多網融合室內分布系統覆蓋規劃研究

劉立兵　　重慶郵電大學通信工程應用研究所碩士研究生在讀肖寒春　　重慶郵電大學通信工程應用研究所高級工程師

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多網融合室內分布系統覆蓋規劃研究

劉立兵重慶郵電大學通信工程應用研究所碩士研究生在讀
肖寒春重慶郵電大學通信工程應用研究所高級工程師

摘要：多網融合室內分布系統主要利用POI多頻合路器將多個系統統一接入室內分布系統，對大型室內環境進行覆蓋。本文介紹了室內分布系統原理，分析了室內分布系統頻率使用情況，研究了各系統在自由空間中的傳播性能和封閉室內環境中的覆蓋性能，最后根據各系統室內邊緣場強，利用室內衰減因子傳播模型對各系統同覆蓋天線口功率進行了規劃分析、提出了兩種功率匹配方案，為多網融合室內覆蓋設計提供了指導。

關鍵詞：室內分布系統；共建共享；邊緣場強；功率匹配

1　引言

近年來，國內通信業務需求和通信技術的發展十分迅速，目前我國存在多家運營商的多網制式多種頻段的網絡系統，隨著通信技術的演進和國家提出的基礎設施共建共享共贏理念，移動網絡的室內分布系統逐漸向多技術、多系統融合的方向演進，無論是單運營商的室分多系統融合，還是多運營商的室分多系統融合，均可有效避免各運營商重復建設、節省投資，減少建筑物公共資源的占用，降低對環境的影響，降低物業協調難度。特別是在大型的室內環境，如大型機場、地下鐵路、大型會展中心、大型體育場館、大型綜合樓宇等，人員密集、流動性大，有多種移動通信需求，設備安裝空間有限，不可能同時安裝多套無線接入系統，這就對多運營商共建共享提出了要求，各運營商可利用多系統接入平臺（PointofInterface，POI）將各系統統一接入室分系統，POI可以進行多頻段、多信號合路，實現多網合一和透明傳輸功能，從而避免了室內分布系統建設的重復投資。但在多系統融合建設的室分系統，因各系統頻段不同、覆蓋能力也不同，各系統功率不匹配會導致室內出現越區覆蓋、弱覆蓋甚至信號外泄的現象，因此對各系統進行同覆蓋規劃分析也就成為了多網融合室分系統中一個重要研究方面。

2　多網融合室內分布系統原理

室分系統主要包括信源和信號分布系統兩部分，信源為不同制式的基站設備或接入點設備，主要有宏基站、微蜂窩基站、分布式基站、射頻直放站、光纖直放站等，室內分布系統主要由有源設備、無源設備、天線、線纜等組成（見圖1）。

POI通過對多頻段、多制式無線通信系統的接入及透明傳輸，實現多網絡共用一套室分天饋系統，能夠在滿足覆蓋效果的同時，節省運營商的投資、避免重復建設。POI主要作用是實現多系統合路，在這一點上POI與合路器功能相同，但是POI不僅具有合路器功能，還具有以下合路器不具備的功能：

（1）模塊化設計，擴容性好。

（2）滿足不同系統、頻段的個性需求。

（3）系統具有整體監控功能，維護方便。

（4）可以預留端口，方便升級。

鑒于以上各種優點，POI可廣泛地應用于飛機場、火車站、地鐵、會展中心、體育場館、高級商務樓等大型室內場所的通信網絡覆蓋中。

3　多網融合室內覆蓋頻率規劃

在三大運營商LTE商用之前，室內分布系統中存在的室分系統主要有移動的GSM900/1800、TDSCDMA（A）、TD-SCDMA（E）系統，聯通的GSM900/ 1800、WCDMA系統，電信的cdma800、cdma2000系統，以及用于室內網絡數據分流的WLAN系統，隨著LTE的大規模部署，室內分布系統變得比以前更加復雜，如何利用有限的資源滿足室內不同用戶不同的業務需求，各運營商需要根據室分場景以及用戶分布情況進行精確的網絡規劃，選擇何種制式何種頻段進行室分建設，成為室分網絡面對的重要問題。

