高層樓宇無線通信網(wǎng)絡(luò)分布系統(tǒng)覆蓋設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

鐘建明

（中國鐵塔股份有限公司云浮市分公司，廣東 云浮 527300）

0 引 言

在現(xiàn)代化城市發(fā)展進(jìn)程中，高層、超高層、大規(guī)模綜合建筑的增加，對(duì)建筑內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量產(chǎn)生了重大影響。為解決此類問題，相關(guān)研究人員正在深入研究網(wǎng)絡(luò)分布系統(tǒng)，以提升網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)，創(chuàng)建高質(zhì)量的室內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)，減少網(wǎng)絡(luò)中斷和時(shí)延等問題，滿足廣大用戶對(duì)于優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的需求。

1 高層樓宇特性分析

1.1 高層樓宇分區(qū)

從結(jié)構(gòu)和空間使用層面，高層樓宇主要分成5個(gè)區(qū)，分別是地下停車場、室內(nèi)電梯、住宅套房內(nèi)空間、低層大型商場超市（商住樓大型綜合體配置）以及樓宇樓頂和室外綠化公共服務(wù)區(qū)。

1.2 覆蓋方案維度

室內(nèi)分布系統(tǒng)是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)、相對(duì)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)工程。該系統(tǒng)的宗旨是提供優(yōu)質(zhì)的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以滿足區(qū)域內(nèi)用戶的需求。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，始終圍繞著容量、覆蓋質(zhì)量、綜合造價(jià)3個(gè)維度來開展規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)及維護(hù)優(yōu)化工作。

1.3 信號(hào)和系統(tǒng)來源

室內(nèi)分布系統(tǒng)的信號(hào)和系統(tǒng)來源可以分為有源室分、無源直放站室分。有源室分系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量較高且信號(hào)源穩(wěn)定，但整體造價(jià)較為昂貴。無源直放站室分系統(tǒng)的使用優(yōu)勢在于安裝簡便和成本低，但容易產(chǎn)生干擾，且容量有限。

1.4 系統(tǒng)選材組網(wǎng)

室內(nèi)分布系統(tǒng)可以分為傳統(tǒng)同軸電纜饋線系統(tǒng)、泄露電纜系統(tǒng)、多頻多模光纖混合系統(tǒng)。泄露電纜系統(tǒng)適用于無外露天線的環(huán)境，整個(gè)安裝流程較為便捷且美觀，占地面積較少。光纖電纜系統(tǒng)的信號(hào)損耗程度在可接受范圍內(nèi)，但進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換時(shí)需要較大的資金投入，因此主要用于大型公共場合。同軸電纜系統(tǒng)的應(yīng)用范圍較廣，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但會(huì)產(chǎn)生信號(hào)損耗，因此需要使用干線放大器提高信號(hào)的精確性[1]。在多用戶共享和信源集中方面，有多系統(tǒng)接入平臺(tái)（Point of Interface，POI）和多頻合路器/電橋等設(shè)備可供選擇。

2 樓宇室分系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 總體覆蓋原則

2.1.1 優(yōu)先推行共建共享

在部署覆蓋時(shí)，應(yīng)根據(jù)容量和質(zhì)量要求選擇合適的主設(shè)備。在容量和質(zhì)量要求高的情景下，應(yīng)選擇功率大的主設(shè)備射頻拉遠(yuǎn)單元（Radio Remote Unit，RRU）信源；在容量和質(zhì)量要求不高的情景下，可選擇直放站。同時(shí)，應(yīng)盡量優(yōu)化信源的覆蓋面積，以減少信號(hào)損耗和干擾。為滿足多運(yùn)營商用戶多套系統(tǒng)同時(shí)的共享接入，將信源功分設(shè)備或耦合器通過POI進(jìn)行統(tǒng)一合路，從而節(jié)約信源投資。

2.1.2 多快好省

根據(jù)不同類型的覆蓋需求，可以采用薄覆蓋、專覆蓋、廣覆蓋相結(jié)合的方式。為降低建設(shè)成本和能耗，可以采用有源和無源結(jié)合的方案。在中低流量區(qū)域，采用無源室分系統(tǒng)；在雙路室分項(xiàng)目中，優(yōu)先采用雙極化天線方案。對(duì)于住宅小區(qū)平層的覆蓋，可以采用室外天線對(duì)打方案，即使用樓宇專用大張角天線進(jìn)行專項(xiàng)覆蓋。對(duì)于住宅、辦公樓、地下停車場，可以采用定向天線（對(duì)數(shù)周期天線或板狀天線等）進(jìn)行薄覆蓋。對(duì)于商場等場所，可以采用廣角漏纜或全向吸頂天線進(jìn)行覆蓋。

