典型区域UMTS无线网络的多种覆盖方案分析

2008-10-9 14:01| 查看: 528| 评论: 0|原作者: 高文龙|来自: 通信世界

　　一个成功的UMTS网络规划可实现多重目标，即无线网络提供的服务质量可以达到规划时的目标，业务按预期的服务质量和容量展开，同时可以做到优化网络投资，使网络收益最大化，尽快收回投资。作为网络设计的前期准备工作，网络规划越细致、越完善，投资估算将更符合未来的网络实际，网络设计的基础将更扎实。

　　对于作为网络规划难点和重点的无线网络覆盖，选择不同的覆盖策略，会导致截然不同的网络投资、覆盖效果、工程难度和网络质量。因此，UMTS网络规划必须因地制宜，在合理的网络覆盖策略指导下进行。本文将就典型区域的无线网络覆盖方案进行分析和探讨，给出相关的建议。

　　一、建设初期无线网络覆盖的两种解决方案

　　在无线网络建设初期存在两种不同类型的网络覆盖方案，一类为室内+室外的解决方案，一类为纯室外的解决方案。

　　室内+室外的解决方案采用较大的宏蜂窝站间距，宏蜂窝主要解决室外覆盖，重要商业楼宇由室内覆盖方案解决。这类方案的好处在于，较大的室外站间距可以带来室外宏蜂窝下行干扰水平的显著降低，干扰降低，即意味着每基站容量得到提高，每基站的容量可以得到充分的挖掘，直接部署室内解决方案可带来室内深层次覆盖水平的显著改善；这类方案的缺点在于，如果一期工程直接部署室内覆盖，可能导致施工难度加大，工程量增加，不部署室内解决方案，可能存在室内深层次覆盖较差的问题。

　　纯室外的解决方案采用较小的室外站间距，通过室外宏蜂窝穿透的方式，对室内提供深层次覆盖。这类方案的好处是网络发展到一定阶段之前，无需部署室内解决方案，可以推迟室内解决方案的部署，相应减少室内覆盖的工程量，降低室内覆盖工程难度。这种方案也存在较大的缺点，小的站间距意味着网络需要建设大量的基站，造价高，即使采用较小的室外站间距，对于大的购物中心、商场或写字楼等进深较大的楼宇，室外宏蜂窝无法穿透多道的混凝土墙，室内深层次覆盖无法得到显著的改善，室外较小的站间距，带来下行较强的干扰，每基站容量大幅降低，无线信号的漫射特性可能带来大量的导频污染等问题，同时随着室内高速数据用户的增加，基站的发射功率加大，导致室外干扰水平迅速上升，下行容量迅速耗尽的问题，网络容量发展到一定阶段，随着室内高速数据用户的增加，仍然需部署室内覆盖方案，以吸收室内的话务量。

　　网络覆盖策略决定后面临的下一问题是如何合理分配有限的网络投资。在网络建设前期，业务多集中于市区、郊区，因此集中投资，建好城、郊区的无线网络，是树立良好的服务形象的关键，而针对农村幅员辽阔、面积大、网络初始话务量不高的特点，应尽量采用经济的覆盖手段，在满足一定覆盖水平的基础上，压缩投资，以控制全网的整体投资，达到降低成本、建设精品网络的目的。下面将对典型区域的覆盖方案进行分析讨论。

　　二、重点楼宇的覆盖方案分析

　　1.楼宇覆盖应考虑的主要问题

　　现有的无线设计软件主要是为室外基站规划设计开发的，它所能设计的室内覆盖是基于室外基站的信号，通过考虑地貌特征和建筑物穿透损耗要求，对建筑物室内覆盖性能进行预测，这些工具都不能直接用来设计覆盖完全依赖室内信号的系统，因此室内覆盖系统的解决方案主要依赖经验。

　　市区的大型写字楼的结构复杂，高端用户量大，网络性能直接影响网络的品牌效应，良好的室内覆盖不可避免的将依赖于室内覆盖系统，在密集市区，市区的室外宏蜂窝覆盖策略主要考虑对于大面积的居民楼及一般商业楼的覆盖，此时20dB和15dB的穿透损耗余量可以分别满足密集市区和市区居民楼及一般商业楼的室内覆盖要求，在一般市区和郊区，由于成本的限制，不会考虑太多的室内覆盖系统，这些地形虽然不会有大量高层楼宇，室内覆盖主要来源于室外宏蜂窝基站的穿透损耗余量来达到室内覆盖。

