CDMA網(wǎng)絡(luò)海域覆蓋工程方案探討

趙曉宇 華信郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司3G設(shè)計(jì)研究院3所 杭州市 213000

CDMA網(wǎng)絡(luò)海域覆蓋工程方案探討

趙曉宇 華信郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司3G設(shè)計(jì)研究院3所 杭州市 213000

簡述在近海海域?qū)嵤o線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的必要性，通過理論分析、測試數(shù)據(jù)，結(jié)合筆者在北方某市海域網(wǎng)絡(luò)覆蓋工程經(jīng)驗(yàn)，提出一套工程實(shí)施方案以供探討。

海域覆蓋 CDMA 塔頂放大器

0、背景

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的迅猛發(fā)展，在近海海域的電信移動(dòng)業(yè)務(wù)需求越來越多，完善和加強(qiáng)這一區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋已經(jīng)迫在眉睫，各個(gè)運(yùn)營商在該區(qū)域內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋話語權(quán)的爭奪戰(zhàn)進(jìn)行的如火如荼。

1、總述

海域無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋工程涉及到許多方面，總體而言規(guī)劃建設(shè)時(shí)需要注意以下幾個(gè)方面：

第一，深入了解規(guī)劃海域以及沿線的地形地貌，掌握沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展信息。

第二，實(shí)地檢測現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況，了解用戶移動(dòng)電話使用習(xí)慣。

第三，深入分析無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)備性能，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)。

第四，合理部署站點(diǎn)位置，對(duì)工程實(shí)施進(jìn)行預(yù)算控制，嚴(yán)格管理、監(jiān)控施工質(zhì)量。

以下結(jié)合筆者在北方某市工程經(jīng)驗(yàn)，提供一套規(guī)劃建設(shè)方案以供探討。

2、網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀概況

2.1、區(qū)域概況

如下圖所示，北方某市海岸線由北向南依次跨越了A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)。

圖1 海岸利用規(guī)劃圖

A區(qū)是北部的重要節(jié)點(diǎn)。規(guī)劃建設(shè)成為該地區(qū)的濱海旅游、休閑、度假基地，海產(chǎn)品養(yǎng)殖基地，大型漁港設(shè)施用地。

B區(qū)是港口核心區(qū)，以科技研發(fā)轉(zhuǎn)化為重點(diǎn)，大力發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代制造業(yè)，增強(qiáng)為港口服務(wù)的職能，積極發(fā)展商務(wù)、金融、物流、中介服務(wù)等產(chǎn)業(yè)。

C區(qū)是南部的重要節(jié)點(diǎn)，國家級(jí)石化基地。規(guī)劃目標(biāo)是重點(diǎn)發(fā)展石油化工產(chǎn)業(yè)，建設(shè)成為現(xiàn)代化石油化工基地和原油、成品油集散中心。

2.2、CDMA網(wǎng)絡(luò)狀況

該區(qū)域海岸線是海水沖擊形成的，近海海域內(nèi)沒有可利用的高山或小島。同時(shí)， CDMA網(wǎng)絡(luò)海域上的信號(hào)基本來自于沿線陸路區(qū)域內(nèi)的站點(diǎn)，站點(diǎn)中距海較近站點(diǎn)分布如下：

圖2 現(xiàn)有站點(diǎn)分布

2.3、路測數(shù)據(jù)

選擇從港口到達(dá)錨地這段航線進(jìn)行CDMA網(wǎng)絡(luò)測試。

表1 測試情況匯總表

圖3 CDMA話音質(zhì)量MOS分布圖

圖4 CDMA Rx Power覆蓋軌跡圖

圖5 CDMA Tx Power 覆蓋軌跡圖

圖6 Agg Ec/Io 覆蓋軌跡圖

測試數(shù)據(jù)顯示，在距離海岸線20公里以外的近海海域內(nèi)，由于存在載波功率、信號(hào)損耗和地球曲率半徑等諸多限制因素，從整體而言，該區(qū)域物理站點(diǎn)分布較為稀疏。一方面在A區(qū)的近海漁場和港口南下的航道內(nèi)某些海域手機(jī)用戶接收不到無線信號(hào)；另一方面，在港口以外的某些海域內(nèi)，海面對(duì)無線信號(hào)漫反射，存在導(dǎo)頻污染， EC/IO較低，手機(jī)切換頻繁，通話質(zhì)量MOS差。

