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黃云飛,唐永麗,朱裕江

　　摘要　文章針對3G室內分布系統建設的關鍵因素：規劃選點、設計方法、系統驗證等進行了全面的分析和探討。  
　　根據理論分析和試點測試數據，提出了3G室內分布系統的設計標準、設計原則、驗證方法等，是該領域現階段的研究熱點及難點。 

1、概述 

　　隨著3G腳步的日益臨近，室內分布系統建設的緊迫性及重要性越來越突出。首先，室內分布系統的話務量占比很大。根據DoCoMo的最新統計，室內場所占了近80%的話務量，而在實施了室內覆蓋的建筑物內話務量增大了1.43倍。從國內的經驗數據可以看出，目前2G網絡60%～80%的移動用戶話務量也發生在室內。其次，從3G業務使用來看，室內環境舒適，用戶大多在室內消磨等候的時間，因此，室內用戶更喜歡使用3G的豐富業務。為了更好地滿足用戶體驗，樹立良好形象，運營商應該對3G的室內覆蓋建設給予足夠重視。 

　　從解決覆蓋、容量、質量這三個網絡規劃及優化主題來看，室內分布系統都是非常重要的解決手段。從網絡覆蓋來看，室內分布系統可以解決室內盲區及干擾區域；從網絡容量來看，室內覆蓋還可以分散密集區域的話務量，從而減輕室外基站的壓力，降低室外基站的數量和配置；從網絡質量來看，室內覆蓋降低了室外系統的負荷，由于3G自干擾的特性，也就降低了網絡整體干擾水平，從而提高整個系統的質量、容量。因此，室內覆蓋對于3G網絡的建設具有至關重要的作用。本文從以下三方面對WCDMA室內分布系統的規劃、設計、測試方法進行細致分析： 

　　◆做哪里：解決如何選點問題。 

　　◆怎么做：解決選點之后如何進行方案設計的問題。 

　　◆如何驗證：解決系統實施后的測試驗證的問題。 

2、規劃選點的原則和方法 

　　由于自干擾性、呼吸效應、同頻復用等原因，3G室內分布系統與傳統2G室內分布系統相比，有很大的差別。對新的移動運營商而言，為了在網絡運營初期能與先進入者的網絡質量可比，必須考慮提前建設的問題，此問題有兩個重要特點： 

　　◆如果沒有室外網絡環境，將無法準確預測室外基站在室內的信號覆蓋及干擾情況。那么，應如何進行選點? 

　　◆如果沒有室內的標準信源，將無法對系統質量進行驗證。那么，如何保證信源接入后的覆蓋質量?在設計階段如何設定合理的覆蓋標準，以滿足3G各種業務的需求? 

　　下面先分析選點的問題，后面章節將對第二個問題進行分析。 

　　2.1　3G室內分布系統規劃選點應遵循的原則 

　　3G室內分布系統選點應遵循以下三個原則： 

　　◆統一性：即室內室外站點規劃的統一，在建設室內覆蓋時，要考慮室外信號的影響，同時需考慮對室外干擾水平的提升。 

　　◆差異性：由于網絡建設受投資限制，因此要以用戶滿意度為衡量標準，以制定不同建筑物的室內質量目標。對于不同的區域及建筑物，可在建設策略、建設階段進行差異性調整。 

　　◆經濟性：對于一個特定的建筑物，室內覆蓋有多種選擇時，需合理選擇覆蓋標準及設計方案，以達到性價比最大化。 

　　2.2　3G室內分布系統規劃選點目標 

　　建設室內分布系統是為了消除建筑物內部的信號盲區、弱區，解決建筑物內部信號雜亂造成的通話質量差等問題，以及分擔室內話務量并改善網絡擁塞。 

　　表1把3G室內分布系統建設目標分為5類，實際建設時可結合室外基站對室內的覆蓋情況作相應的調整。

表1　3G室內分布系統建設目標及范圍


　　2.3　選點優先級

　　3G室內覆蓋系統的建設應根據覆蓋等級、話務等級，結合市場發展策略，確定建設優先級，分批建設。對無法利用室外基站信號達到室內良好覆蓋以及對業務需求大的公共場所，應優先安排建設。