　　设定正确的穿透损耗值是控制网络投资成本的一个很重要的手段，密集市区，市区的大型商场，地下停车场，VIP工作场所，政府机关大楼等重要建筑物，取高穿透损耗方式并非覆盖首选，建议直接考虑部署室内覆盖网络，并且应与大网建设同步进行,才能为客户提供高质量的服务，这是扩大营运收入的重要途经，也是提升网络品牌效应的一个很重要的手段。

　　室内设计的主要目标是在满足服务质量的前提下，提供最好的室内覆盖和最高的容量，按照CDMA设计原则，主服务小区的Ec/Io、软切换／更软切换的比率、BLER和服务可靠度仍然是衡量室内覆盖质量的准则。

　　室内信号只有两种来源：室外信号的穿透和专用的室内覆盖系统，前者被称为无源方式部署，后者则被称为有源方式部署，在这两种部署方式中，室内的覆盖和容量都与建筑物的穿透损耗有密切关系。

　　2.室内/室外同频的方案

　　通过室外信号穿透来解决室内覆盖的方式比较简单和经济，为了保证室内覆盖的可靠性，室外信号要留出充足的余量，同时高的余量会导致室外的整体干扰水平的提高，由于无法很好预测信号的传播，室内可能会出现多路信号，无法保证室内各处都始终维持一个主服务信号，导致服务水平降低。除了覆盖质量，通过室外穿透解决室内覆盖时，容量也取决于室外小区，室内移动台要消耗更多的室外下行功率来克服穿透损耗和增加的干扰，减少了室外小区的容量，室内覆盖越深，要求的穿透损耗余量越多，对室外小区的容量的影响也就越大。

　　通过室内覆盖系统解决室内覆盖的方案相对复杂，此时，室内有发射信号源，这些信号源可以是室内天线、泄漏电缆等，设计的关键是要考虑室内／室外的隔离度，室内外系统采用同一频率时，建筑物的穿透损耗为有射频源部署方案提供了一定的天然隔离度，但是网络设计依旧要遵循CDMA系统的设计原则，最大限度地减少室内系统和室外网络的覆盖重叠，尽可能地提高容量，类似于GSM系统所采用的分层式的网络部署方案是不能应用于WCDMA网络的，这种分层式的网络部署方案中室内/室外覆盖完全重叠，极大程度地降低了室内系统所能提供的容量，室内/室外覆盖的重叠程度可由软切换来衡量，软切换是由室内的Ec/Io值和室外的Ec/Io值决定的，两者在该建筑物内的值就决定了室内系统和室外站之间的软切换率，Ec/Io的计算方法如下：

　　室内小区Ec/Io = 室内小区的导频功率/(室内小区的总功率 + 来自室外的总功率)

　　室外小区Ec/Io = 室外小区的导频功率/(室内小区的总功率 + 来自室外的总功率)

　　软切换率是衡量WCDMA室内系统最重要的指标之一，过多的软切换占用系统资源，降低容量，为了减少室内/室外覆盖的重叠，必须优化该建筑物周围的室外小区，尽可能地降低室外信号穿透到室内的强度；另一方面，室内系统采用低功率的天线，降低室内信号泄漏到室外的强度，这是基于CDMA技术的系统特有的一个问题，其他的技术如GSM，总会为窄带室内系统分配与室外网络不同的频率，不需要考虑这一问题。

　　在同频情况下，一般建筑物室内设计的目标是在满足室内覆盖与容量要求的情况下尽可能地减少室内信号的外泄，大型开阔式建筑物的室内覆盖有不同的设计考虑，室内容量要求高，室内环境的几何范围使得不同多径信号之间的时延小于1 chip，多径分集效应较室外差，用户移动速度较慢，小于5公里/秒，交织的效果也较差，Eb/No的要求会相应升高，采用多个低增益小覆盖天线还是采用稍高增益覆盖较大的天线应视具体情况而定，也可以利用向内辐射的多个定向天线覆盖同一区域，在各路信号中插入人工时延，它有利于改善手机接受多径信号间的不相关性，提供更明显的分集增益，使覆盖性能更可靠，因为在空间某点经不同天线传输的信号具有不同的时延性，在同一点内同时衰落几乎不存在。

