室內(nèi)分布系統(tǒng)天線功率優(yōu)化方案研究

梁童，趙培，胡凱（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

室內(nèi)分布系統(tǒng)天線功率優(yōu)化方案研究

梁童，趙培，胡凱
（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

在室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計中，如何能夠根據(jù)不同場景的覆蓋需求選擇最佳的方案一直是困擾設(shè)計人員的一大難題。本文提出了一種基于覆蓋需求的室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化方案，能夠根據(jù)不同天線點的實際需求自由進行設(shè)計方案優(yōu)化。該方案已經(jīng)集成到中國移動設(shè)計院自主研發(fā)的先進室內(nèi)設(shè)計平臺（AIDP）中，本文將AIDP軟件的優(yōu)化結(jié)果與業(yè)內(nèi)常用工具的優(yōu)化結(jié)果進行了對比分析，充分驗證了該方案在天線功率設(shè)置靈活性、優(yōu)化結(jié)果準確性等方面的優(yōu)勢。

室分設(shè)計；系統(tǒng)圖；無線功率；優(yōu)化方案

1 引言

目前，大部分的話務(wù)量發(fā)生在室內(nèi)環(huán)境，因此提升室內(nèi)通信覆蓋的質(zhì)量成為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重點。由于室內(nèi)無線環(huán)境較為復(fù)雜，尤其是在一些高層建筑或在一些建筑物比較密集的復(fù)雜環(huán)境下，經(jīng)常會存在蜂窩陰影區(qū)與信號盲區(qū)，有時由于受到來自周圍不同基站無線電磁波的輻射，使得手機頻繁在不同的信道之間切換，產(chǎn)生“乒乓效應(yīng)”。因此，通過對室內(nèi)進行覆蓋來實現(xiàn)對室內(nèi)的移動通信網(wǎng)絡(luò)的常規(guī)優(yōu)化，建立室內(nèi)分布系統(tǒng)是最常用的優(yōu)化原則。

傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)是目前室內(nèi)覆蓋的重點方式，為保證室內(nèi)覆蓋質(zhì)量，同時不對室外小區(qū)產(chǎn)生干擾，就要求室內(nèi)分布系統(tǒng)的信號既要盡量均勻的覆蓋整個建筑物的內(nèi)部，同時又不允許產(chǎn)生對樓宇外部的干擾和信號泄露，這就對信號源、器件類型與指標，以及天線的選擇都提出了一定的要求，只有滿足需求的組合才能夠達到覆蓋指標。

常規(guī)的室內(nèi)分布系統(tǒng)方案設(shè)計時，設(shè)計人員往往是根據(jù)經(jīng)驗自主選擇信源功率、器件以及天線，不但對設(shè)計人員的專業(yè)水平提出了較高的要求，同時設(shè)計人員單憑經(jīng)驗也很難精確合理地做出選擇，造成實際效果往往與期望值差距較大，因此，由中國移動設(shè)計院自主研發(fā)的先進室內(nèi)設(shè)計平臺（AIDP）具備了基于覆蓋電平需求進行自主優(yōu)化的優(yōu)勢功能，既能夠保證器件及信源功率選擇合理性，又能提升設(shè)計效率的工具，將大大改進室內(nèi)分布系統(tǒng)的覆蓋。

2 室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計圖紙

2.1 室分設(shè)計圖紙分類

實際室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計的過程中共包含兩種類型：平面圖和系統(tǒng)圖。

根據(jù)地區(qū)差異，在平面圖設(shè)計時主要采用兩種模式，第一種是稱為集中布放模式，在平面圖中只有天線及饋線，不含其它有源及無源器件，所有的有源和無源器件均集中在豎井內(nèi)，在圖紙中沒有顯示。第二種是分立模式，在平面圖樓層內(nèi)除有天線及饋線外，包含了功分器、耦合器等器件，各個天線通過器件相互交叉連接。

