的覆蓋狀況，不會(huì)影響高層空間無線環(huán)境。然而由于存在較強(qiáng)的天線上旁瓣輻射，至此，在具體的高層建筑當(dāng)中，其中高樓層方面，通常便可對多個(gè)基站小區(qū)的相應(yīng)信號(hào)予以接收到，且還表現(xiàn)為與室內(nèi)覆蓋信號(hào)，在具體的電平方面相同。此外，由于此層能夠?qū)ν瑫r(shí)由于多個(gè)基站小區(qū)信號(hào)予以接受，乃至相應(yīng)越區(qū)小區(qū)信號(hào)也能夠接受到，此狀況在一定程度上就會(huì)縮短頻率復(fù)用距離，造成高層頻率出現(xiàn)被干擾狀況。

1.2頻率規(guī)劃引起

此狀況多由在頻率或者頻點(diǎn)方面，在規(guī)劃上出現(xiàn)不足所致，通常改善方法為修改頻率或者頻點(diǎn)。

1.3基站規(guī)劃引起

在選取基站站址方面存在不當(dāng)，導(dǎo)致在區(qū)域內(nèi)，高層建筑能夠在同時(shí)狀況下，對其中的兩個(gè)或者兩個(gè)以上相應(yīng)強(qiáng)度較為一致的信號(hào)予以接受，并導(dǎo)致高層不能有效使用主導(dǎo)信號(hào)。造成信號(hào)的頻繁切換，或造成反復(fù)的重選狀況，對用戶的正常網(wǎng)絡(luò)使用造成嚴(yán)重影響。

1.4江邊、湖泊等湖面影響

如若高層高檔建筑臨江或臨湖，針對湖面或江面所存在的信號(hào)反射作用，依據(jù)反射周邊基站信號(hào)，反射至高層建筑，基于存在較小的信號(hào)入射角，就會(huì)較容易對高樓層的信號(hào)造成干擾。

2　高層建筑的分類及覆蓋解決方案

基于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在具體的高層當(dāng)中相應(yīng)覆蓋特點(diǎn)可知，如若將高層建筑進(jìn)行劃分，即通常將15層及以上樓成為高層建筑，而將1～10層的樓層，稱為低層，而對于區(qū)間為11～20層的樓房，則稱為中層(該層能夠?qū)︵徑暾九园晷盘?hào)予以接受，且能夠?qū)h(yuǎn)處宏站方面的相應(yīng)飄移信號(hào)予以接受，針對一些區(qū)域甚至能夠在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化狀況下予以改善)，而對于超過20 層及以上的建筑，則可將其稱為高層城市高層建筑如若依據(jù)典型分布形態(tài)，則可將其劃分為三種類型，分別為聯(lián)體式、獨(dú)立式及分立式[1]。

2.1獨(dú)立式高層建筑

該種類型所具有的主要特點(diǎn)為，該樓層相比于周圍建筑，要明顯后于后者，就好比是鶴立雞群。而對于周圍相應(yīng)建筑而言，其則對該種樓層不會(huì)造成任何遮擋，所以該種樓層對遠(yuǎn)近方面的多個(gè)基站方面的想銀信號(hào)能夠接收到，至此便會(huì)形成具有惡劣性的相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)強(qiáng)雜以及頻繁切換狀況，對用戶通話質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。

該種類型的高層建筑，較多歸屬與多屬于高檔公寓、賓館酒店或?qū)懽謽堑?。針對高層寫字樓或館酒店來講，基于其在用戶房間內(nèi)，將室內(nèi)天線予以安裝，其在建筑內(nèi)覆蓋問題方面，主要運(yùn)用建設(shè)室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)對于此種問題予以解決。針對高層電梯公寓來講，其較多數(shù)均為私人住宅，至此，其在天線方面則不會(huì)被安裝在房間內(nèi)，并且在該公寓的具體結(jié)構(gòu)方面，也更加復(fù)雜于寫字樓，并且存在有更多的墻體隔斷,存在有更大的信號(hào)衰減狀況，即使選擇將天線在相應(yīng)樓層走廊當(dāng)中進(jìn)行安裝，也較難保證房間內(nèi)相應(yīng)信號(hào)覆蓋方面的質(zhì)量。所以，對于高層電梯公寓信號(hào)覆蓋而言，可采用將室內(nèi)及室外相結(jié)合的方式予以解決。