　　室内天线可以采用全向天线(安装在屋顶)或定向天线(主要安装在墙壁)，天线的尺寸根据实际情况有不同的要求，增益一般在2-7dBi之间，在选择天线安装的位置时应尽可能避免与其他电子设备靠近，以防止干扰，同时应尽量将天线安装于距通话手机大于一米的位置，避免由于通话用户距离天线过近导致手机发射功率到达基站过大对基站造成的阻塞，另外应将天线放置在较高的，无阻挡物或离墙壁，柱子等阻挡物足够远的区域，尽可能创造一个视距传播环境。

　　建筑物自身穿透损耗带来的天然隔离是非常重要的设计考虑，良好的隔离使我们在设计该室内系统的覆盖时不用过多考虑与室外宏基站的相互干扰与切换问题。

　　从容量角度而言，良好的隔离作用增加了单小区室内用户容量，下面是单小区极点容量的理论公式

　　从公式可以发现，对于室内系统而言，处理增益和话音激活因子与室外系统一样，Eb/No的要求与室外一般会有差别，另一主要区别在于不同的扇区化增益SG/K和邻小区干扰指标f，当穿透损耗无限大时，扇区容量实现最大，这是由于室内扇区的覆盖近似是一个没有任何外来干扰的“孤站“覆盖,因此来自外小区干扰指标 f=0，扇区化增益SG/K=1，此时的极点容量等于：

　　足够大的穿透损耗要求将来自室外宏基站的干扰降至可忽略不计，这类场景仅有大型地下商城或地铁系统可适合，一般楼宇穿透损耗有限，室外宏基站的干扰使容量下降。

　　2.采用异频方式覆盖建筑物室内方案

　　以上分析了室内/室外同频的方案，如果采用异频方式覆盖建筑物室内，室内/室外通过不同的频率提供较好的隔离，但是使用异频，意味着室内和室外的切换将是硬切换，在WCDMA中，很难在室内系统中采用异频，主要的困难就是硬切换，硬切换的边界难以控制，常可能造成乒乓切换的区域，而需要专用室内覆盖的大楼一般坐落在核心商务区，周边的室外小区密集，很难控制硬切换的边界，在硬切换区域很难避免小区的重叠，不需测量的盲切换成功率难以保障，必需采用压缩模式测量，确保切换高成功率，激活压缩模式测量目标小区，终端需要较高的发射功率，以补偿由于采用较短的扩频码带来的处理增益下降，而且，目标小区的清单越长，测量需要的时间就会更多，需要提前激活压缩模式，或采用更高的压缩比，同时使室内和室外系统容量有较大损失，而要减少容量损失，就需很好的控制硬切换边界，减少目标小区及测量次数，而提高硬切换成功率又是以良好的测量为前提的，同时切换边界在实际网络当中很难控制，这是异频方式难以克服的困难。

　　建立室内覆盖系统主要有以下三种方案可供选择。

　　(1)直放站

　　直放站是能够在上下行双向接收、放大和发射空间辐射(无线引入方式)或电缆及光缆传导(有线引入方式)的RF信号的设备，在室外站存在富余容量的情况下，可以通过直放站将室外信号引入室内的覆盖盲区，即直放站的施主天线直接从附近的室外宏蜂窝基站提取信号(在无线引入方式中为了保证信号强度，一般要求施主天线与施主基站天线之间保证视通)，经放大后，通过室内天线将其扩展至室内盲区。

　　直放站安装简便灵活、见效快、周期短、成本也较低，较适合于低话务量、中小型建筑的室内覆盖，虽然此方案中的室内容量来自于室外覆盖基站，不能提高系统容量，但通过调配(均衡)话务容量，尤其是通过提高下行链路功率的使用效率(减少了穿透损耗)，还是在一定程度上提高了系统的下行容量，在WCDMA系统中容量为下行受限。其前提是要确保直放站方案设计合理，整体网络进行了合理优化。

　　采用直放站后的网络性能与直放站自身性能指标密切相关，主要包括底部噪声、收发隔离度、线形度、带内平坦度、上下行增益平衡等参数，均需满足相关技术规范的要求。此外，在直放站实施过程中，必需注意以下几方面的问题：

