高層建筑室內(nèi)信號覆蓋策略分析

崔潔

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程學(xué)院 江蘇徐州 221116)

由于我國的城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城鎮(zhèn)的高層建筑不斷增多，密集的高層建筑成為了城鎮(zhèn)化的標(biāo)志，但愈發(fā)密集的高層建筑給建筑室內(nèi)信號覆蓋帶來了“災(zāi)難”[1]。在高層建筑物室內(nèi)區(qū)域，信號覆蓋不全面致使有些區(qū)域信號強(qiáng)度較弱甚至出現(xiàn)無信號的盲區(qū)，室內(nèi)的客戶在使用網(wǎng)絡(luò)信號時，往往會有通話質(zhì)量不佳、上網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸差甚至不能正常使用等不良體驗(yàn)。高層建筑室內(nèi)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)信號存在乒乓效應(yīng)、孤島效應(yīng)等現(xiàn)象，這是造成不良體驗(yàn)的主要因素。提高網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋的全面性、消除網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)、提高區(qū)域網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度，滿足室內(nèi)客戶使用網(wǎng)絡(luò)信號的訴求，提升用戶滿意度，是網(wǎng)絡(luò)信號優(yōu)化的焦點(diǎn)，也是當(dāng)前亟須解決的關(guān)鍵問題[2-4]。

傳統(tǒng)的高層建筑室內(nèi)信號覆蓋僅能實(shí)現(xiàn)水平方向的網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，不能兼顧垂直方向的網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，導(dǎo)致高層建筑的高層區(qū)域網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋不佳，網(wǎng)絡(luò)信號的立體覆蓋效果較差。研究能夠?qū)崿F(xiàn)信號立體覆蓋的高層建筑室內(nèi)信號覆蓋策略具有理論意義和實(shí)際意義。

1 高層建筑物內(nèi)電磁環(huán)境特點(diǎn)

隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城鎮(zhèn)中的高層建筑不斷增多，愈發(fā)密集的高層建筑導(dǎo)致的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋不全面、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度不穩(wěn)定的問題也越來越突出。網(wǎng)絡(luò)覆蓋存在盲區(qū)以及導(dǎo)頻污染問題造成了高層建筑室內(nèi)電磁環(huán)境越發(fā)的惡劣。其主要原因有兩個：首先，愈發(fā)密集的高層建筑要想增加網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍，就要不斷增加宏蜂窩的數(shù)量，這將導(dǎo)致高層建筑周圍存在多個基站，建筑高層區(qū)域基本無法正常通話，產(chǎn)生嚴(yán)重的“孤島效應(yīng)”；其次，周圍存在多個基站，是由鄰區(qū)設(shè)置的參數(shù)，這將對本區(qū)基站造成干擾，致使該區(qū)網(wǎng)絡(luò)信號切換異常，形成“導(dǎo)頻污染”。

1.1 高層建筑物內(nèi)電磁波傳播特征

現(xiàn)代高層建筑室內(nèi)移動通信廣泛使用VHF 和UHF頻段。從高層建筑室內(nèi)移動信道的電磁波傳播上看，有直射波、多徑反射波、繞射波、散射波和穿透波這5種。具體特征見表1。

表1 高層建筑室內(nèi)電磁波傳播特征

1.2 高層建筑物內(nèi)信號的傳輸衰落

無線信號在高層建筑物內(nèi)的傳播，實(shí)質(zhì)上是能量在空氣介質(zhì)中以一定速度傳播的過程，次過程與無線信號的能量以及空氣介質(zhì)相關(guān)聯(lián)。由上文分析可知，高層建筑物內(nèi)的信號傳播主要依靠直射波,但信號的多徑反射是不能忽視的。信號的多徑反射是影響信號質(zhì)量的主要因素之一。因此，需要考慮吸收、自由空間損耗和多路徑衰落即瑞利衰落這3 種基本衰落類型，具體特征見表2。

表2 高層建筑室內(nèi)三種基本衰落特征

1.3 高層建筑物內(nèi)的電磁環(huán)境描述

高層建筑根據(jù)電磁環(huán)境的特點(diǎn)，可以分為3 個區(qū)域，分別是底層區(qū)域、中層區(qū)域和高層區(qū)域。

（1）底層區(qū)域，周圍存在較多的建筑物（如商鋪、底層住宅、公共設(shè)施等），致使底層區(qū)域信號強(qiáng)度較弱甚至出現(xiàn)無信號的盲區(qū)（如電梯間、地下車庫）。（2）中層區(qū)域，靠近室外的窗戶地帶，由于接收到多個室外信號導(dǎo)致信號嚴(yán)重重疊，乒乓效應(yīng)十分嚴(yán)重，導(dǎo)致無線信號較差。（3）高層區(qū)域由于存在多個基站，導(dǎo)致覆蓋盲區(qū)和導(dǎo)頻污染等問題的出現(xiàn)，造成高層區(qū)域電磁環(huán)境惡化，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的“孤島效應(yīng)”。