獨(dú)立式高層建筑主要覆蓋手段如下：

對于室內(nèi)覆蓋而言，主要對相應(yīng)建筑內(nèi)，諸如地下室、走廊及電梯等方面的信號(hào)問題予以解決；且對信號(hào)方面相應(yīng)盲區(qū)，以及在建筑內(nèi)相應(yīng)低層房間能夠給與覆蓋，對于室外定向天線而言，其則自下至上，對建筑方面的中高層實(shí)施輻射， 且對中高層方面相應(yīng)外圍房間實(shí)施輻射。如圖1所示。

這種天線從下向上輻射建筑中高層的設(shè)站方式稱之為“上層站”。

2.2分立式建筑群

此種類型在構(gòu)成方面突出表現(xiàn)為多幢不相連的高層，并且在建筑物之間的間距方面也比較大。在整個(gè)建筑群內(nèi)，各個(gè)樓宇之間形成相互遮擋，至此，便會(huì)促使諸多網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面的陰影區(qū)的形成，還會(huì)導(dǎo)致在具體六大樓內(nèi)部，出現(xiàn)在信號(hào)連接方面的不穩(wěn)定狀況，獨(dú)立式高層建筑網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，與建筑群外部之間處于相同狀態(tài)；而對于分立式高層建筑群來講，其較多數(shù)為高檔住宅小區(qū)，并且其還具有諸多的用戶，并且在具體的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)方面也較差，該種樓層的天線在室內(nèi)也很難予以安裝，此狀況也是對于其實(shí)施網(wǎng)絡(luò)覆蓋的相應(yīng)難點(diǎn)所在。對于此種類型問題的解決，需要將多種技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，且對不同技術(shù)之間的互補(bǔ)性進(jìn)行充分利用。

分立式高層建筑主要覆蓋手段如下：

對于小區(qū)覆蓋系統(tǒng)建設(shè)而言，運(yùn)用室外全向天線，對建筑群底層實(shí)施覆蓋，其依據(jù)實(shí)際狀況來決定天線高度，通常情況下，其在高度方面可選擇為1 ～5m。針對室外定向天線來講，其主要對建筑群中高層實(shí)施覆蓋，經(jīng)過對上傾角實(shí)施合理調(diào)整，在對高層覆蓋質(zhì)量予以保證的狀況下，防止其對宏站網(wǎng)絡(luò)所造成的相應(yīng)干擾。如圖2所示。

圖2　分立式高層建筑覆蓋方案示意圖

2.3聯(lián)體式高層建筑群

該種類型在組成方面主要為多幢相互連接，或者是存在有較小的間距，其在組成方面好比四合院，且在內(nèi)部構(gòu)成方面也比較封閉。對于建筑群內(nèi)部來講，一般情況下其乃是網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)，其在具體的外部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境方面，則相同于獨(dú)立式高層。

針對聯(lián)體式高層建筑群來講，其主要包含有兩種狀況，如若在房間內(nèi)，能夠?qū)⑻炀€予以安裝，則可對建設(shè)室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)先選擇；如若不能在室內(nèi)進(jìn)行安裝，則可采取將室內(nèi)及室外相結(jié)合的方式予以解決，而對于室內(nèi)覆蓋而言，對于諸如地下室及電梯等處于樓內(nèi)相應(yīng)公共區(qū)域方面予以覆蓋，而對于其它的房間來講，則選擇室外天線對其實(shí)施覆蓋。如圖3所示。