圖1　多網融合室內分布系統原理

由于LTE高速率的特性，能夠滿足用戶對高速數據業務的需求，室內網絡在滿足用戶語音的基本需求下將重點部署LTE系統，又因各運營商頻譜資源日益緊張，2G和3G占用了大量的優勢頻譜資源，各運營商開始做出頻譜退讓或者共享的策略，移動TD-LTE室分系統主要采用TD-SCDMA使用的E頻段，聯通LTEFDD主要采用GSM1800頻段，電信LTE-FDD2.1G主要采用cdma2000頻段，電信3G主要采用cdma800頻段。考慮到2G和3G主要用于語音通話以及各運營商都在加速升級網絡系統，更多的2G用戶正逐步轉入3G和4G，聯通和電信在新建的室分系統中主要以3G 和LTE建設為主，當前各運營商用于室內網絡建設的主要系統和頻段如表1所示。

表1　室分網絡制式及頻段

4　各系統覆蓋性能分析

4.1各系統自由空間傳播分析

自由空間傳播是指無線電波在空氣中無障礙的傳播，自由空間損耗是無線電波在空氣中傳播時所產生的能量損耗，其傳播模型如下所示。

L=32.45+20lgd+20lgf（1）

其中，自由空間損耗L的單位為dB，傳播距離d的單位為km，無線電波頻率f的單位為MHz。利用傳播模型對各系統在傳播距離為1、10、15、20m的不同距離進行了自由空間路損計算，其結果如圖2所示。

根據圖2分析：各系統無線電波隨著距離的增大傳播損耗逐漸增大，GSM900和cdma800因使用的頻段較低，其傳播損耗相對較低，在同距離傳播的情況下，與使用頻段最高的WLAN系統相比，大約相差10dB，意味著低頻段系統無線電波傳播能力與高頻段系統相差較大，TD-LTE與WLAN使用頻段相近，在自由空間中傳播損耗相差不大，它們的傳播能力相近，3G系統因使用頻段相近，傳播損耗也相差不大。實際的室內無線信號傳播會受到各種障礙物的阻擋，需根據特定的室內傳播模型進行各系統覆蓋性能分析。

圖2　各系統自由空間傳播損耗

4.2各系統室內傳播分析

各系統信號從信源設備發出至用戶接受主要經過分布系統損耗和室內傳播損耗兩大部分，分布系統損耗是指信號在合路器、功分器、耦合器、傳輸饋線等傳輸器件中傳輸，造成的插入損耗、分配損耗、傳輸損耗等。室內傳播損耗指信號從天線發射出至用戶終端所產生的損耗，主要由信號在空氣中傳播和穿透室內障礙物引起的損耗，由最大允許路損（Maximal Allowed Path Loss，MAPL）決定，本文采用室內衰減因子傳播模型進行各系統覆蓋性能分析，其傳播模型如下所示：

PathLoss=PL（d0）+10nlog（d/d0）+FAF（2）

其中，PL（d0）為距離天線1m處的路徑損耗（自由空間損耗）；d為傳播距離；n為衰減因子（2～3.5），不同的無線環境，衰減因子n取值不同；FAF為附加衰減因子，主要由樓板、隔墻、墻壁等引起的附加損耗。

根據室內分布系統信號傳輸方式，可以得到以下室內傳播鏈路預算關系式：

天線口導頻功率=信源輸出功率-分布系統損耗（3）

MAPL=天線口導頻功率+天線增益-邊緣場強（4）

室內傳播損耗：PL=PL（d0）+10nlog（d/d0）+FAF=天線口導頻功率+天線增益-邊緣場強（5）

從公式（5）可以分析出，在特定的室內環境，各系統天線口導頻功率決定了各自的覆蓋范圍，導頻功率與天線出口總功率密切相關，因此室內覆蓋中天線功率的設置尤為重要。根據以上關系式可進行各系統室內鏈路預算。

4.3各系統室內覆蓋鏈路預算

根據《電磁輻射防護規定》標準，室內天線口發射總功率不能大于15dBm。前文分析得出天線覆蓋距離與天線口的功率密切相關。根據室內覆蓋指標，無線系統的自身特性，查閱相關資料，得到各系統相關指標如下：

（1）GSM系統：GSM900與 GSM1800系統導頻功率與天線口的總功率相同，最大為15dBm，信源發射功率最大為43dBm，工程中一般取值37dBm，廣播控制信道（Broaddcast Control Channel，BCCH）主控信道最小接收電平不小于-85dBm。

（2）TD-SCDMA系統：天線口導頻信道功率約為天線口總功率的2/9左右，導頻功率最大為15+10lg （2/9）=8.5dBm；信源發射功率一般取33dBm，主公共控制 物 理 信 道（Primary Common Control Physical Channel，PCCPCH）最小接收電平不小于-85dBm。

