CDMA/GSM信号在中高层建筑室内深度覆盖的研究

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1、概述
　　随着移动通信的发展以及资费的下降，移动电话已经成为人们通信联系的主要手段。广大的用户已经不满足于室外的通信，他们希望运营商提供一个能够满足人们随时随地通信需求的移动网络。同时，移动通信网络做到室内、室外、地上地下、各种场所均覆盖是吸引用户的必要条件。
　　随着城市建设步伐的加快，越来越多的高层建筑为城市增添了现代气息。然而，大量的高层建筑也给移动通信网络的室内覆盖带来了技术难题，成为网络优化和室内覆盖系统建设的重点和难点。
　　北京联通经过连续几年的网络建设，C、G两网日趋完善。室内覆盖系统作为网络建设的一部分也得到了长足的发展。近几年我们结合北京联通C、G两网的网络需求和城市建筑特点，专门组织了针对中高层建筑室内覆盖的课题研究，进行了一系列的有益探索和尝试，并取得了一定的效果。本文试图通过北京联通网络建设实例来阐述解决中高层建筑室内覆盖的基本原则并介绍一些新的方法。
2、问题分析
　　北京联通C、G两网均已具有相当的规模，在城区单个基站的覆盖面积越来越小。天线挂高普遍不超过30米，最小站距在200米以内。北京的建筑物特点是大型建筑多、楼层高并且位置相对集中。如：CBD地区、中关村、金融街、长安街沿线等。在这些区域的楼宇中高层室内接收到的C、G两网信号往往都不是附近基站的直射信号，多数是反射、绕射信号，或者是远处基站越区覆盖信号。用户感受为：信号不稳、通话质量差、掉话率高、接续困难，在室内临窗区域尤为突出。通过测试可以发现：随着楼层的升高，C网接收到的导频信号越来越多，虽然信号场强略有提高，但是普遍缺少主导频，Ec/Io越来越差，即产生了导频污染。G网可接收到多个扇区的信号，各个扇区信号的场强大致相同并且不稳，缺乏主服务小区，由于通话质量差而引起的频繁切换，造成掉话率升高。解决这些问题的有效办法是建设室内覆盖系统。为了提高投资效率，目前建设的几乎都是C、G两网共用的室内覆盖系统。在建设C、G两网共用的室内覆盖系统时存在两个难点：
　　（1）如何兼顾室内、室外的网络覆盖
　　中国联通GSM900网络工作频率带宽只有6MHz，可用频点非常少。无法单独设置专门的频点用于室内覆盖系统。由于室内覆盖系统数量多并且位置相对集中，在频率规划中无法避免同、邻频干扰。因此，只能采用“偷频”的方法设置室内覆盖系统的频点。这就要求室内覆盖系统的信号必须严格控制在室内，尽量减少室内信号向室外的泄漏。CDMA网络是自干扰系统，室内覆盖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。由此可见，C、G两网对室内覆盖信号向室外泄漏都有着严格的要求。因此，既要满足室内覆盖的需要，又要控制好信号泄漏，是室内覆盖系统设计中必须解决的难题。
　　（2）如何兼顾CDMA、GSM两网的不同需求
　　中国联通拥有CDMA、GSM两个移动通信网络。在无线信号传播上，由于两网频段相近，传播特性基本无差异。但是，CDMA比GSM网频带宽，更强调色散的限制，要求选用器件避免色散。在系统衡量指标上，两网覆盖方面要求基本相近；在质量方面，同样要求减少干扰。但是，两网的干扰形式有所不同。CDMA网的干扰主要来自系统内，强调避免接收到过多其它扇区的过强信号，而且无法通过频率规划解决多个过强信号问题。GSM网的干扰主要来自其它扇区的同、邻频干扰和网外的干扰源，可以通过频率规划和优化解决同、邻频干扰的问题。在话务容量方面，CDMA网由于软切换的存在，必须通过合理控制系统内外的导频信号强度和切换参数，避免过多的软切换导致系统容量的浪费。而GSM网无此方面的问题。同时由于C、G两网是分别组网，并且具有技术上的差异。因此，两网的室内、室外信号覆盖水平也不尽相同。由于室内覆盖系统的实质是室外移动通信网络在室内的延伸。因此，要根据两网各自的覆盖情况、用户的需求以及树立品牌的需要采用不同的方法，设计C、G两网共用室内覆盖系统。
3、解决方案
　　为了满足室内覆盖和控制泄漏两方面的要求，在中高层建筑室内覆盖系统的设计中，一般采用多天线、小功率、充分利用室内高穿透损耗物体控制泄漏的方法，兼顾室内、室外信号覆盖和C、G两网的需求。这种方法在北京联通室内覆盖系统建设中得到广泛的应用，解决了许多酒店、写字楼、办公楼等大型建筑的室内覆盖问题。但是，我们也发现在一些建筑密集区，当楼宇外墙穿透损耗较小时（如外墙为玻璃幕墙），室内的无线环境非常复杂，即使采用多天线、小功率仍然很难处理覆盖与泄漏的关系。对于这些诸如此类的建筑，我们分别做了专题研究。通过对建筑物室内、室外无线环境的测试分析和反复的模拟测试，制定了覆盖方案，取得了较好的覆盖效果。下面通过对中关村地区某商厦（简称D商厦）室内覆盖系统的分析，介绍一些解决中高层建筑室内覆盖的方法。
　　3.1　中关村D商厦的室内覆盖解决方案
　　D商厦位于中关村广场的西北部，周围均是高档写字楼。D商厦是一栋地下了层地上18层的高档写字楼，其中B2、B3为车库，B1为小吃城，地上1～8层为书店，8层以上为高档写字楼，写字楼部分的办公区域空间较大；整栋大楼的外墙为玻璃幕墙。经过测试10层以上的办公室临窗区域可接收到多个基站扇区的C、G两网信号，通话质量差，其周围基站均为C、G两网共站。如图1所示：