系統(tǒng)圖是在平面圖基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，表明了從信源到天線之間器件的連接方式。不管平面圖采用集中布放式還是分立式，系統(tǒng)圖中都會將信源、器件及天線的連接關(guān)系明確表示出來。一般情況下，平面圖是根據(jù)樓層來繪制的，一般同一幢大樓中有多個樓層，由平面圖生成系統(tǒng)圖時會有多幅不同的系統(tǒng)圖。但由于一幢大樓一般只有一個信源點，在生成多個樓層獨立的系統(tǒng)圖后，可通過多樓層主干連接功能將系統(tǒng)圖連接起來，生成一幅完整的涵蓋一個信源點下所有樓層的系統(tǒng)圖。

2.2 室分圖紙設(shè)計流程

進行室分圖紙設(shè)計時，設(shè)計人員繪圖的大致流程為：平面圖設(shè)計→依據(jù)平面圖生成系統(tǒng)圖→根據(jù)系統(tǒng)圖進行物料統(tǒng)計→將圖紙和物料清單交給施工方。

在整個室分系統(tǒng)設(shè)計過程中，系統(tǒng)圖的結(jié)果直接影響方案設(shè)計的合理性以及物料統(tǒng)計的結(jié)果，因此系統(tǒng)圖的準確性成為設(shè)計室內(nèi)覆蓋分布系統(tǒng)所必須重視的一個環(huán)節(jié)。因此，在完成系統(tǒng)圖后需要一個重要的環(huán)節(jié)，即根據(jù)天線的覆蓋需求對系統(tǒng)圖進行優(yōu)化，以獲得合理的器件組合和信源功率值。當(dāng)存在多個樓層連接到同一個信源的情況時，系統(tǒng)圖電平優(yōu)化需要考慮主干連接的全部樓層，因此也可以稱為主干優(yōu)化。

3 基于設(shè)計圖紙的覆蓋優(yōu)化算法

3.1 集中布放模式的主干優(yōu)化算法

對于采用集中布放模式的平面圖，由于平面圖中沒有器件信息，AIDP軟件中針對集中布放模式設(shè)計了一鍵式的主干優(yōu)化方案，自動生成的系統(tǒng)圖已經(jīng)完善了器件的布放，同時完成了主干優(yōu)化操作，優(yōu)化結(jié)果可以滿足設(shè)計人員對天線口功率的要求。需要指出的是，本優(yōu)化方案可以支持對天線設(shè)定不同的目標功率值，從而能夠因地制宜的滿足同一樓宇或樓層內(nèi)，不同環(huán)境的覆蓋需求。

系統(tǒng)圖主干優(yōu)化的主要步驟如下。

3.1.1 第1步

根據(jù)設(shè)計人員對不同天線功率的需求，完成天線輸出功率設(shè)置后，將天線（含饋線）作為1級節(jié)點，并按照功率與損耗值（包括饋線損耗及插入損耗）之和的差異將全部節(jié)點進行分組合并。分組時將相鄰節(jié)點的功率差值低于2 dB的分為一組，流程圖如圖1所示。

圖1 第1級節(jié)點合并流程圖

參考圖1的方式對節(jié)點進行合并分組，分組的詳細步驟如下：

（1）對第1級節(jié)點序列A（節(jié)點為a1，a2，…an）依據(jù)天線功率與損耗和的大小進行從小到大排序，計算各序列A各節(jié)點間功率差矩陣delA（dela12，dela13，… dela1n，…dela (n-1）n）。

（2）依據(jù)設(shè)定的門限（2 dB）對序列A進行分割，則dela1k≤2 dB且dela1(k+1)＞2 dB時，在節(jié)點k及節(jié)點（k+1）處將序列A分割成2部分。

