移動通信室內(nèi)分布天線位置選擇對其覆蓋性能的影響

文 段萌 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(dǎo)致城市的移動通信的無線傳播環(huán)境復(fù)雜，尤其是很多高層建筑內(nèi)各種材料對電磁波的穿透損耗較大，單一室外站點覆蓋不能滿足室內(nèi)移動通信的需求，因此又產(chǎn)生了作為延伸覆蓋的室內(nèi)分布系統(tǒng)，本文在分析GSM及室分原理基礎(chǔ)上，對現(xiàn)網(wǎng)部分區(qū)域的室內(nèi)覆蓋的測試分析，說明其室內(nèi)覆蓋中分布天線位置設(shè)計選擇的重要性。

GSM網(wǎng)絡(luò)是目前提供移動通信服務(wù)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(fù)利用這種不可多得的載頻是增加網(wǎng)絡(luò)容量，但通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)運行發(fā)現(xiàn)部分室內(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)果和移動通信原理的深入分析，給出室內(nèi)分布系統(tǒng)種天線位置的設(shè)計選擇的對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及總體網(wǎng)絡(luò)資源利用率的影響，以此證明傳統(tǒng)的室內(nèi)分布天線位置的選擇設(shè)計方法改進的必要性，供實際工作參考。

GSM網(wǎng)絡(luò)及其室內(nèi)分布工作的原理

GSM網(wǎng)絡(luò)是典型的第2代移動網(wǎng)絡(luò)之一，由于其成熟的技術(shù)發(fā)展使其成為移動運營商承擔(dān)手機客戶業(yè)務(wù)的主選網(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(wù)的MSC移動交換機和承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的SGSN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BSC基站控制器、BTS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，大中城市愈來愈多大型高層建筑，且建筑物內(nèi)的各種材料對電磁波的傳播損耗較大 導(dǎo)致室外站點覆蓋不能滿足室內(nèi)移動通信需求，因此現(xiàn)代通常采用如圖2所示的室內(nèi)分布系統(tǒng)。室內(nèi)分布系統(tǒng)通常由信源、功分器、合路器、饋線、分布天線組成。室內(nèi)天線小覆蓋區(qū)域位置及其大小是影響該室內(nèi)通信質(zhì)量的主要因素之一，通常室內(nèi)小區(qū)的覆蓋通過上下行無線鏈路的預(yù)算預(yù)測其覆蓋范圍的大小，即手機所在的位置區(qū)域上下行的接收信號強度的大小是否在接收門限以上，而接收信號強度Prx大小由天線發(fā)送功率Ptx的大小減去各種損耗，包括路徑損耗、天饋線損耗等其它損耗：

Prx = Ptx-路徑損耗-其它各種損耗

通常室內(nèi)無線信號的傳輸衰耗近似采用自由空間損耗公式，同時考慮到室內(nèi)部分電波傳播需穿越部分墻壁或樓層，其傳輸損耗公式如下：

其中：

f：使用頻率，單位MHz

d：輻射天線和手機之間的距離，單位km

K：電波穿越的樓層數(shù)

Fk：樓層間的損耗，單位dB

P：電波穿越的墻壁數(shù)

Wk：墻壁損耗，單位dB

高層建筑內(nèi)各種材料墻壁構(gòu)成的障礙物及其相對位置的變化導(dǎo)致其無線傳播環(huán)境較為復(fù)雜，下面是不同的墻壁材料對電波傳播的統(tǒng)計經(jīng)驗值：

由上表可以看出，其金屬的穿透損耗達到25dB，而水泥墻根據(jù)具體材料的不同其穿透損耗15～30dB。

圖2 室內(nèi)分布系統(tǒng)示意圖

一般室內(nèi)分布天線位置選擇設(shè)計狀況及實際測試結(jié)果分析

下面是某市區(qū)內(nèi)一具有室內(nèi)分布系統(tǒng)的高樓內(nèi)第5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）：

第5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，且天線的出口功率包括位于0509房間大門外的天線出口功率都達到了大約-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。

由圖3可知緊鄰0509房間大門外有輸出功率達-20dBm的天線，下面通過開門、關(guān)門測試結(jié)果對比分析，該天線對室內(nèi)通信作用和室內(nèi)移動業(yè)務(wù)的影響

0509房間開門測試結(jié)果分析：

由圖4和圖5可以看出，當(dāng)開門測試時，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：

絕大多數(shù)時間室內(nèi)信號遠強于其鄰區(qū)信號，手機開機時就選擇駐留到室內(nèi)小區(qū)，手機呼叫過程中，當(dāng)手機處在個別位置時短暫的時間內(nèi)信號雖然變?nèi)酰缘陀谄溧弲^(qū)，但由于切換控制參數(shù)中與時域相關(guān)的參數(shù)控制，并無切換到室外小區(qū)，充分利用室內(nèi)小區(qū)資源。

0509房間關(guān)門測試結(jié)果分析：

當(dāng)對位于圖3中右上角的第5層樓內(nèi)的0509房間關(guān)門測試，從圖6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)信號強度如下：

由圖7可知，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。

0509房間的大門是金屬門，通過實際測試對天線輻射到室內(nèi)的穿透損耗達大約25dB。由上可知，盡管0509房間門外樓道內(nèi)的布放有分布天線，且其發(fā)送功率已達到電磁環(huán)保的要求的上限，考慮到綠色電磁環(huán)保人身健康不能再加大其發(fā)送功率，但實際高層建筑內(nèi)絕大多數(shù)的移動用戶關(guān)門的情況下使用移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的，該天線的覆蓋對于吸納室內(nèi)的業(yè)務(wù)量影響不大，進而引起室內(nèi)資源不能充分利用，這種傳統(tǒng)的天線位置布放設(shè)計有待于進一步改進，其分布天線應(yīng)延伸到房間內(nèi)，僅限于在樓道內(nèi)或弱電井、樓梯內(nèi)、電梯內(nèi)規(guī)劃設(shè)計布放設(shè)計天線不能真正提升整個移動網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。

圖3 第5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

圖4 0509房間開門CQT測試時的小區(qū)選擇及切換狀況示意圖

圖5 0509房間開門測試時掃頻儀測的各個小區(qū)BCCH信號強度示意圖

圖6 0509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7 0509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

結(jié)論

總之，天線位置的設(shè)計是室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計中的主要內(nèi)容之一，而傳統(tǒng)的室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計中為了覆蓋房間內(nèi)的移動業(yè)務(wù)區(qū)域通常將天線布放位置的選取通常都將天線位置布放到樓道這種方式，不能充分吸納室內(nèi)移動業(yè)務(wù)，室內(nèi)移動業(yè)務(wù)占整個移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的70%，由此可見，為提升整體網(wǎng)絡(luò)資源的利用率傳統(tǒng)的室分設(shè)計中天線的布放位置的選區(qū)設(shè)計方式有待于改進。