3G室内分布系统分析

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        摘要　文章针对部署3G网络的重要内容——室内分布系统建设，对分布系统信源选择、传输介质选择等几种主要策略进行了评估，并就多系统共用2G室内分布系统在覆盖和容量的统筹考虑，以及合路器、馈线等分布系统器件的共用和更新等问题提出了一些建设性的意见。

　　目前，国外的3G运营商充分认识到室内分布系统的重要性，纷纷投入了大量的人力物力进行室内覆盖的研究和建设。由于我国还没有真正意义上的3G商用网络，因此在3G室内覆盖方面尚处于探索阶段。

　　在本文中，笔者根据从事移动通信规划的经验，就3G室内覆盖的主要问题进行了分析，这包括分布系统信源的选择、传输介质的选择以及多系统共用2G室内分布系统等，并结合韩国SKT、香港SUNDAY等已经建立3G网络的移动运营商在实际网络建设中的相关措施和经验，得出了一些结论。

1、室内覆盖的重要意义

　　与目前2G网络主要业务量来自于室外的情况不同，3G网络的主要业务量来自于室内。根据香港SUNDAY对业务数据的采集结果可知，3G业务的室内发话量占总发话量的一半以上。而NTT DoCoMo的3G商用网络用户分布统计数据显示，大约70%的业务量来自于室内。3G商用网络的用户分布统计分析见图1，而其室内话务量明细见图2。


                              

                                                       图1　3G商用网络用户分布统计分析

                                      


                                                                       图2　室内话务量明细

　　因此，提高室内覆盖能力，不仅可以给用户带来更好的业务使用体验，还可以分散过密地区的网络压力，更可以与其他运营商的网络争夺室内话务量。可以肯定的是，室内覆盖的完善是3G取得成功的关键因素之一。

　　但是，由于3G工作在超短波频段，而且电波绕射能力差，穿透损耗较大，因此网络的深层次覆盖存在着缺陷。和目前的2G网络相比，3G网络会有更多弱信号区出现，特别是在建筑物内部，更是存在着盲区多、易断线、网络表现不稳定的缺点。韩国最大的移动通信运营商SKT根据网管数据和每年进行的两次全国性用户问卷调查，以及处理用户投诉结果，得出了一个结论：大部分服务质量差的位置都在室内，而大部分投诉正是因为用户对此不满而产生的。因此，3G需要比2G更早、更全面地部署室内覆盖。

　　目前，各主要移动通信运营商对于室内覆盖建设的战略意义有着非常清晰的认识，在建设上也是不遗余力。截至2005年第三季度，NTT DoCoMo将30%的基站资源用于室内覆盖，规模达到了3800个室内分布系统。而且根据计划，NTT DoCoMo的室内覆盖建设力度还会继续加大。

　　在3G网络建设计划中，我国移动运营商对室内覆盖予以了高度的关注，明确提出了这样的覆盖目标：要在1～2年的时间内，使3G室内覆盖达到3G覆盖区内现有2G的室内覆盖水平。这个愿望是良好的，目标也是正确的，但是具体实施起来仍然有很多问题需要解决。下面就一些主要问题展开讨论。

2、3G室内分布系统信号源选择

　　按照信号来源，室内覆盖解决方案可划分为宏蜂窝基站、微蜂窝基站、射频拉远基站和直放站等。

　　目前，国内2G网络使用最多的室内覆盖方法是宏蜂窝基站加定向天线，该方法主要用于建筑物密封性较差或者建筑物较稀的地方，实现方式是将天线直接对准目标建筑物覆盖，并采用窄水平半功率角宽垂直波瓣的天线和适当的天线输出功率，优点是室外宏蜂窝基站可以同时提供覆盖区域内的室内覆盖，网络资源可以同时为室内和室外的用户服务；缺点也是显而易见的，该方法不能确保建筑物内部的完全覆盖，也不能提高频率复用度。

　　在3G网络中，宏蜂窝方式的使用可能会减少。如前所述，3G网络中相当的业务量产生于室内，而作为3G特色的高速数据业务要求的接收机灵敏度要高于话音业务，如果仍然使用室外宏基站来确保室内的覆盖质量，则必然会减小室外基站的站距，从而增加室外站的数量；另外，由于高层有比较严重的导频污染，如果高大建筑物的高层部分由室外宏基站提供服务，那么用户将接收到来自于周围基站设备产生的多个强干扰，此时，用户如果想通话，则终端需要更大的功率，也就意味着将会产生更多的干扰，从而导致整个系统通信质量下降。

        但是，某些特定环境确实需要通过室外基站来实现室内覆盖。香港的SUNDAY在3G室内覆盖方面遇到的问题比较有代表性。香港高楼林立(每平方公里平均630栋高楼，平均楼高45米)，与业主谈判难度大，周期长，租赁成本高。作为香港最小的移动运营商之一，SUNDAY根本无力在大部分高楼里建设室内分布覆盖系统。因此，在保证重点建筑室内覆盖的基础上，SUNDAY在绝大多数情况下都是采用室外基站+定向天线的方式来实现室内覆盖的。其中：