2.2 室分結(jié)構(gòu)規(guī)劃和覆蓋

室分系統(tǒng)采用“空間分集”概念，通過無源分布式多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）方案，利用基站設(shè)備多通道之間的聯(lián)合收發(fā)功能，在兩組獨(dú)立的雙發(fā)雙收（Two Transmit and Two Receive，2T2R）室分路由的重疊覆蓋區(qū)形成4T4R覆蓋，在不增加投資的前提下達(dá)到4T4R覆蓋效果。

采用有源無源相結(jié)合的覆蓋方案，如5G使用有源設(shè)備，而2G/3G/4G使用傳統(tǒng)的無源室分設(shè)備，這樣可以充分發(fā)揮有源室分容量高和無源室分成本低的特點(diǎn)，形成性能和成本最優(yōu)的高性價(jià)比方案。

室分外引樓層對(duì)打、電梯錯(cuò)層、上下對(duì)打以及地下停車場高增益天線對(duì)打等方案可以兼顧網(wǎng)絡(luò)覆蓋和造價(jià)。

天線的覆蓋范圍（間距）應(yīng)按照3G/4G/5G不同頻段單雙流速率要求，結(jié)合用戶群體分布、建筑大樓室內(nèi)外結(jié)構(gòu)功能分區(qū)等因素，通過專業(yè)室分設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬測算和綜合衡量，以確定合適的設(shè)定值。在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、質(zhì)量等要求的前提下，天線口的輸出功率設(shè)計(jì)值還應(yīng)考慮合適的必要余量，如5G天線末端功率在-15～-18 dBm范圍內(nèi)相對(duì)合適。此外，應(yīng)嚴(yán)格控制室分系統(tǒng)的信號(hào)外泄，確保室分小區(qū)的信號(hào)切換質(zhì)量。具體要求在樓宇室外10 m位置，室外基站信號(hào)電平應(yīng)比室分外泄電平高10 dB以上。

2.3 室分系統(tǒng)的建設(shè)步驟

樓宇室分系統(tǒng)建設(shè)流程主要包括基本信息獲取、現(xiàn)場勘察、圖紙方案設(shè)計(jì)、會(huì)審實(shí)施以及開通驗(yàn)收5個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。每個(gè)環(huán)節(jié)中都有許多小環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)貫穿了整個(gè)系統(tǒng)的生命線，包括原理、設(shè)計(jì)、規(guī)范及施工等安全和質(zhì)量方面。

圖1 樓宇室分系統(tǒng)建設(shè)流程

2.4 室內(nèi)分布系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)和策略

室內(nèi)分布系統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)包括智能天線技術(shù)、上行同步技術(shù)、軟件無線電技術(shù)、多用戶聯(lián)合檢測技術(shù)以及同步碼分多址和軟切換技術(shù)。

智能天線技術(shù)能夠有效擴(kuò)大室內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)的使用面積，并減少傳輸干擾問題，提高網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量。上行同步技術(shù)能夠?qū)o線網(wǎng)絡(luò)信息參數(shù)帶入與之相關(guān)的公式，得到較為精確的結(jié)果，保障無線通信信號(hào)質(zhì)量。軟件無線電技術(shù)主要是創(chuàng)建多功能基站與多模手機(jī)，實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，滿足不同體制間順暢通信的使用需求，進(jìn)一步提升通信系統(tǒng)的可操作性。多用戶聯(lián)合檢測技術(shù)能夠有效避免高層室內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)在使用期間出現(xiàn)的多址干擾問題，進(jìn)而擴(kuò)大系統(tǒng)總?cè)萘?。同步碼分多址和軟切換技術(shù)能夠提高高層室內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜使用效率[2]。

3 樓宇室分系統(tǒng)的具體應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 信源結(jié)構(gòu)和需求優(yōu)化

通過采用有源和無源相結(jié)合的方式，可以避免建設(shè)資金、成本和能源的不合理消耗。在高流量功能區(qū)域，以有源系統(tǒng)為主；在電梯、辦公區(qū)、停車區(qū)以及設(shè)備維護(hù)區(qū)等中低流量功能區(qū)，以無源系統(tǒng)為主，進(jìn)一步達(dá)到降低客戶成本的目的。對(duì)于普通場所，應(yīng)全面實(shí)施低耗、節(jié)約的無源室分系統(tǒng)。在中低流量區(qū)域，可選無源室分模式；在普通住宅小區(qū)，可采用天線對(duì)打的形式提高網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋率；在地下停車場、辦公樓、住宅等場所，可以應(yīng)用定向天線薄覆蓋的方式；在商場等長時(shí)間等候的場所，則可以引進(jìn)全向吸頂天線覆蓋和廣角漏纜系統(tǒng)。確保網(wǎng)絡(luò)信號(hào)全面覆蓋，同時(shí)降低建設(shè)和維護(hù)成本。