（3）CDMA系統：導頻功率占信源總功率的10%～30%，本文按15%進行計算，信源最大發射功率20W，則信源導頻功率為35dBm，天線口最大功率15dBm，天線口最大導頻功率為15+10lg（0.15）= 6.8dBm，單載波前向鏈路接收信號功率≥-85dBm。

（4）WCDMA系統：導頻功率約為信源總功率的10%，載頻最大發射功率為20W，則信源導頻功率為33dBm，天線口最大功率15dBm，則天線口導頻功率最大為15+10lg（0.1）=5dBm，邊緣導頻功率≥-85dBm。

（5）LTE系統：TD-LTE與FDD-LTE在20MHz工作帶寬情況下有100個RB，子載波數量為1200個，1200個子載波共用天線口的15dBm最大功率，則每個子載波的最大導頻發射功率為15-10lg1200=-15.8dBm；信源單通道發射功率為43dBm，每個子載波RSRP為43-10lg1200=12.2dBm，邊緣RSRP接收電平不小于-105dBm。

（6）WLAN系統：發射功率最大為27dBm，邊緣覆蓋場強不小于-75dBm。

在各個系統天線口最大發射功率為15dBm的情況下對各個系統進行鏈路預算，其結果如表2所示。

表2　各系統鏈路預算對比

4.4各系統覆蓋性能對比

在多網共建共享室分系統的情況下，各系統無線信號從室內分布系統中同一天線發出，為確定各系統的覆蓋性能，本文使用衰減因子傳播模型進行定量分析，選擇較封閉室內場景，例如酒店寫字樓等場所，衰減因子n取值為3，附加損耗FAF取值23dB，通過理論計算各系統在封閉場景的最大覆蓋距離。根據室內傳播損耗模型：PL=PL（d0）+10nlog（d/d0）+FAF=天線口導頻功率+天線增益-邊緣場強，在不考慮其他環境因素的情況下，計算各系統在天線口功率為5～15dBm的范圍內，暫不考慮天線增益，各系統的覆蓋性能對比統計情況如圖3所示。

圖3　各系統封閉室內環境覆蓋性能對比

根據圖3的數據顯示：在各系統天線口功率為5～15dBm，GSM900系統覆蓋能力最強，覆蓋距離在15～33m，cdma800覆蓋能力和GSM1800系統相近，覆蓋距離約9～20m，TD-SCDMA、WCDMA、LTE與WLAN覆蓋能力相差不大，因TD-LTE與WLAN使用頻段相近，空間傳播損耗相近，兩系統覆蓋距離約為4～8m，FDD-LTE室內分布系統使用頻段低于TD-LTE系統，覆蓋能力相對TD-LTE較強。在室內分布系統設計中，如各系統天線口功率相同，則會造成覆蓋能力強的網絡覆蓋區域過大，覆蓋能力弱的網絡覆蓋區域過小，會導致越區覆蓋和弱覆蓋區域，因此在多網共建共享的室內分布系統設計中，需對各系統做好鏈路預算，使各系統達到同區域同距離覆蓋。

5　各系統同覆蓋技術

5.1各系統天線功率規劃

根據各系統室內覆蓋指標，利用室內衰減因子傳播模型，選擇多網融合室內分布系統建設常用場景，例如機場、車站、大型場館等半開放室內環境，通過理論計算各系統覆蓋20m所需天線口輸入功率，其中衰減因子模型中n取值2.5，附加衰減因子FAF取值15dB，天線口增益均為3dBi，LTE均以20MHz工作帶寬，子載波數量為1200個計算，以TD-LTE天線口功率計算進行說明。

根據室內衰減因子傳播模型：

PL=PL（d0）+10nlg（d/d0）+FAF（n=2.5，FAF=15dB）

TD-LTE空間傳播損耗：PL=39.68+25lg20+15= 87.21dB

由覆蓋指標可知，邊緣子載波RSRP不小于-105dBm，根據天線口輸入子載波RSRP+天線增益-PL＞=-105dBm得到：

天線口輸入子載波RSRP＞=-20.79dBm

TD-LTE系統帶寬為20MHz，每個子載波為15KHz，共有1200個子載波，則天線口輸入功率為：P=-20.79+10lg（1200）=10dBm，根據理論得到各系統天線口輸入功率如表3所示。

表3　各系統天線口輸入功率對比

表3是各系統在半開放室內環境下覆蓋距離為20m的天線口輸入功率，GSM系統因覆蓋能力最強，天線入口功率最小，TD-LTE與WLAN傳播能力相差不大，天線入口功率相近。實際建設中，多運營商室內覆蓋系統采用多天線、小功率的設計思路，在封閉的室內場景，天線輸入功率以覆蓋6～10m進行規劃，在半開放室內場景，天線輸入功率以覆蓋10～20m進行規劃，各系統天線功率需根據實際室內環境進行規劃設計。