圖3　聯(lián)體式高層建筑覆蓋方案示意圖

天線從上向下輻射建筑中高層的設(shè)站方式稱之為“高層室外站”。

綜上所述，高層建筑常用的覆蓋方式通常有天線自上而下覆蓋的“高層室外站”、天線自下而上覆蓋的“上層站”以及室內(nèi)分布系統(tǒng)覆蓋三種方式，高層建筑的覆蓋應(yīng)視其使用性質(zhì)以及分布形態(tài)等因素的不同而靈活運(yùn)用，有時(shí)可能需要上述二種或多種方式的組合。

覆蓋方式的選擇、站址的選擇天線的設(shè)置等因素都會(huì)直接影響高層覆蓋效果，下面就 “上層站”、“高層室外站”在規(guī)劃和設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題進(jìn)行介紹。

3　上層站建設(shè)

3.1上層站概念

而在市區(qū)內(nèi)，較多均為高層居民樓，由于一些住戶在室內(nèi)分布系統(tǒng)方面不同意做，因此，在信號(hào)覆蓋方面，則就會(huì)對室外宏基站給與完全依賴，至此，在具體的宏基站方面的天線所具有的傾角方面，也要對其給與相應(yīng)考量?？梢愿脑旌昊咎炀€，通過對原有天線的使用，以此實(shí)現(xiàn)對地面、高層建筑物下部及低層建筑物方面的相應(yīng)覆蓋，自小區(qū)耦合，得出一路信號(hào)，然后采用并垂直或者水平的波束，并且在天線上較窄，以此對高層建筑實(shí)施仰覆蓋，此種基站則為“上層站”。

圖4　上層站覆蓋示意圖

針對上層站而言，其本質(zhì)上屬于室外基站，其在具體的結(jié)構(gòu)等方面不同于普通室外基站，而其所運(yùn)用的上仰的方式，則為其最大的特點(diǎn)，其在實(shí)際使用方面，則主要對高層樓宇相應(yīng)高層區(qū)域，實(shí)施專門化的覆蓋，如圖4所示。該方案所具有的優(yōu)點(diǎn)為，對現(xiàn)有基站設(shè)備，以及相應(yīng)站址資源進(jìn)行充分利用，具有關(guān)系相同的上、下層覆蓋區(qū)域，對于后續(xù)控制更為方便，且還能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化調(diào)整。

就高層建筑信號(hào)覆蓋而言，此種方法雖然在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中較易實(shí)現(xiàn)，然而其自身也存在一定的限制條件，其一，此種方法嚴(yán)格要求基站的位置。必須在高層建筑附近，對存在仰天線的基站進(jìn)行相應(yīng)安裝，其在具體的發(fā)射信號(hào)方面，才能夠強(qiáng)，還可將其建成主服務(wù)小區(qū)。如若基站與高層之間的距離過遠(yuǎn)，或者在信號(hào)強(qiáng)度方面不足，則可將光纖直放站加入其中，并于遠(yuǎn)端位置上，將上仰天線安裝至高樓上，并以此實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋。就選用上仰天線而言，其盡管能夠?qū)Ω邔咏ㄖ覂?nèi)部分進(jìn)行有效覆蓋，然而對于高層建筑相應(yīng)地下室及電梯，則不能進(jìn)行有效覆蓋，至此，需要就室內(nèi)分布系統(tǒng)予以增加，以此實(shí)現(xiàn)對電梯及地下室部分進(jìn)行覆蓋的目的。

3.2上層站最大覆蓋距離

以下?lián)p耗不同于各地?zé)o線環(huán)境，以及與各覆蓋樓宇相應(yīng)狀況存有不同，僅供參考。

(1)理論自由空間損耗計(jì)算公式為：[2]

Ls(dBm) =32.45+20lgd+20lgf

經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)所得,上層站實(shí)測空間損耗計(jì)算公式（以900M頻段為例）：