不同頻段信源的覆蓋目標(biāo)和覆蓋面積大方向是一致的，因此應(yīng)盡可能將4G和5G信源進(jìn)行耦合或功分，以減少投資。同時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員在POI合路或公用時(shí)，應(yīng)合理應(yīng)用高功率主設(shè)備RRU的覆蓋優(yōu)點(diǎn)，在保障基礎(chǔ)覆蓋面積的同時(shí)擴(kuò)大4G/5G信源范圍，并減少運(yùn)營商的信源投資。

3.2 勘察設(shè)計(jì)和預(yù)算層面細(xì)化要求

第一，提前與物業(yè)溝通，獲取建筑物的CAD圖紙，特別是覆蓋目標(biāo)對(duì)應(yīng)的電氣圖，包括線槽走線、電井、電梯等，便于后續(xù)設(shè)計(jì)室分饋線/網(wǎng)線/光纜、外市電電源系統(tǒng)。

第二，進(jìn)行現(xiàn)場勘察，結(jié)合建筑CAD圖紙重點(diǎn)核對(duì)現(xiàn)場情況，特別是弱電井、電氣房設(shè)備間、地下停車場和商城等天花板結(jié)構(gòu)走線、涉及室分外打天線樓頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)。使用滾輪尺、紅外測距儀進(jìn)行長度和高度實(shí)測，利用無人機(jī)航拍俯視圖和模擬室分外打測量樓層總體高度等。

第三，使用天越等有利于快速設(shè)計(jì)和預(yù)算編制的工具軟件，通過專業(yè)軟件對(duì)室分無源器件選擇、功率平衡、信號(hào)衰減以及末端功率等進(jìn)行綜合仿真管理，快速形成解決方案。

第四，在設(shè)計(jì)層面充分考慮多頻段合路和接入，使用的無源器件需要支持800～3 700 MHz頻段?？紤]多頻段合路，建議前3級(jí)無源器件功率為500 W。在室分外打方面，需要考慮防水型器件、防雷接地等設(shè)計(jì)要求。

第五，優(yōu)化天線口功率和天線密度的設(shè)計(jì)原理，按照室內(nèi)質(zhì)量覆蓋要求預(yù)留必要余量。同時(shí)，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)、覆蓋要求等控制天線覆蓋間距，在設(shè)計(jì)階段通過仿真模擬算運(yùn)適當(dāng)部署天線數(shù)量。在滿足天線口功率的前提下，采用1/2的饋線代替7/8線徑的饋線，以節(jié)省投資[3]。

3.3 天線的部署應(yīng)用

3.3.1 室分外打天線樓宇對(duì)打綜合覆蓋

高層室外采用廣角射燈天線的方式，通過少量饋線、無源器件將功率分配至安裝于建筑物樓頂?shù)纳錈籼炀€、室外板狀天線等，采用信號(hào)對(duì)打方式將無線信號(hào)由室外天線覆蓋至室內(nèi)區(qū)域，提高樓宇和對(duì)面樓宇室內(nèi)房間的信號(hào)質(zhì)量[4]。同時(shí)，室內(nèi)和室外綜合搭配補(bǔ)充，可全方位立體化解決多棟建筑物、呈現(xiàn)面狀覆蓋的住宅小區(qū)等場景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，羅定東方明珠三期室分外打設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 室分外打設(shè)計(jì)方案

3.3.2 電梯專項(xiàng)覆蓋和專用天線應(yīng)用

采用電梯專用壁掛天線，每3層安裝一副天線，如果2部電梯相鄰，左右電梯分別采取天線錯(cuò)層的方式覆蓋解決，以兼顧電梯廳網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量和造價(jià)。

如果電梯廳的信號(hào)質(zhì)量良好，為節(jié)約成本，可以重點(diǎn)關(guān)注電梯內(nèi)的信號(hào)覆蓋。對(duì)于5層以下的電梯范圍，可以部署對(duì)數(shù)周期天線來解決信號(hào)問題，天線口功率可設(shè)置為-8～-13 dBm。對(duì)于5至30層電梯的覆蓋目標(biāo)區(qū)域，可以部署1個(gè)高增益的電梯專用天線進(jìn)行覆蓋，根據(jù)現(xiàn)場條件和覆蓋效果選擇在井道底部或頂部安裝，天線口功率值一般可設(shè)置為-3～0 dBm；對(duì)于超過30層的建筑，可以在電梯間的頂部和底部分別部署1個(gè)高增益的電梯專用天線。