　　根據權威調查公司的影響力模型分析結果，對于新的移動通信產品，年輕人、白領商務人士對其它人群是否使用該產品的影響力最大。對于新運營商，要擴大品牌效應，應有針對性地對年輕人、商務白領人士經常活動的場所優先覆蓋。優先覆蓋的原則如下：

　　◆從建筑物的性質考慮：大型公共場所、重要辦公樓優先。

　　◆從話務量角度考慮：高業務量區域、人流量大的區域優先。對擁有二代網絡的運營商而言，應優先考慮2G／3G需求有交集的建筑。可根據2G網絡的話務量來分析3G的需求。

　　◆從覆蓋角度考慮：根據2G的經驗，樓高15層以上、單層面積超過1200平方米、室內間隔較多的建筑物優先。如果存在2G網絡，且3G規劃站址相同，可根據目前2G的覆蓋情況較準確地預測3G覆蓋情況；也可根據室外基站規劃仿真結果，對室外基站能否解決室內覆蓋進行初步判斷。

　　3、設計方法

　　3.1　設計標準的取定

　　設計標準的取定直接影響到器件選用、設計方法、天線密度、系統效果等因素。下面從理論及實測兩方面進行研究。

　　（1）理論分析

　　一般來說，以導頻信號強度Ec作為WCDMA室內分布系統的覆蓋衡量標準之一。Ec的確定與業務要求、覆蓋要求、Ec/Io要求以及Io相關。

　　設：

　　室外基站在室內總信號強度RSSI’=Io-o（dBm），熱噪聲No（dBm），

　　室內基站導頻信號強度RSCP=Ec-I（dBm），RSSI=Io-I（dBm），

　　那么，考慮室內室外信號綜合因素后，

　　總Io=10log[10ˆ（Io-o/10）+10ˆ（Io-i/1O）+10ˆNo]（dBm）。

　　設室內分布系統基站導頻功率占室內總功率的10%，在50%負載情況下，

　　Io-I=Ec-i+7（dB）（因為50%負載，相當基站輸出功率=導頻信號+10-3dB）

　　此時，Io=10log[10ˆ（Io-o/10）+10ˆ（（Ec-i+7）/10）+10ˆ（-108+7）]（dBm），

　　室內Ec/Io=Ec-i-Io=Ec-i-10log[10ˆ（Io-o/10）+10ˆ（（Ec-i+7）/10）+10ˆ（-101）](dB)

　　其中，No=-108+7=-101dBm，7為終端的噪聲系數。

　　根據上述公式，可以得出在室內系統信源導頻邊緣場強Ec-i確定時，室外底噪與Ec/Io的關系曲線圖（如圖1所示）。


圖1　室外底噪與Ec/Io的關系曲線圖（室內RSCP為-85dBm，50%加載）

　　可見，在室內覆蓋邊緣導頻Ec-i一定的情況下，Ec/Io與室外基站的RSSI存在量化關系，反之也成立。例如，當室外基站RSSI=-78dBm時，由圖可得，如果要保證Ec/Io＞-10dB，需要Ec-i＞-85dBm。

　　（2）某城市CDMA網絡的測試數據

　　從上述分析可知，如果要確定室外基站在室內建筑物的準確Io，需給Ec預留恰當的余量，以保證Ec/Io，從而確定Ec的設計目標，這在室外網絡未開通時非常關鍵。

　　為了得到典型Io數據，選取某城市部分典型樓宇進行底噪現場測試，并對結果進行統計分析，如圖2所示。


圖2　建筑物室內的室外基站底噪測試圖

　　從圖2 可知，底噪Io有90%的概率小于-78dBm。又從圖1可知，如果設定Ec＞-85dBm，則有90%概率的區域可以保證Ec/Io＞-10。從3G實際測試結果可得：只要Ec/Io＞-10，且RSCP＞-90，則能夠保證95%以上的概率業務速率＞384kb/s。從鏈路預算的角度分析，-85dBm的邊緣場強可以保證384kb/s的業務速率要求。綜合考慮業務覆蓋需求及Ec/Io要求的最大值，即可得到邊緣場強覆蓋標準。