Ls(dBm)=49+20lgd+20lgf

其中：d為距離(km), f為信號(hào)頻率(MHz)。

(2)設(shè)備接頭等損耗約2dB；

(3)室內(nèi)對數(shù)正態(tài)陰影衰落損耗約12dB；

(4)建筑外墻損耗約18dB，建筑內(nèi)墻體貫穿損耗約8dB。

上層站天線到高層建筑外圍空中損耗為：

Ls（外墻）=49+20lgd+20lgf

上層站天線到高層建筑窗邊的損耗為：

Ls（窗邊）=49+20lgd+20lgf+12

上層站天線到高層建筑室內(nèi)的損耗為：

Ls（室內(nèi)）=49+20lgd+20lgf+12+18

因此可見，空間的損耗主要和距離、信號(hào)頻率有關(guān)。

對于高層樓宇來講，其在通話場強(qiáng)方面通常區(qū)間為-55～65dBm，而對于上層站而言，其在小區(qū)場強(qiáng)方面則相應(yīng)大于-65dBm。如若將基站饋線長度設(shè)定為100m，而將基站發(fā)射所存在的功率設(shè)定為43dBm，并且將天線增益設(shè)定15.5dBi，且在高層樓宇相應(yīng)窗邊區(qū)域?qū)嵤└采w，則其在空間損耗方面予以覆蓋的最大為：

-65dBm+3dB+2dB+4.6dB-15.5dBi+Ls+12dB≤43dBm

得到：Ls≤101.9dB。

采用900M頻段時(shí)，基站到覆蓋樓宇的最大距離為500m；采用1800M頻段時(shí)，空間損耗比900M頻段大6dB，基站到覆蓋樓宇的最大距離為250m。

3.3上層站天線選擇及放置

3.3.1天線的選擇及放置

對于上層站小區(qū)相應(yīng)天線而言，其則需要在基站樓宇天面相應(yīng)中間位置實(shí)施放置，此種放置方法，不僅具有較好的樓宇覆蓋效果，還可對信號(hào)外泄至相應(yīng)路面予以減少，此外，其還能夠?qū)υ兄袑诱痉矫娴木W(wǎng)絡(luò)覆蓋影響減少。由于在實(shí)際施工及使用當(dāng)中所存在的特殊性，則其在天線放置的位置處于中間，則將會(huì)對天面相應(yīng)主要位置予以占據(jù)，且在環(huán)境外觀方面也有較大影響，容易造成樓宇業(yè)主方面的不滿。故此，布放上層站天線，應(yīng)基于對不產(chǎn)生外泄?fàn)顩r予以滿足的背景下，盡量將天面邊緣予以放置，如不存在業(yè)主投訴問題，即可考慮放置中間。

如果基站樓頂天面有蓄水池，盡量把天線放置在水池邊上，可有效避免信號(hào)外泄和減少占用天面面積；市區(qū)內(nèi)慎用超過1.5米的大天線，同時(shí)盡量少用天線橫放方式，并考慮美化方案。

上層站天線垂直波瓣角的下3dB線對準(zhǔn)覆蓋樓宇的15樓位置。天線距離樓面高度應(yīng)盡量降低至1米內(nèi)，可以減少對道路影響。

在周圍無重要道路或信號(hào)覆蓋控制比較好的地方，建議可選用增益比較大、雙極化、覆蓋效果比較好的定向板狀天線；對于周圍有主要干道，信號(hào)覆蓋不好控制的地方，建議選用信號(hào)集中能力比較好，前后比大的短背射或拋物面天線。

3.3.2天線橫置

對于樓層較高的高層建筑，可采用天線橫置[3]的方法：

當(dāng)天線掛高與覆蓋樓層的距離一定時(shí)，覆蓋高度由天線垂直波瓣角決定，垂直3dB波瓣越大，覆蓋高度越大即覆蓋高層的范圍越高，而常規(guī)的天線水平波瓣角寬（常用的有65°、90°等），而垂直波瓣角通常在30°以內(nèi)，天線橫置后，水平波瓣角和垂直波瓣角互換，能夠覆蓋更多的樓層。