　　(1)高层室内覆盖往往是通过上倾扇区和更宽的垂直面波束的小天线来实现的。

　　(2)底层室内覆盖则往往是利用小天线低下倾的方式来完成的。

　　作为一种不得已的做法，室外基站加定向天线的室内覆盖效果并不理想，这种方式不能完全解决信号盲区、弱区的问题，更重要的是，它会给后续的网络优化工作带来很大的压力。因此在国内，另外三种方式很可能会在3G室内覆盖方面获得更加广泛的应用，下面分别进行阐述。

　　(1)微蜂窝加室内信号分布方式。该方式采用独立的基站系统，可以独立承载话务量，并能分担宏小区话务。该方式虽然需要传输和供电设备，但是实施简单，无需机房资源，更重要的是能够提供更多的网络资源，可以灵活结合具体室内分布系统来实现室内覆盖。因此，该方式通常应用于面积比较大或者人流量比较大、话务量比较高的室内覆盖。该方式也是目前SKT主要的室内覆盖解决方案之一。

　　(2)射频拉远基站采用室内/室外混合覆盖。该方式的优点在于建设成本低，室外基站的基带部分可以同时处理室内和室外的话务量，无需严格的机房和建站条件，同时可灵活地结合具体的室内覆盖系统，并且配置和实施十分灵活。缺点在于要仔细核算基站的基带所能承载的处理能力，同时远端无线接入设备需要独立的传输和供电设备。

　　SKT正在积极尝试该方法。SKT通过采用相当数量的基站耦合方式，利用光纤加干放拉远解决室内覆盖，在全国共部署600多个点，效果很好。

　　(3)直放站加室内信号分布方式。该方式实施简单，但因为没有提供新的网络资源，该方式适用于话务量较低的建筑。同时，它还需要保证直放站接收和发射天线之间的隔离度。对于地下室、停车场等强调覆盖而非容量的建筑，直放站是不错的选择。

　　从国内部分移动运营商的建设方案可以看出，直放站将成为解决室内覆盖的重要手段之一：对于无法利用室外基站信号达到良好室内覆盖的有价值的公共场所，直放站的使用比例一般会在50%以上，很多地市甚至计划全部采用直放站的方式来解决室内覆盖。

　　需要指出的是，直放站干扰是困扰我国移动运营商的主要问题之一，从某种意义上说，直放站是一把双刃剑。但是，从SKT使用的案例中我们可以看到，如果使用的方法科学，直放站对基站的影响并不是很大。一般情况下，SKT使用小功率的直放站实现室内覆盖，而对于大功率的射频直放站、光纤直放站，SKT认为并不适用于室内覆盖。在实际的网络部署中，SKT在全国范围内的直放站超过10万个，其中光纤直放站约5000个，大部分用于室外覆盖，仅80个用于室内，其中大部分还是针对不能安装基站的大型住宅区；射频直放站约10万个，99%为500mW的小型自适应小功率直放站，主要用于地下停车场、咖啡厅、办公室、小商铺以及台球厅等覆盖面积比较小的场所。SKT还经常使用手掌大小的增益为0dB的直放站，用于解决某些公寓区中单家庭的服务质量不良的问题。

　　综上所述，室内分布系统的信源选择需要综合考虑建筑物的覆盖、容量和周围网络环境等关键因素，一般应该遵循如下原则：

　　◆对于低话务密度、小规模覆盖且较为封闭的场景，优先选用直放站作为信号源，这样可以充分利用室外宏基站的容量。

　　◆对于中等话务密度和中等覆盖规模的场景，优先选用微蜂窝作为信号源。

　    ◆对于高话务密度和大覆盖规模的场景，优先选用射频拉远模块作为信号源。

3、3G室内分布系统的射频信号传输介质选择
         对于已有2G室内分布系统的建筑，2G和3G共用室内分布系统的比例一般将会在70%以上，某些地市甚至将会超过90%。2G和3G共用室内分布系统的最大优势，就在于可以减少网络的重复建设投资和多次工程带来的不便和危险。根据笔者测算，近两年建设的分布系统，共用分布系统需更换的设备的投一般不高于20%，节省下来的投资相当可观。

　　此外，在2G室内覆盖的区域应尽量减少与GSM间的系统切换，这就要求3G网络覆盖要做到与原有的2G网络信号覆盖相同。最经济实用的方法是采用共用室内分布系统。

　　下面将就多系统如何共用室内分布系统进行阐述。3G室内分布系统按射频信号传输介质来划分，可分为同轴电缆分布、光纤分布和泄漏电缆分布等方式。根据中继方式的不同，可分为无源分布系统和有源分布系统。针对不同的建筑物，应选择不同的解决方案。同轴电缆分布的优点是成本低，设计方案灵活，易于维护，可兼容多种移动通信系统，缺点是覆盖范围受同轴电缆传输损耗的限制。光纤分布的优点是传输损耗低，易于设计和安装，可兼容多种移动通信系统，缺点是远端模块需要供电。泄漏电缆分布的优点是信号强度均匀，缺点则是安装要求十分严格，每隔1米就要求装一个挂钩，悬挂起来时电缆不能贴着墙面，而且至少要与墙面保持2厘米的距离，这不但会影响环境的美观，而且价格是普通电缆的2倍。这些分布方式的系统组成可以是某种单一的传输介质，也可以是多种介质的灵活组合。这些组成方式也就是室内分布系统的功率分配方式的表现形式。