　　（3）設計標準

　　根據以上理論分析及實際測試的結果，對于WCDMA室內分布系統的設計目標，可按以下標準設計。

　　◆電磁環境較差區域（RSSI＞75dBm的區域）以及重點覆蓋區域：要求導頻信號強度≥-85dBm，導頻Ec/Io≥-10dB。

　　◆一般區域：要求導頻信號強度≥-90dBm，導頻Ec/Io≥-12dB。

　　◆地下層、電梯：導頻信號強度≥-95dBm，導頻Ec/Io≥-12dB。

　　3.2　設計原則

　　下面對室內分布系統方案設計中可遵循的幾個原則進行分析。

　　（1）多天線小功率設計原則

　　在室內分布系統方案設計中，考慮到室內環境的特殊性（如隔墻損耗）、減少信號外泄、降低室外信號對室內的影響三方面因素，也為了保證系統均勻、有效覆蓋，可根據模擬測試結果，采用多天線小功率原則，合理布放天線，保證室內分布效果。具體如表2、表3所示。

表2　增加天線數量得到的增益（分裂增益）


表3　增加天線數量得到的增益（隔墻增益+分裂增益）


　　從表2、表3的數據可知，合理增加天線數量，可有效節約信源功率，達到良好的覆蓋效果。

　　（2）MCL（最小耦合損耗）原則

　　◆MCL取值原則

　　MCL定義為基站和手機之間的最小耦合損耗。MCL=手機到天線的自由空間損耗+天線到基站接收機的天饋系統損耗。

　　手機到天線的最小空間損耗，例如通常取值1米的空間損耗為38.4dB。

　　天饋系統損耗主要包括饋線傳輸損耗、器件分配損耗等。

　　考慮到基站噪聲系數，WCDMA基站底噪聲為-105.1dBm，由于UE的最小發射功率為　50dBm，那么，當MCL小于-50-（-105.1）=55.1dB時，由于快速功率控制機制已經沒法讓UE降低功率，這時UE的業務將抬高基站的底噪，以降低基站的靈敏度，如表4所示。

表4　WCDMA基站噪聲分析


　　一般取MCL≥65dB（UE為-50dBm發射時，到達基站的底噪-50-65=-115dBm），基站的靈敏度下降≤0.4dB。

　　當UE離天線口為1m時，假設基站發射導頻功率為33dBm，則室內天線口發射功率必須滿足以下要求：

　　MCL=38.4dB+（33-天線輸出功率）≥65dB，

　　天線口功率≤6.4dBm。

　　◆MCL實驗

　　為了驗證MCL對天線口功率要求，用UEA/B2個終端在某地進行了MCL試驗。表5所示的情況1～3中，逐漸降低MCL（UEA逐漸靠近天線）。

表5　MCL現場測試數據


　　從表5的測試結果可知，B發射功率隨著A離天線的距離越近而越大。A接近天線，手機與基站接收機的上行鏈路損耗減少，等同于在A手機不移動時天線口的導頻功率增大，這時終端對基站靈敏度的影響也逐漸增大，系統的底噪增大。

　　◆小結

　　天線口功率過大可能會引起手機相互干擾，以及帶來遠近效應，而離天線近的手機會阻塞覆蓋邊緣手機的接入，進而影響分布系統的容量和質量。另外，國家電磁輻射標準規定室內天線口功率小于15dBm（總功率），在WCDMA系統中，一般導頻功率占總功率的10%，因此3G室內天線口導頻功率不能超過5dBm。綜合考慮MCL的影響及國家電磁輻射標準，建議建議室內分布天線口導頻功率不超過5dBm。