　　功放是直放站的核心部件，放大器的非线性将造成交调严重、WCDMA导频信号混乱、通信质量恶化，直放站选型时应注意选择采用超线性功放的机型；

　　市内由于基站密度较大，为防止同时接入几个施主基站，应优先采用光纤接入式直放站或移频直放站；

　　如果采用同频无线直放站，应确保施主基站信号强度清晰、稳定(RSCP一般应在–70~–80dBm，Ec/Io达到–7~–9dB)，避免将其它较强的基站信号引入室内；

　　控制反向噪声：控制进入直放站的噪声功率及调整增益，保证底部噪声不对基站形成干扰。

　　由于直放站借用施主基站容量，因而带直放站的基站容量将不同于正常基站容量的计算，直放站覆盖区没有上行宏分集增益，下行又无多徑分集增益，解调信号需要更高的能量，也就是说，带直放站的母站容量会低于正常基站。

　　如果不熟悉CDMA系统特性，没有丰富的CDMA网络设计和优化经验，在WCDMA网络中也很难实现直放站应用的优化，甚至严重影响网络性能。例如一个常见的误区就是试图靠抬高直放站的发射功率去压制其它信号，从而引起导频污染，带来“乒乓效应”。

　　大型写字楼的地下停车场覆盖是使用直放站的良好场地，地下系统有天然的隔离，不需考虑信号外泄问题，而且没有容量要求，其覆盖又是保证重点区域质量的必要组成部分。

　　(2)射频拉远

　　射频拉远作为室内覆盖系统的信号源是常用的解决方案，在市区中心使用较多，同时解决覆盖和容量问题，适用于中等覆盖范围及话务量的建筑物，这类建筑物的容量要求已不是直放站所能提供的，需要提供容量的解决方案。

　　使用射频拉远的前提是所要覆盖的建筑物周围宏基站有富余容量，而且需要专用光纤联结拉远模块和基站其它模块。在密集市区，尤其老城区，部署光纤往往成为制约该方案的瓶颈所在。另外，拉远模块体积小，部署安装简便，不需要专用机房，再配合室内信号分布系统不仅可以解决室内覆盖，而且可以提供相当的容量增益。

　　(3)采用室内基站

　　采用室内基站作为室内覆盖系统的信号源，适用于覆盖范围较大且话务量相对高的建筑物内，或在商业密集区的建筑物，周围宏蜂窝站没有富余容量的情况下，室内基站作为可选的解决方案，同时解决覆盖和容量问题。与前面方案相比，在室内部署基站(配合信号分布系统)不仅可以解决室内覆盖，而且可以提供显著的容量增益，尤其适用于话务量集中的高档写字楼、大型商场等环境，当然其投资也相对较高。

　　在实际使用中，对高层建筑部署单独的室内覆盖系统，即室内基站加信号分布系统。室内分布系统可使室内基站的容量均匀分布各个区域而达到良好的覆盖范围。

　　3.关于楼宇覆盖的建议

　　如前所述，室内覆盖与室外覆盖最好采用同一载波，在建筑物的进出通道处以软切换的方式实现移动用户呼叫的连续性，减少掉话的发生，同时利用建筑物自身的隔离特性，做好覆盖控制，减少软切换区。反之，如果室内采用异频覆盖，不仅占用一个5MHZ载波，而且硬切换的成功率也将大大低于软切换。

　　综上所述，移动通信室内覆盖的问题从广义上讲，不仅仅是对室内信号盲区的改善，同时也包括对室内移动通信话音质量、网络质量、系统容量的改善。室内覆盖的侧重点是商业价值高的重要楼宇，它们又因用途及设计的不同结构上差异很大。　　三、居民小区的覆盖方案分析

　　居民小区是国内城市环境一大特点，主要表现为集中，密集，高层，集群，尤其是近年新建小区。老式居民小区密集程度不高，楼层较矮，室外宏基站能提供良好的室内覆盖，不具备特殊性，因而不在此特别讨论。这类环境的覆盖既是重点，又是难点，在此对其解决方案做一些讨论。

　　密集型居民小区楼层较高，且高度差不多，楼宇排列往往自成体系呈封闭式或半封闭式，居民小区的覆盖要以室外宏基站为主，如对每一栋楼做室内覆盖，成本显然太高，然而小区的结构使得室外基站天线不论朝着那一个方向打，都可能会有盲区死角，需要在网络设计时特别考虑，这类小区地理环境相对独立，周边大都无密集商业区，也就是说，周边室外宏站扇区往往会有富余容量，较好的解决方案是根据实测室内盲区大小的具体情况，选用直放站或射频拉远来做补充覆盖。