(3）完成分割后，序列A被分割成m個子序列：A1，A2，…Am。其中序列A的元素個數(shù)等于A1，A2，…Am各序列元素個數(shù)之和。

(4）計算各子序列A1，A2，…Am的元素個數(shù)n1， n2，…nm。

(5）依據(jù)各子序列的元素個數(shù)由下表選取合適的功分器組合類型進行節(jié)點合并，形成下一級節(jié)點序列B。

(6）若合并后序列B僅有一個元素，則主干優(yōu)化工作結(jié)束，否則轉(zhuǎn)到下一步。

3.1.2 第2步

在上一步合并第1級節(jié)點的并生成第2級序列B的基礎(chǔ)上繼續(xù)合并連接各節(jié)點，直至匯聚到一個P連接點。

在每一級節(jié)點的連接器件進行選擇時，節(jié)點間功率差小于門限值時采用功分器進行連接，其余節(jié)點需要采用耦合器進行連接，并根據(jù)功率的差異選擇合適的耦合度，進行耦合器連接的流程圖如圖2所示?；玖鞒淌峭ㄟ^計算相鄰節(jié)點的功率差值，將該值與預(yù)設(shè)門限值進行對比，若高于門限值則選擇耦合器作為連接器件，并根據(jù)功率差選擇合適的耦合度。

3.2 分立模式的主干優(yōu)化算法

分立模式下，在平面圖中除天線、饋線外，還包括功分器、耦合器等器件。平層內(nèi)主連接點（P連接點）與器件間及器件到天線間路由已確定，即饋線長度及損耗已確定。因此，進行主干優(yōu)化是調(diào)整器件的方式包括：

圖2 第2級以后使用耦合器進行節(jié)點連接的流程圖

（1) 二功分與耦合互換；

（2) 耦合器耦合度調(diào)整；

（3) 耦合器的耦合端與輸出端之間的變換。

以上方式可以分為更換器件和不更換器件兩種，不更換器件的主干優(yōu)化是對耦合器的耦合度進行調(diào)整，這種方式不需要對平面圖的結(jié)構(gòu)進行改變，但優(yōu)化效果較差，很多情況下不能保證天線的功率值達到預(yù)定的指標，因此，需要采用更換器件的優(yōu)化方式。

主干電平優(yōu)化的整體步驟，根據(jù)天線功率及與天線連接的饋線的損耗之和得到最后一級節(jié)點的功率值，采用3.1節(jié)的優(yōu)化方式逐級進行器件優(yōu)化。

3.3 多系統(tǒng)合路方式下的主干電平優(yōu)化

目前，多系統(tǒng)合路建設(shè)越來越普遍，尤其是鐵塔公司成立后，室分設(shè)計圖紙較多的包含了移動、電信和聯(lián)通在內(nèi)的多個頻段的不同移動通信系統(tǒng)，這就加大了主干優(yōu)化的難度。

在進行多系統(tǒng)主干優(yōu)化設(shè)計時，按照系統(tǒng)分別設(shè)置天線目標電平值。在每一級節(jié)點合并進行器件選擇時，繼續(xù)參照3.1節(jié)的方案，如果不同系統(tǒng)間存在矛盾，將優(yōu)先保證頻段較高或者對目標功率要求最高的系統(tǒng)的覆蓋，其它系統(tǒng)的天線電平值盡量保證在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)。

4 覆蓋優(yōu)化效果分析

4.1 AIDP軟件優(yōu)化效果

本節(jié)以E頻段TD-LTE系統(tǒng)的室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計為例對優(yōu)化算法的效果進行說明。在完成平面圖設(shè)計后，其天線點及信源的位置均已確定。根據(jù)平面圖的設(shè)計方案選擇自動生成系統(tǒng)圖命令，生成的系統(tǒng)圖會自動進行電平計算，如3圖（a）所示。

圖3 自動生成系統(tǒng)圖后的電平計算結(jié)果

從圖3（a）上可以看出，按照預(yù)設(shè)的信源功率33 dBm，根據(jù)設(shè)計方案進行電平計算的結(jié)果，每個天線點位的功率值都在15 dBm以上，甚至部分天線的功率值高達25 dBm，遠遠超過了室分系統(tǒng)的建設(shè)要求。采用第三章的優(yōu)化算法，首先對天線目標電平值及電平范圍進行設(shè)定，可對不同的天線設(shè)置不同的目標值，如將圖3中A16和A17的目標值設(shè)為19 dBm，范圍為16～22 dBm，其余天線的目標值設(shè)置為12 dBm，范圍為10～15 dBm。以此目標進行電平優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果圖3（b）所示。