3.3.3 廣角漏纜合理推廣應(yīng)用

為有效提高廣角漏纜系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，在設(shè)計(jì)一字型走廊、回字形過道時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮使用此方法。廣角漏纜系統(tǒng)具有故障隱患少、應(yīng)用器件少等優(yōu)勢，能夠有效提高室內(nèi)覆蓋質(zhì)量，避免傳輸信號(hào)受到干擾。同時(shí)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)施工流程，可以將工期縮短40%以上，并節(jié)約10%左右的成本[5]。以云浮某商務(wù)大樓為例，利用廣角漏纜方式可比傳統(tǒng)的單極化天線形式減少約30%的成本。

3.3.4 雙路室分優(yōu)先用雙極化天線

在開展雙路室分項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，選擇雙極化天線作業(yè)形式可以節(jié)約10%左右的成本。同時(shí)，使用的天線數(shù)量減少，降低了后期設(shè)備維護(hù)和運(yùn)營的難度。

3.4 把控好材料質(zhì)量和施工過程質(zhì)量

在實(shí)施室分項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇甲方集采的材料，確保造價(jià)和材料品質(zhì)。每類產(chǎn)品、每批次產(chǎn)品到貨后均需進(jìn)行抽檢和整體驗(yàn)收。同時(shí)，要編制完善規(guī)范的施工方案，配置專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的施工工具、儀器儀表。重點(diǎn)關(guān)注分布系統(tǒng)前三級(jí)的施工質(zhì)量，并同步做好互調(diào)駐波等質(zhì)量測試。在施工過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，做好現(xiàn)場安全和質(zhì)量管控工作。此外，還需聯(lián)合運(yùn)營商完成室分設(shè)備的接入開通和調(diào)測優(yōu)化，并組織好交維驗(yàn)收項(xiàng)目歸檔結(jié)算等工作內(nèi)容。在室分接地保護(hù)方面，要注意地排規(guī)格，外打天線抱桿接地、搭接長度和搭接面積等細(xì)節(jié)，確保符合防雷接地相關(guān)規(guī)范。

3.5 室分電源規(guī)劃設(shè)計(jì)方面

在電源線的選型方面，考慮安全性和質(zhì)量穩(wěn)定性，優(yōu)先采用銅纜，并根據(jù)RRU和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）對(duì)應(yīng)的功率和壓降來計(jì)算線徑。同時(shí)，應(yīng)盡可能利用用戶現(xiàn)有的線槽和管道，以減少投資。結(jié)合射燈外打的點(diǎn)位和各個(gè)樓棟的設(shè)備間位置進(jìn)行組網(wǎng)，合理分配好用電功率負(fù)荷。

3.6 常見室分問題定位和處理

室分系統(tǒng)常見的問題主要包括駐波比和互調(diào)干擾、通話質(zhì)量差、下載速率低以及信號(hào)弱等。這些問題可能是無源器件材料質(zhì)量差、饋線接頭工藝不良、同頻干擾、POI故障、無主覆蓋小區(qū)、現(xiàn)場安裝天線不合理（對(duì)著金屬線槽等）以及信號(hào)外泄嚴(yán)重等因素引起的。為了解決這些問題，需要對(duì)室分系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的排查和定位。檢查無源器件的質(zhì)量，確保其符合設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)注饋線接頭的工藝質(zhì)量，避免因接頭不良而引起信號(hào)衰減或干擾。此外，對(duì)于同頻干擾問題，可以采取頻率規(guī)劃和調(diào)整措施，合理分配不同的頻段，避免同頻干擾的產(chǎn)生。關(guān)注POI故障和無主覆蓋小區(qū)的問題，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)和優(yōu)化。對(duì)于現(xiàn)場安裝天線不合理的問題，需要調(diào)整天線的位置和朝向，確保信號(hào)能夠有效覆蓋目標(biāo)區(qū)域。同時(shí)，需要關(guān)注信號(hào)外泄嚴(yán)重的問題，采取措施減少信號(hào)對(duì)外界的干擾。

4 結(jié) 論

高層建筑的無線環(huán)境較為復(fù)雜，為滿足高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)和低成本投資的要求，需要根據(jù)實(shí)際使用需求優(yōu)化和調(diào)整方案。通過有源無源結(jié)合共享、采用大廣角和電梯專用天線、合理應(yīng)用廣角漏纜、雙路室分優(yōu)先應(yīng)用雙極化天線、增加信源設(shè)備的覆蓋面積、提高天線口功率以及合理控制天線密度等措施實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)，減少室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)與干擾區(qū)域，提升用戶的使用體驗(yàn)，確保高層建筑室內(nèi)的信號(hào)容量和質(zhì)量符合要求，為廣大用戶提供更優(yōu)質(zhì)的無線通信服務(wù)。