图1　D商厦周围环境及基站分布图

　　针对D商厦室内、室外的无线环境和该楼的结构状况，我们通过反复模测，认为即使采用多天线、小功率的设计方法，仍然不能使办公区域内两网信号均匀覆盖，不能满足室内覆盖和控制泄漏的设计标准。经过研究和模测，我们设计在写字楼的办公区域内敷设耦合型泄漏电缆，对办公区域进行C、G两网信号覆盖，如图2所示（图示中绿色线为泄漏电缆）：

图2　办公区域内所敷设的耦合型泄漏电缆截面图

　　耦合型泄漏电缆是利用漏缆外导体上的表面波的二次效应产生能量辐射，泄漏的电磁能量无方向性，并随距离的增加迅速减小。我们正是利用泄漏电缆的这个特性，实现办公区域内的室内覆盖和控制泄漏的设计标准。需要指出的是：地下车库、电梯、小吃城和其它公共区域均采用通常的室内分布系统设计方法，这里不再赘述。该系统C、G两网均采用微蜂窝做为信号源。
　　现选取F11层及F16层进行测试对比分析。
　　3.2　CDMA网覆盖前后效果对比分析
　　（1）F11层覆盖效果对比分析
　　在做室内覆盖系统前网络测试结果：临窗区域可接收到的PN有14个，Ec/Io很差，通话有断续和掉话。
　　表1为室内覆盖系统前导频信号（Ec/Io）测试的相关统计值。

表1　室内覆盖系统前导频信号（Ec/Io）相关统计值

　　表2为覆盖后相关统计值。

表2　覆盖后相关统计值

　　通过前后数据对比可见：11层办公区域室内覆盖前后几项主要指标都得到了明显改善，如表3所示。

表3　覆盖前后数据对比

　　（2）F16层覆盖对比分析
　　表4为现网信号（Ec/Io）测试的相关统计值，覆盖后测试相关统计值如表5所示。

表4　现网信号相关统计值

表5　覆盖后相关统计值

　　通过前后数据对比可见：16层办公区域室内覆盖前后几项主要指标都得到了明显改善，如表6所示。

表6　覆盖前后数据比较

　　（3）GSM网覆盖前后效果对比
　　D商厦F11和F16开通前后的数据分析表如表7所示：

表7　D商厦数据分析表

　　D商厦Rxlev数据分析表如表8所示。

表8　D商厦Rxlev数据分析表

　　从测试结果可以看出：
　　◆分布系统开通后，接收信号强度（Rxlev）明显提高；
　　◆开通前占用多个服务小区，造成频繁切换，开通后占用的服务小区单一化，基本没有切换。
　　（4）C、G两网室内信号泄漏情况
　　在D商厦周围10米处测试，G网已经不能占用室内微蜂窝的频点。C网Ec/Io＜-16dB，符合室内覆盖系统控制泄漏的标准。
　　由以上数据分析可见：这种室内覆盖方式较好地解决了室内覆盖和控制泄漏的矛盾。C、G两网都取得了非常好的覆盖效果，室内的通话质量有较大的改善。特别是CDMA网Ec/Io和FFER两项指标得到很大的提高。
　　此种解决方式适宜的楼宇主要具有以下特点：
　　◆热点区域高档写字楼，办公区域空间较大；
　　◆中高层临窗区域信号复杂，通话质量差；
　　◆外墙为穿透损耗较小的材料（如玻璃幕墙）。
4、结束语
　　解决中高层建筑室内覆盖问题的方法还有很多。如采用在室内布放定向板状天线、扇区分裂、在楼宇间引出室内信号相互覆盖等。这些覆盖方式虽然手法各异，但基本原则是一致的。即：提高主服务小区的信号场强和导频信号的Ec/Io。只要能够达到这个目的，可以根据网络的实际情况和建筑物室内、室外的无线环境采用不同的手段来实现。