5.2各系統功率匹配方案

在多網融合室內分布系統中，各系統天線口的功率大小決定各自的覆蓋范圍，為使各系統在同天線同區域達到各自無縫覆蓋的效果，可通過以下3種功率匹配方法實現。

（1）在各系統信源功率不變的情況下，可通過控制分布系統的饋線傳輸損耗、功分器和耦合器的分配損耗、器件插入損耗等分布損耗，以及調整天線的增益，使各系統信號傳輸至天線時達到同距離覆蓋效果。

（2）對各系統信源進行功率控制，將2G覆蓋能力強的系統信源功率調小，降低覆蓋范圍，將高頻段覆蓋能力弱的系統信源功率調大，增大覆蓋范圍，從而達到各系統同距離覆蓋效果。

（3）利用2G低頻段覆蓋距離遠的優勢，2G系統獨建一路進行室內覆蓋，3G、LTE和WLAN合路輸出，因3G、LTE和WLAN覆蓋距離相差不大，則容易達到同覆蓋效果。

由以上3種功率匹配方法，可得到如圖4、5所示的兩種功率匹配覆蓋方案。

如圖4所示，在大型的公共室內場景，根據室內用戶需求，三大運營商的2G、3G、LTE以及WLAN可通過多頻合路器合路后經過統一的室內分布系統進行覆蓋，采用這種方案需要對各個系統進行詳細的鏈路預算，使各系統達到同天線同覆蓋效果，避免某些區域產生強覆蓋、弱覆蓋現象。在一些特殊場景，也可采用如圖5所示覆蓋方案進行室內覆蓋。

圖4　多網融合功率匹配覆蓋示意圖

如圖5所示，覆蓋能力強的2G系統可單獨部署一路進行室內覆蓋，選擇支持800～2500MHz頻段的天線，主要部署在對數據業務不高的環境，如地下停車場和電梯，因在半開闊室內場景中，其覆蓋距離可達到30m以上，不必降低2G系統的功率，這樣可減少室內天線數量，在未來可將2G系統直接升級改造為LTE系統，LTE800頻段與2G系統覆蓋在半開闊的室內場景覆蓋能力相當，即可不必改造天饋系統，此種方案可在滿足當前用戶需求的同時考慮到未來的發展方向，節約資源，且部署容易。同時，在半開放的室內場景，也可利用室外2G系統對室內進行覆蓋，在室內只需將覆蓋能力相當的3G、LTE和WALN系統進行合路輸出，使各系統較容易達到同覆蓋效果。這種方案即可減少多系統之間存在的干擾，也提高了資源利用率，是一種從長遠角度發展考慮的室分系統部署方案。

圖5　多網融合功率匹配覆蓋示意圖

6　結束語

多網融合室分系統主要針對大型的室內覆蓋場景，在覆蓋設計中，需考慮與室外覆蓋協同。在多系統融合建設的室分系統，因各系統頻段不同、覆蓋指標不同、覆蓋能力也不同，各系統功率不匹配會導致室內出現越區覆蓋、弱覆蓋甚至信號外泄的現象，本文主要對各系統在自由空間，密閉室內環境的傳播性能做了詳細分析，分析了各系統的覆蓋能力差異，最后利用衰減因子傳播模型對各系統在半開闊室內場景下，進行了同距離覆蓋天線口功率規劃分析，同時提出了3種功率匹配方法，對比了兩種多網融合室分系統功率匹配覆蓋方案，為多網融合室分系統的設計提供了參考。

參考文獻

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收稿日期：（2016-03-28）

Research on the cover planning of multi-network fusion indoor distribution system

LIU Libing，XIAO Hanchun

Abstract：The multi-network integration indoor distribution system mainly makes use of the multiple frequency combiner（POI）will multiple systems unified access indoor distribution system，to cover the large indoor environments. This paper introduced the principle of indoor distribution system，frequency usage，and study the transmission performance of each system in free space and coverage performance in closed indoor environment.In the end，according to the indoor cell-edge of each system，using the indoor propagation attenuation factor model analyses the antenna power of each system when cover the same distance，put forward two kinds of power matching schemes，provides guidance for multiple network convergence indoor coverage design.

Key words：indoor distribution system；co-construction and sharing；the cell-edge；power matching