　　四、隧道的覆盖方案分析

　　无论隧道长短，其共同特点是：

　　隧道两端各有一段引路，市区隧道进出口往往是多条道路的汇聚点，除隧道进出口外，隧道能做到很好的隔离，不用担心与外面宏基站间的相互干扰；

　　多数隧道是直通隧道或少而缓慢的弯道；

　　隧道双方向完全隔离，即两个行车方向是两个隔离的连体隧道；

　　话务要求较低，手机用户具有中等的移动速度，平均每小时40公里左右，最高不超过每小时80公里；

　　一般隧道内具备一定的传输配套设施。

　　隧道本身具有良好的隔离作用，在设计该室内系统的覆盖时，可不考虑与宏基站的覆盖重叠而导致的相互干扰问题，通过室外宏蜂窝的穿透实现对隧道内的覆盖显然不可行，因此必须设计一个特殊的室内覆盖系统。

　　在充分分析了隧道的特点后，可以考虑作如下覆盖。

　　1.直放站

　　直放站是一个很好的解决方案，由室外施主宏蜂窝基站提供容量，重庆市区的隧道出口大都不在密集街区，因而施主宏蜂窝基站富余容量可以有所保障。视具体情况，光纤和射频直放站均可考虑。如条件许可，光纤直放站效果更佳。如难以拉光纤，也可选射频直放站。在这种情况下，需选择正确的宏蜂窝作施主站，该站与射频直放站的接收天线间在视距上无遮挡，施主站在满足隧道外话务量要求的同时，有一定的容量余量。

　　射频直放站通过从远处的宏蜂窝收到无线信号对隧道内进行覆盖，直放站对施主基站的接受天线通常是高增益 (>= 20 dBi)窄波瓣，安装在接收主信号强，来自其他室外站信号少的位置。主信号RSCP 的典型值是–70 到 –80 dBm或更好，Ec/Io 值–7到–9 dB或更好。

　　直放站的覆盖天线或分布系统需要通过光纤来传入隧道，也可使用用同轴电缆。同轴电缆传输损耗大，不便于弯曲，安装难度大，如果覆盖短隧道，或覆盖距离较短(通常小于五十米的传输距离)，可考虑使用一到两个八木天线，提供覆盖。在传输损耗小的情况下，还可以考虑低增益甚至无源系统做覆盖。

　　与同轴电缆相比，光纤传输更适用于长距离的传输要求。光纤所许可的输入功率通常很小，传输距离长传输损耗小，需要在远端对信号进行放大，光纤便于弯曲，安装难度小。对于长隧道，分布系统跨度大，光纤传输更适合。

　　2.泄漏电缆

　　泄漏电缆是隧道覆盖的另一种解决方案，其结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三部分组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波，外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。泄漏电缆的传输损耗大，仅适用于覆盖要求高而均匀的场景。由于线性损耗对馈线首末段的信号强度影响很大，耦合损耗导致在距离电缆起始处较近的区域有良好的覆盖，但在超过50m的区域里几乎没有覆盖。

　　泄漏电缆的解决方案与分布天线系统解决方案各有利弊，泄漏电缆通过信号泄漏方式实现对室内的良好覆盖。与天线相比，它提供的是一种功率较低，但辐射均匀的“雾状”覆盖。

　　因为采用同频进行隧道内外的覆盖，就需要认真设计隧道进出口处与室外宏蜂窝的软切换。隧道进出口处最好处于一个宏基站的主服务区内，这样切换关系必将简单。

　　五、山区公路的覆盖方案分析

　　山区公路无线覆盖的挑战性较大，其特点可概括如下：

　　山区公路及沿路居民点有全覆盖要求，但话务量低；

　　信号传播受山区地形阻挡，覆盖的盲区多，覆盖难度增大，普通的基于基站的线性覆盖方案难以达到经济有效的全覆盖目标；

　　WCDMA容量颗粒度较大，难以象G网一样灵活配置；

　　传输配套条件一般。

　　根据山区公路的地形地貌特点及其对无线环境的特殊要求，有效地解决山区公路及沿路居民点的盲点覆盖是无线设计的关键，一般有以下三种解决方案：

　　1.基于增加基站覆盖山区盲点的方案

　　此方案是依靠增加站点，达到盲点覆盖的效果，其优缺点如下：

　　优点