2.4、用戶行為分析

在A區(qū)，用戶群主要為近海漁民和外來游客，近海20公里以內(nèi)的區(qū)域是此類用戶的主要活動(dòng)區(qū)域，用戶在活動(dòng)區(qū)域內(nèi)從事捕魚或游玩時(shí)，撥打電話的頻率相對(duì)較低，但是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求較高（定位、導(dǎo)航）。

在B區(qū)，位于港口50公里左右的錨地是商船等候進(jìn)出港指令的緩沖帶，在該區(qū)域內(nèi)，用戶在活動(dòng)區(qū)域內(nèi)利用無線網(wǎng)絡(luò)從事貿(mào)易交流活動(dòng)相對(duì)頻繁，同時(shí)，伴隨新區(qū)的發(fā)展壯大，用戶數(shù)目也將隨之增加，因此在增強(qiáng)信號(hào)覆蓋的同時(shí)還需要保證一定的話務(wù)容量預(yù)留。

在C區(qū)，南下的游輪途徑該海域，航線距離大陸架30～50km，用戶的電話使用量相對(duì)較小。

綜上所述，在該區(qū)域內(nèi)，CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋50公里左右的海域就可以保證大多數(shù)用戶的通信需求。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，A區(qū)的近海漁場和C區(qū)的航道區(qū)域，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)；在B區(qū)，不僅要考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而且還要考慮預(yù)留相應(yīng)的容量，以便應(yīng)對(duì)港口發(fā)展而帶來的客戶劇增。在業(yè)務(wù)開展方面，一方面要完善服務(wù)體系，保持相對(duì)穩(wěn)定的用戶群；另一方面，在推廣現(xiàn)有CDMA數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（定位，全球眼）的同時(shí)，積極開發(fā)新業(yè)務(wù)，發(fā)展新客戶，帶動(dòng)在近海海域移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3、工程方案

3.1、傳輸距離估算

3.1.1、視距傳播

視線距離的定義：由于地球是球形的，凸起的地表面會(huì)擋住視線，視線所能到達(dá)的最遠(yuǎn)距離稱為視線距離。

根據(jù)球面幾何原理，視線距離d0：

Ht、Hr分別是發(fā)射和接收天線高度，單位：km。

由于空氣的壓力、溫度、濕度隨著高度而變化，所以介電常數(shù)er也隨高度而減小，并由于空氣稀薄而逐漸趨于0。使得電波在對(duì)流層中的傳播軌跡不是直線而是沿地球曲率方向的曲線。即電波在對(duì)流層中傳播時(shí)出現(xiàn)折射，折射系數(shù)n= (er)1/2 。

這種折射現(xiàn)象相當(dāng)于地球半徑增大，因此對(duì)地球半徑乘一系數(shù)k。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓折射情況下k = 4/3。在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射下，修正公式為：

將 Ht=0.08km 與Hr=0.01km 帶入公式中計(jì)算得出d0=49.9km。由此說明當(dāng)手機(jī)與基站相距50km后，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)超出了基站的視線距離后，進(jìn)入了陰影區(qū)。信號(hào)受到了繞射損耗的影響而衰落較大。

3.1.2、模型矯正

實(shí)際的海面測試結(jié)果證明自由空間傳播模型并不適用于預(yù)測海面覆蓋；而采用Okumura-Hata模型加修正系數(shù)后也不能很好地適用海面?zhèn)鞑キh(huán)境。

由于海面?zhèn)鞑p耗很小，信號(hào)可以傳播到很遠(yuǎn)的海面上。此時(shí)，地球不能再看作平面，而應(yīng)把它看作球面，即地球曲率將對(duì)信號(hào)傳播產(chǎn)生影響。另外處于傳播路徑上的島嶼、山、巨輪也會(huì)對(duì)信號(hào)傳播到來陰影效應(yīng)。