2 影響信號質(zhì)量的主要因素

2.1 盲區(qū)現(xiàn)象

高層建筑自身可以屏蔽或吸收無線電波，這將導(dǎo)致無線信號能量的衰減甚至消失，形成了無線信號覆蓋的弱區(qū)乃至盲區(qū)。由上文分析可知，高層建筑的底層區(qū)域由于周圍建筑物較多，無線電波被屏蔽或吸收嚴(yán)重，電梯、地下車庫等地方經(jīng)常會出現(xiàn)信號盲區(qū)。

2.2 導(dǎo)頻污染

高層建筑的高層區(qū)域，存在多個基站，多個相似信號的相互干擾，導(dǎo)無線信號背景噪聲將被提高，導(dǎo)致無線信號較差。

2.3 阻塞問題

高層建筑內(nèi)，如果在一定區(qū)域范圍內(nèi)，大量客戶集中使用網(wǎng)絡(luò)信號，這將導(dǎo)致出現(xiàn)信道阻塞的現(xiàn)象，會伴有有通話質(zhì)量不佳、上網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸差甚至掉線等不良體驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)容量將不能滿足用戶對網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量及信號正常接入的需求。

3 網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋需求

3.1 網(wǎng)絡(luò)容量需求

網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋其實(shí)是一張共享無線網(wǎng)絡(luò)，使用的客戶希望在高層建筑室內(nèi)的任何地方都能得到如同有線網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度，又能保障最實(shí)際想要的移動性。一般情況下，技術(shù)人員主要關(guān)注如何提供足夠的覆蓋區(qū)域，而忽略了擴(kuò)充的網(wǎng)絡(luò)容量的問題，網(wǎng)絡(luò)容量不充足往往是數(shù)據(jù)傳輸差、通話信號質(zhì)量不佳的關(guān)鍵因素。

另外，調(diào)研一個高層建筑覆蓋區(qū)域內(nèi)的潛在使用客戶的數(shù)量，以及他們使用無線網(wǎng)絡(luò)的習(xí)慣和方式，通過調(diào)研數(shù)據(jù)來進(jìn)一步確定該高層建筑覆蓋區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)容量。根據(jù)得到網(wǎng)絡(luò)容量、潛在使用客戶數(shù)量以及覆蓋區(qū)域，來設(shè)計(jì)部署接入點(diǎn)數(shù)量。

3.2 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量需求

高層建筑物存在各種臨近基站的信號干擾，信號覆蓋不全面致使有些區(qū)域信號強(qiáng)度較弱甚至出現(xiàn)無信號的盲區(qū)，使用客戶數(shù)據(jù)傳輸、通話信號質(zhì)量都得不到很好的保障，無法滿足使用客戶基本的通信需求。主要原因如下。

（1）對于高層建筑物的中部區(qū)域，雖然距離底層區(qū)域有一定高度，底層區(qū)域周圍多個基站的信號依然可以到達(dá)中部區(qū)域。由于到達(dá)中部區(qū)域的路徑不長，不同基站到達(dá)中部區(qū)域的信號強(qiáng)度較好，這些信號彼此覆蓋重疊，導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁切換，產(chǎn)生嚴(yán)重的“兵兵效應(yīng)”，通話質(zhì)量、上網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸將無法保障。因此，必須要控制高層建筑周圍基站的覆蓋范圍，減小越區(qū)覆蓋的產(chǎn)生。

（2）高層建筑物周圍的多基站也會嚴(yán)重影響高層區(qū)域的電磁環(huán)境（同頻、鄰頻干擾），被干擾的電磁環(huán)境不利于網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸，甚至出現(xiàn)通話斷斷續(xù)續(xù)、上網(wǎng)速度慢甚至中斷，這種嚴(yán)重的“孤島效應(yīng)”會造成網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋的盲區(qū)。因此，必須要控制高層建筑周圍基站的過覆蓋情況，減小對其他小區(qū)的信號干擾。