　　（3）天線布放密度原則

　　一般情況下，如果已有2G分布系統，則可以根據頻段損耗的差別對3G的信號進行預測。理論上，3G和其它系統的空中傳播損耗相比，差別如表6所示。

表6　不同系統空中傳播損耗差別


　　在某地選取典型建筑物進行WCDMA覆蓋能力測試，不同性質區域WCDMA的典型天線覆蓋半徑如下（取邊緣Ec＞-90dBm）：

　　◆天線口導頻功率0～5dBm，典型地下停車場天線覆蓋半徑為15米；

　　◆天線口導頻功率0～5dBm，酒店的天線可覆蓋前后左右四個房間（四個房間對門）；

　　◆天線口導頻功率0～5dBm，有貨架的超市覆蓋半徑為12米；

　　◆天線口導頻功率0～5dBm，利用壁掛天線（增益6dBi）水平方向打覆蓋電梯井和電梯廳，可以覆蓋3層（上下各一層）；

　　◆天線口導頻功率0～5dBm，板狀天線（增益11dBi）垂直向下打覆蓋電梯，主瓣可覆蓋4層，后瓣可覆蓋1層。

　　4、提前建設如何驗證系統可行性的問題

　　在3G信源沒有開通前，如何驗證分布系統建成后的系統效果，這是與2G系統最大的區別（2G系統先建外網后建室內分布系統，且有信源接入室內分布系統來驗證實際通話效果）。所謂提前驗證系統效果，是指目前的系統建設需保證3G信源開通后，要調整的工作量達到最少。

　　對于室內分布系統本身，如果沒有信源就沒有辦法進行實際的撥打測試；對于整個網絡，如果沒有信源就沒有辦法準確了解室外基站在室內的信號情況。而對于CDMA系統，室外信號在室內實際上降低了室內系統的Ec/Io。本節探討對室內分布系統本身的驗證方法。我們在某室內分布系統站點分別采用實際信源與導頻發射機作為信源進行比較測試，測試的內容包括：導頻覆蓋、Ec/Io的差別。實際WCDMA信源的導頻功率33dBm，模擬導頻發射機導頻功率30dBm，差別3dB。下面是測試結果。

　　4.1　場強分布情況的比較

　　場強分布情況的比較如表7、圖3、圖4所示。

表7　CPICH-RSCP統計平均值比較表


圖3　實際信源測試圖


圖4　模擬信源測試圖


　　從表7、圖3、圖4的數據可以看出，考慮到2個信源導頻輸出功率3dB的差值，導頻強度的分布路線在方向和趨勢上基本是一致的。

　　4.2　Ec/Io比較

　　從表8的數據可以看出，考慮到2個信源導頻輸出功率3dB的差值，以及Io的差別，導頻強度的分布在趨勢上基本是一致的。

表8　Ec/Io統計平均值比較表（dB）


　　4.3　小結

　　從實際信源和模擬導頻信源的比較測試可以看出，采用模擬導頻信源進行系統開通前的驗證是可行的。采用模擬導頻信源代替實際3G信源接入到室內分布系統中，可以對開通后的室內系統覆蓋效果進行驗證，驗證內容可以包括導頻覆蓋、Ec/Io、室外信號泄露情況、天饋系統的駐波比等。從這些角度驗證后，結合上述理論及試點確定的設計標準，可以較好地保證3G室內分布系統接入信源后的網絡質量。

　　5、總結

　　無線規劃設計領域屬于經驗性科學，3G室內分布系統建設是無線規劃領域一個全新的課題，很多經驗需要在實際建設、試點時進行分析和總結。本文提出的方法和得出的結論需要在實際的3G網絡運營成熟后，進行進一步的驗證和完善。