可以看出， A16和A17兩面天線的天線口功率值為19.4 dBm和19 dBm，基本滿足19 dBm的最佳目標值要求。其余天線的功率值均在12～12.3 dBm之間，只有一面天線的功率值為13.3 dBm，與目標值存在1.3 dBm的差異，但也在目標范圍10～15 dBm之間，且較為接近目標值。

4.2 與業(yè)內(nèi)軟件優(yōu)化效果對比分析

目前，業(yè)內(nèi)常用的天越設(shè)計工具也具備了電平優(yōu)化的功能。但與AIDP相比，天越的電平優(yōu)化目標值不能對不同的天線進行區(qū)別設(shè)置，因此，系統(tǒng)圖的天線目標值必須一致，對于需要提升功率以滿足覆蓋要求的天線點，只能通過人工的方式進行計算修改，合理性和準確性有待商榷。

將相同的平面圖分別利用AIDP和天越軟件生成對應(yīng)的系統(tǒng)圖，并進行電平優(yōu)化功能進行優(yōu)化計算，由于天越軟件只能對所有天線設(shè)定同一目標值，因此同時將天線的目標功率值設(shè)置為12 dBm，優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

圖4 電平優(yōu)化效果

表1總結(jié)了AIDP軟件與天越軟件的電平優(yōu)化結(jié)果，從結(jié)果可以看出，AIDP軟件的優(yōu)化結(jié)果均值為11.99 dBm，方差0.832，基本接近12 dBm，但天越軟件均值為12.32 dBm，方差0.943，整體來看AIDP軟件的優(yōu)化結(jié)果接近目標值，且與目標值的差異較少。但天越軟件的優(yōu)化結(jié)果與最優(yōu)值差異較大，且存在高于14 dBm的較差數(shù)據(jù)。綜合分析可以看出，AIDP軟件的電平優(yōu)化方案相比天越軟件具備明顯的優(yōu)勢。時，AIDP工具還提供了系統(tǒng)圖到平面圖的一鍵同步功能，優(yōu)化完成的系統(tǒng)圖可自動同步到平面圖，極大的節(jié)省了設(shè)計人員的工作量，在保證設(shè)計質(zhì)量的基礎(chǔ)上提升了工作效率，滿足了設(shè)計人員的需求。

表1 AIDP與天越軟件優(yōu)化準確度對比

5 總結(jié)及建議

本文中所提出的基于覆蓋要求對設(shè)計圖紙進行優(yōu)化的方案已應(yīng)用于中國移動設(shè)計院自主研發(fā)的先進室內(nèi)設(shè)計平臺（AIDP）中，該方案可根據(jù)樓宇內(nèi)不同天線的覆蓋需求自由地對天線功率進行設(shè)置，并可以基于設(shè)置值對信源功率及器件進行合理的優(yōu)化配置，達到最優(yōu)組合。該優(yōu)化方案相比業(yè)內(nèi)其它軟件具備明顯的優(yōu)勢。同

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Research of antenna power optimization scheme for indoor distribution system

LIANG Tong, ZHAO Pei, HU Kai
(China Mobile Group Design Institute Ltd. Co., Beijing, 100080, China)

In the indoor distribution system design, how to choose the best solution according to the coverage requirements of different scenarios has been a big problem for designers.This paper presents an optimization scheme of indoor distribution system design based on coverage requirement, which can be designed according to the actual requirements of different antenna points.This scheme has been integrated into the advanced interior design platform (AIDP) which is developed by China Mobile Group Design Institute Ltd. Co.In this paper, the optimization results of AIDP and other tools are compared and analyzed, and the advantages of the proposed scheme in terms of the fl exibility of power setting and the accuracy of the optimization results are verif i ed.

design of indoor distributed system; system diagram; antenna power; optimization scheme

TN929.5

A

1008-5599（2017）01-0069-05

2016-05-20