海面?zhèn)鞑ヂ窂饺缦聢D所示：

圖7 海面?zhèn)鞑ツＰ?/p>

當(dāng)基站的無線信號(hào)輻射到海面時(shí)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)反射波，但能夠被移動(dòng)臺(tái)接收到的一般只有一個(gè)反射波，其它反射波由于反射角不同被反射到其它區(qū)域。因此海面無線傳播具有二波特征，考慮到船體損耗、地球曲率的影響，并根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，新的海面?zhèn)鞑ツＰ腿缦拢?/p>

其中，Lpath為海面?zhèn)鞑ヂ窂綋p耗；

Ht為基站天線高度（單位：m）；

Hr為移動(dòng)臺(tái)天線高度（單位：m）；

λ為波長（單位：m）；

d為距離（單位：Km）

當(dāng)移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離基站并超過視線距離后就進(jìn)入了陰影區(qū)域，地球表面對(duì)信號(hào)傳播產(chǎn)生繞射影響，此時(shí)接收電平將快速下降，使用此模型的誤差較大。

由于地球曲率的影響，因地球表面帶來的繞射損耗的計(jì)算比經(jīng)典的刃形繞射模型還要復(fù)雜。為便于計(jì)算簡化成如下：

圖8 無線信號(hào)在空間中的傳播

圖9 前向鏈路預(yù)算

圖10 反向鏈路預(yù)算

表2 鏈路預(yù)算表

由上表可知，反向鏈路損耗余量稍大于前向鏈路損耗余量，鏈路基本保證平衡，再將鏈路余量套用在海面覆蓋模型上可知，在視距可見的情況下，無線信號(hào)覆蓋距離主要取決于天線掛高和移動(dòng)臺(tái)高度；一旦當(dāng)移動(dòng)臺(tái)超出了基站的視線距離后，進(jìn)入了陰影區(qū)，鏈路余量的大小將決定信號(hào)的覆蓋距離。

因此，可以采取如下解決方案克服前、反向鏈路上的傳播損耗，增加覆蓋距離：

1) 選擇高山站：600～1000米；

2) 基站采用高增益雙極化天線，18dBi～21dBi高增益定向天線，支持一發(fā)雙收；

3) 將RRU光纖拉遠(yuǎn)上塔頂，通過上塔，節(jié)省80米7/8”饋線即相當(dāng)于減少2～3dB損耗；

4) 適當(dāng)加大前向公共信道功率，包括導(dǎo)頻、同步和尋呼信道；

5) 增加塔頂放大器改善上行鏈路；

6) 使用專用載波，避免由于海面反射造成的導(dǎo)頻污染，頻繁切換；

7) 采用固定臺(tái)和室外定向天線： 固定臺(tái)發(fā)射功率250mW，不存在人體損耗；室外天線增益為11dBi，無需考慮建筑物穿透損耗，前/反向覆蓋距離會(huì)得到較大增加。（該場景限于海上作業(yè)人員）

采用上面的超遠(yuǎn)覆蓋解決方案，8 0 0 M H z CDMA2000系統(tǒng)的覆蓋能力如下：

表3 覆蓋能力分析

備注：CSM6700芯片能夠支持的最大解調(diào)距離1X為250km；CSM6800芯片能夠支持的最大解調(diào)距離DO為125km，因此極限覆蓋距離為125km。

3.2、建設(shè)模式比較

針對(duì)建設(shè)方式而言，存在利舊和新建兩種模式。

1）在現(xiàn)有宏基站的基礎(chǔ)上新增一至兩個(gè)小區(qū)，同時(shí)調(diào)整現(xiàn)有扇區(qū)的方向角，利用新增的小區(qū)覆蓋近海海域。該方案優(yōu)點(diǎn)是可利用現(xiàn)有設(shè)備和配套資源，如果需要改善塔底信號(hào)的狀況，還可以選擇零點(diǎn)填充的天線。由此在覆蓋海域的同時(shí)還可以改善周邊地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，節(jié)省大量配套投資。該方案缺點(diǎn)是將原有基站進(jìn)行調(diào)整后，會(huì)對(duì)基站周圍的覆蓋目標(biāo)有影響；小區(qū)之間切換頻繁；容量與周邊覆蓋區(qū)域共享；現(xiàn)有基站的塔桅高度有限，距離目標(biāo)值有一定距離。