　　(1)根据覆盖面积选取合适的分布系统
　　例如，对于覆盖面积较大、需布放较多天线的场景，可根据实际情况选用有源分布系统或光纤分布系统。
　　(2)根据建筑结构选取合适的分布系统
　　例如，对于建筑物内部结构简单、墙体屏蔽较小、楼层较低但建筑物较为分散的场景优先选用光纤分布系统；而对于建筑物内部结构狭长的特别区域，可选用泄漏电缆分布系统。
　　(3)根据信源方式选取合适的分布系统
　　对于信源方式为小功率直放站或微/宏蜂窝的场景，优先选用有源分布系统；对于信源方式为中功率直放站和大功率直放站的场景，优先选用无源分布系统。

      4、2G和3G的室内分布系统共用
       4.1　覆盖和容量的统筹考虑

　　一方面，应根据共用室内分布系统的各无线通信系统的情况，尽量满足覆盖和容量的要求。例如，考虑到3G在室内的链路损耗一般比GSM900大8dB～12dB，所以一般需要增加一定数量的天线点，以满足3G覆盖和容量的要求。
　　另一方面，由于CDMA网络是自干扰系统，室内分布系统的信号泄漏容易造成对室外信号的干扰，容易导致室外用户选用室内信号，使软切换增多，从而影响室外的掉话率，同时过多的软切换也会浪费系统的容量。
　　因此，在设计3G室内分布系统时，要采用多天线、小功率的方法，减少室内天线的输出电平，以控制信号泄漏电平；其次，在设计时应加强模拟测试，对泄漏问题增强预知性；在靠近窗户、门口等边缘区域，应采用方向性较好的定向天线，以减少信号的泄漏。

　　4.2　分布系统器件的共用或更新

　　3G与2G共用室内分布系统，对原有系统的改动除了要考虑电源和传输外，还需考虑以下问题：

　　(1)室内分布式系统的宽带部件，如馈缆、接头部件，应满足3G使用频段的需求。各楼层分布式天线、耦合器、功分器、合路器也要支持3G使用频段。

　　目前，我国主要的室内分布系统包括GSM900MHz、CDMA800MHz、PHS等，对现有2G室内分布系统进行改造时，不仅要满足3G的要求，还应兼顾WLAN的发展需要。这就要求改造后的室内分布系统支持885MHz～2500MHz的工作频率范围：

　    ◆在基站设备接入端增加双工合路器，以保证系统间隔离度的要求。

　　◆部分系统原有的分布馈线为细馈线，信号传输损耗大，可能需要更换为粗馈线或光纤分布。

　　(2)现有的GSM室内分布系统使用的馈线大多为8D/10D/1/2，2000MHz与900MHz的损耗相差较大。工程中，1.9GHz频率以上一般不采用8D和10D馈线，建议馈线改造按以下要求：

　　◆原有GSM分布系统的平层馈线中，长度超过5m的8D/10D馈线需更换为1/2馈线，主干馈线中不要使用8D/10D馈线；

　　◆原有GSM分布系统平层馈线中，长度超过50m的1/2馈线均需更换为7/8馈线，主干馈线中长度超过30m的1/2馈线，均需更换为7/8馈线；

　　◆考虑到进行馈线改造所产生的馈线与接头的成本控制的问题，更换下来的1/2馈线与接头可以用于更换8D/10D馈线；

　　◆由于有源器件无法共用，需要增加双工分路器、干放、双工合路器及多频段合路器等。

　　(3)近两年建设的2G室内分布系统，很多都已经充分考虑了与3G共用的问题，所以在3G的室内分布系统建设中，只需增加以下部件：

　　◆信号源可以是蜂窝基站、远端射频单元或直放站；

　　◆至少增加等量的3G干线放大器、多频合路器和分路器，并且增加一个干线放大器和两个相应的多频合路器；

　　◆根据原有天线的距离，适当改变天线的位置。

　　需要在此处指出的是，改造室内分布系统最主要的工作之一，就是选用能够满足系统间隔离度要求的合路器。这是因为系统间干扰的主要类型包括发射机杂散、接收机阻塞、互调干扰等。前两种干扰可以通过增加系统间隔离度来减小干扰，而互调干扰则复杂一些，需要避免使用有源放大器件，还需要保证合路器的无源互调抑制指标。这就对合路器的性能提出了非常严格的要求。

         5、结束语

　　业务量分布的特点和3G频段的特性，使3G的室内覆盖问题处在了非常重要的位置。一方面，已经部署了3G商用网络的NTT、SKT等运营商在这方面取得的经验，值得国内移动运营商学习和借鉴。另一方面，我国移动运营商应该充分利用在2G时代积累起来的优势资源。本文从上述两个角度出发，对3G室内分布系统建设的一些重要内容进行了阐述，并结合笔者在规划设计方面的经验，提出了一些建设性的观点，希望对从事相关研究的人们有所启发。