3.3 網(wǎng)絡(luò)移動和安全需求

潛在使用客戶終端在SSID不變的情況下，將和新的接入點(diǎn)重新建立新的連接，與此同時，斷開與原來接入點(diǎn)之間的連接，經(jīng)過校驗(yàn)后，終端設(shè)備就可以進(jìn)行發(fā)送和接收幀。

網(wǎng)絡(luò)的安全問題是用戶在使用網(wǎng)絡(luò)信號時比較關(guān)心的問題，也是我們在設(shè)計(jì)時要必須考慮的因素。網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)完成時，不能急于投產(chǎn)使用，要對設(shè)計(jì)好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行用戶隔離、MAC地址過濾以及加密認(rèn)證等相關(guān)測試，對新設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)的安全性能評估并加以驗(yàn)證。符合網(wǎng)絡(luò)的安全性能要求后，方可投入使用。

4 信號覆蓋策略

目前，解決高層建筑內(nèi)信號覆蓋問題通常采用以下3種解決方案。

4.1 室內(nèi)分布系統(tǒng)

高層建筑物周圍的基站將信號發(fā)射到建筑物的室內(nèi)，室內(nèi)任意位置均有滿足用戶需求的信號強(qiáng)度以及容量，如圖1所示。高層建筑內(nèi)存在電梯、地下停車場等信號覆蓋死角區(qū)域，通過室內(nèi)分布系統(tǒng)，電梯、地下停車場等室內(nèi)場景也能具有很好的信號覆蓋。由于室內(nèi)分布系統(tǒng)需要在室內(nèi)布置較多的RRU 模塊來解決信號覆蓋不到的盲區(qū)問題，造成建設(shè)周期與投資成本較大，并且無法改善臨窗區(qū)域的信號覆蓋問題，這限制了該系統(tǒng)的大范圍推廣。

圖1 室內(nèi)分布系統(tǒng)圖

4.2 室外分布系統(tǒng)

通過在高層建筑物周邊已有基站（或街區(qū)附近的樹木、路燈、廣告牌等構(gòu)件）上加裝天線，加強(qiáng)對高層建筑進(jìn)行信號的覆蓋，如圖2所示。室外分布系統(tǒng)在改善高層建筑信號覆蓋的同時，還不影響住宅小區(qū)或城市街區(qū)的美觀。但在樹木、路燈、廣告牌等構(gòu)件上加裝天線，存在一定的技術(shù)難點(diǎn)，并且由于早期城市布局或市政工程施工等原因影響，將導(dǎo)致無法在街區(qū)兩旁的樹木、路燈、廣告牌等構(gòu)件上加裝天線。此外，天線安裝位置、天線安裝高度以及天線需要覆蓋的區(qū)域，都是影響天線參數(shù)設(shè)置的重要因素，是需要精準(zhǔn)設(shè)置的。另外，天線參數(shù)設(shè)置受外界環(huán)境影響較大，不僅造成后期維護(hù)工作量大，也不能保證高層建筑內(nèi)信號覆蓋的穩(wěn)定性。

圖2 室外分布系統(tǒng)圖

4.3 宏蜂窩覆蓋

選擇高層建筑物周邊已有的基站，通過重新調(diào)整周邊已有基站的參數(shù)（如方向角、下傾角），來進(jìn)行覆蓋區(qū)域的重新分配，如圖3 所示。宏蜂窩覆蓋可以根據(jù)已有基站的具體情況，根據(jù)高層建筑室內(nèi)信號覆蓋問題，有針對性地調(diào)整的基站天線參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)改善信號覆蓋范圍與強(qiáng)度，同時兼顧改善信號干擾[5-6]。宏蜂窩覆蓋要合理安排周邊已有基站的覆蓋方案，嚴(yán)禁產(chǎn)生越區(qū)覆蓋影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的現(xiàn)象。

圖3 宏蜂窩覆蓋圖

天線波束賦形技術(shù)可以獲得具有指向性的輻射方向圖，是控制宏蜂窩覆蓋的有效方法之一。相比于傳統(tǒng)的室內(nèi)分布式天線覆蓋方法，陣列天線和三維波束賦形技術(shù)可以在不添加額外輔助設(shè)施的情況下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號的立體覆蓋，具有良好的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的貼片天線、微帶天線、SIW 天線、喇叭天線等都可以組成陣列天線，其中，微帶天線具有小型化，易于集成，成本低等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用與陣列天線的設(shè)計(jì)中。