2）在理想的站點(diǎn)位置選址，新建宏基站，塔桅高度根據(jù)實(shí)際情況確定。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)預(yù)測結(jié)論，選擇理想的站點(diǎn)位置，鐵塔高度可以根據(jù)實(shí)際地形建設(shè)，最有效的進(jìn)行海域覆蓋。該方案的缺點(diǎn)是在一定的條件下，建站困難大，維護(hù)成本高，發(fā)生故障的概率高。

3.3、工程建設(shè)

綜合考慮海域沿線物理站點(diǎn)的分布情況，市政規(guī)劃地塊用途，海岸沿線建設(shè)成本和基站維護(hù)成本，采用新建和利舊站點(diǎn)相結(jié)合的模式。新建站點(diǎn)4個(gè)，利舊站點(diǎn)3個(gè)。具體站點(diǎn)分布如下：

圖11 海域覆蓋站點(diǎn)分布

1）站點(diǎn)規(guī)劃

表4 站點(diǎn)規(guī)劃表

2）建設(shè)規(guī)模

本次規(guī)劃考慮每個(gè)利舊的物理站址上安裝1個(gè)小區(qū)，新建站點(diǎn)考慮到需要增強(qiáng)陸地部分的覆蓋能力，配置三個(gè)小區(qū)。綜上，本項(xiàng)目需新增1X語音 15個(gè)載扇，DO 15個(gè)載扇；窄波瓣大增益雙極化天線15套；每個(gè)物理站點(diǎn)中覆蓋海面的小區(qū)新增一套塔頂放大器，共計(jì)7套；利舊物理站址每站需要新增2條E1，新建物理站址每站需要4條E1，共計(jì)22條E1。新建機(jī)房4間，鐵塔四座。總投資約500萬元。考慮到運(yùn)營商間共建共享，實(shí)際投資略低于估算投資。

4、其他需要注意的問題

該區(qū)域各區(qū)之間資費(fèi)差距不大，但是在北部和南部海域（即相鄰省市交界處），由于很難控制信號(hào)重疊區(qū)，很有可能存在如下現(xiàn)象：A市用戶的手機(jī)在近海占用B市的信號(hào)，從而在撥打A市電話時(shí)收取不必要的費(fèi)用，反之亦然，造成用戶困惑與不解，影響業(yè)務(wù)開展。這種由于在邊界區(qū)域信號(hào)交叉覆蓋造成的資費(fèi)混亂現(xiàn)象，我們暫時(shí)稱之為“邊界漫游”問題，對(duì)此筆者建議從兩方面探討解決問題的方法。一方面通過基站優(yōu)化手段控制信號(hào)覆蓋，使用專用頻段（160#頻點(diǎn)）提高信號(hào)純凈度，避免頻繁切換。另一方面通過計(jì)費(fèi)優(yōu)化“模糊”邊界效應(yīng)。

5、結(jié)束語

完善近海海域CDMA無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋是一項(xiàng)極為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要考慮天氣、海面、船體、近海地貌、手機(jī)用戶使用習(xí)慣和相關(guān)部門協(xié)調(diào)等諸多因素，如何做到重點(diǎn)海域的全覆蓋還是一個(gè)值得大家共同探討的問題。本文從北方某市近海海域特點(diǎn)出發(fā)，覆蓋目標(biāo)為近海50公里以內(nèi)的區(qū)域，工程實(shí)施方案難免存在一定的局限性，希望能以此為奮斗在工程技術(shù)一線的同事們?cè)趯?shí)施海域無線信號(hào)覆蓋工程時(shí)提供參考。

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2014-7-08