3.4上層站覆蓋范圍

上層站小區(qū)對覆蓋樓宇15層以上的區(qū)域形成良好覆蓋的同時(shí)，容易對15層以下的區(qū)域（應(yīng)該由網(wǎng)絡(luò)原有中下層站負(fù)責(zé)覆蓋）形成過覆蓋，也會(huì)對周邊非計(jì)劃覆蓋目標(biāo)的樓宇造成過覆蓋。為避免不良影響，應(yīng)嚴(yán)格控制覆蓋范圍，可以通過調(diào)整天線角度和調(diào)整部分參數(shù)解決。

4　高層室外基站覆蓋方式

4.1高層室外站概念

在建筑中高層的設(shè)站，天線從上向下輻射方式稱之為“高層室外站”；高層室外站的典型應(yīng)用場景為高層覆蓋高層。

4.2天線的選擇及安裝

為更好的對高層基站信號(hào)在具體的輻射有效范圍方面給與有效控制，以及就對地面的相應(yīng)干擾予以減少,需要對高增益及窄垂直波瓣天線予以選擇,且在垂直角度方面最好控制在14°左右，此外，在水平角度方面也要控制在70°之下，可根據(jù)所覆蓋的有效范圍，對其角度進(jìn)行選擇；也可以選擇方向性更強(qiáng)的八木天線；高層室外站應(yīng)設(shè)定適度的下傾角,實(shí)現(xiàn)對地面所造成的影響予以減少，以此達(dá)到集中信號(hào)的目的，促使其能夠?qū)Ω邔訕怯钣枰愿采w。針對高層室外站而言，其對天線質(zhì)量方面具有較高的要求，不僅在良好的方向性方面有所要求，且在副瓣抑制比及前后比方面也要求高。

4.3高層基站的選址要求

由于高層基站具有較高的高度，且對地面的干擾，還要求高層基站對其予以控制，在實(shí)際選址時(shí)，需要在正前方予以被覆蓋,且于多棟高層為宜,且還可樓宇對其進(jìn)行阻擋,并對覆蓋范圍進(jìn)行有效控制,以此實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)距離地面所造成的影響予以減少的目的,促使其始終低于地面基站信號(hào)，即10dB以上。

針對高層覆蓋基站而言，通常情況下，其覆蓋10層及以上樓層，而對于10層以下，則被稱作過渡樓層,且在基站使用方面也多為地面基站，故此，在具體選址過程中，首先應(yīng)對高層覆蓋基站予以考量，還要考慮其和附近地面站之間不形成干擾。

5　結(jié)論及建議

以上通過較大篇幅重點(diǎn)介紹采用上層站、高層室外站來解決移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)高層覆蓋問題；在實(shí)際的高層覆蓋規(guī)劃和優(yōu)化工作中，解決中高層建筑室內(nèi)覆蓋問題的方法還有很多，這些覆蓋方法在手法方面雖然各不相同，然而其在具體的原則方面則較為一致，即：對主服務(wù)小區(qū)在具體的信號(hào)場強(qiáng)方面予以增強(qiáng)；如若能達(dá)此目的，可依據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際狀況，及相應(yīng)建筑物室內(nèi)和室外，在具體的無線環(huán)境方面的差異，對其手法進(jìn)行選擇而實(shí)現(xiàn)。因此，在解決高層覆蓋問題時(shí)要“因地制宜”，根據(jù)實(shí)際情況靈活選用相應(yīng)的解決方法。

另外，不同制式的網(wǎng)絡(luò)由于其無線信號(hào)的空中傳播特性是類似的，因此文中提到的解決方案對各種制式的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都有較大的參考價(jià)值。

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劉軍（1974-），男，高級工程師，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)就職于中國普天信息產(chǎn)業(yè)北京通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院，已從事移動(dòng)通信通信工程設(shè)計(jì)18年。

作者簡介：