3G室內分布系統(tǒng)分析

摘要　文章針對部署3G網絡的重要內容——室內分布系統(tǒng)建設，對分布系統(tǒng)信源選擇、傳輸介質選擇等幾種主要策略進行了評估，并就多系統(tǒng)共用2G室內分布系統(tǒng)在覆蓋和容量的統(tǒng)籌考慮，以及合路器、饋線等分布系統(tǒng)器件的共用和更新等問題提出了一些建設性的意見。

　　目前，國外的3G運營商充分認識到室內分布系統(tǒng)的重要性，紛紛投入了大量的人力物力進行室內覆蓋的研究和建設。由于我國還沒有真正意義上的3G商用網絡，因此在3G室內覆蓋方面尚處于探索階段。

　　在本文中，筆者根據從事移動通信規(guī)劃的經驗，就3G室內覆蓋的主要問題進行了分析，這包括分布系統(tǒng)信源的選擇、傳輸介質的選擇以及多系統(tǒng)共用2G室內分布系統(tǒng)等，并結合韓國SKT、香港SUNDAY等已經建立3G網絡的移動運營商在實際網絡建設中的相關措施和經驗，得出了一些結論。

1、室內覆蓋的重要意義

　　與目前2G網絡主要業(yè)務量來自于室外的情況不同，3G網絡的主要業(yè)務量來自于室內。根據香港SUNDAY對業(yè)務數據的采集結果可知，3G業(yè)務的室內發(fā)話量占總發(fā)話量的一半以上。而NTT DoCoMo的3G商用網絡用戶分布統(tǒng)計數據顯示，大約70%的業(yè)務量來自于室內。3G商用網絡的用戶分布統(tǒng)計分析見圖1，而其室內話務量明細見圖2。




圖1　3G商用網絡用戶分布統(tǒng)計分析




圖2　室內話務量明細

　　因此，提高室內覆蓋能力，不僅可以給用戶帶來更好的業(yè)務使用體驗，還可以分散過密地區(qū)的網絡壓力，更可以與其他運營商的網絡爭奪室內話務量。可以肯定的是，室內覆蓋的完善是3G取得成功的關鍵因素之一。

　　但是，由于3G工作在超短波頻段，而且電波繞射能力差，穿透損耗較大，因此網絡的深層次覆蓋存在著缺陷。和目前的2G網絡相比，3G網絡會有更多弱信號區(qū)出現(xiàn)，特別是在建筑物內部，更是存在著盲區(qū)多、易斷線、網絡表現(xiàn)不穩(wěn)定的缺點。韓國最大的移動通信運營商SKT根據網管數據和每年進行的兩次全國性用戶問卷調查，以及處理用戶投訴結果，得出了一個結論：大部分服務質量差的位置都在室內，而大部分投訴正是因為用戶對此不滿而產生的。因此，3G需要比2G更早、更全面地部署室內覆蓋。

　　目前，各主要移動通信運營商對于室內覆蓋建設的戰(zhàn)略意義有著非常清晰的認識，在建設上也是不遺余力。截至2005年第三季度，NTT DoCoMo將30%的基站資源用于室內覆蓋，規(guī)模達到了3800個室內分布系統(tǒng)。而且根據計劃，NTT DoCoMo的室內覆蓋建設力度還會繼續(xù)加大。

　　在3G網絡建設計劃中，我國移動運營商對室內覆蓋予以了高度的關注，明確提出了這樣的覆蓋目標：要在1～2年的時間內，使3G室內覆蓋達到3G覆蓋區(qū)內現(xiàn)有2G的室內覆蓋水平。這個愿望是良好的，目標也是正確的，但是具體實施起來仍然有很多問題需要解決。下面就一些主要問題展開討論。

2、3G室內分布系統(tǒng)信號源選擇

　　按照信號來源，室內覆蓋解決方案可劃分為宏蜂窩基站、微蜂窩基站、射頻拉遠基站和直放站等。

　　目前，國內2G網絡使用最多的室內覆蓋方法是宏蜂窩基站加定向天線，該方法主要用于建筑物密封性較差或者建筑物較稀的地方，實現(xiàn)方式是將天線直接對準目標建筑物覆蓋，并采用窄水平半功率角寬垂直波瓣的天線和適當的天線輸出功率，優(yōu)點是室外宏蜂窩基站可以同時提供覆蓋區(qū)域內的室內覆蓋，網絡資源可以同時為室內和室外的用戶服務；缺點也是顯而易見的，該方法不能確保建筑物內部的完全覆蓋，也不能提高頻率復用度。

　　在3G網絡中，宏蜂窩方式的使用可能會減少。如前所述，3G網絡中相當的業(yè)務量產生于室內，而作為3G特色的高速數據業(yè)務要求的接收機靈敏度要高于話音業(yè)務，如果仍然使用室外宏基站來確保室內的覆蓋質量，則必然會減小室外基站的站距，從而增加室外站的數量；另外，由于高層有比較嚴重的導頻污染，如果高大建筑物的高層部分由室外宏基站提供服務，那么用戶將接收到來自于周圍基站設備產生的多個強干擾，此時，用戶如果想通話，則終端需要更大的功率，也就意味著將會產生更多的干擾，從而導致整個系統(tǒng)通信質量下降。

但是，某些特定環(huán)境確實需要通過室外基站來實現(xiàn)室內覆蓋。香港的SUNDAY在3G室內覆蓋方面遇到的問題比較有代表性。香港高樓林立(每平方公里平均630棟高樓，平均樓高45米)，與業(yè)主談判難度大，周期長，租賃成本高。作為香港最小的移動運營商之一，SUNDAY根本無力在大部分高樓里建設室內分布覆蓋系統(tǒng)。因此，在保證重點建筑室內覆蓋的基礎上，SUNDAY在絕大多數情況下都是采用室外基站+定向天線的方式來實現(xiàn)室內覆蓋的。其中：

　　(1)高層室內覆蓋往往是通過上傾扇區(qū)和更寬的垂直面波束的小天線來實現(xiàn)的。

　　(2)底層室內覆蓋則往往是利用小天線低下傾的方式來完成的。

　　作為一種不得已的做法，室外基站加定向天線的室內覆蓋效果并不理想，這種方式不能完全解決信號盲區(qū)、弱區(qū)的問題，更重要的是，它會給后續(xù)的網絡優(yōu)化工作帶來很大的壓力。因此在國內，另外三種方式很可能會在3G室內覆蓋方面獲得更加廣泛的應用，下面分別進行闡述。

　　(1)微蜂窩加室內信號分布方式。該方式采用獨立的基站系統(tǒng)，可以獨立承載話務量，并能分擔宏小區(qū)話務。該方式雖然需要傳輸和供電設備，但是實施簡單，無需機房資源，更重要的是能夠提供更多的網絡資源，可以靈活結合具體室內分布系統(tǒng)來實現(xiàn)室內覆蓋。因此，該方式通常應用于面積比較大或者人流量比較大、話務量比較高的室內覆蓋。該方式也是目前SKT主要的室內覆蓋解決方案之一。

　　(2)射頻拉遠基站采用室內/室外混合覆蓋。該方式的優(yōu)點在于建設成本低，室外基站的基帶部分可以同時處理室內和室外的話務量，無需嚴格的機房和建站條件，同時可靈活地結合具體的室內覆蓋系統(tǒng)，并且配置和實施十分靈活。缺點在于要仔細核算基站的基帶所能承載的處理能力，同時遠端無線接入設備需要獨立的傳輸和供電設備。

　　SKT正在積極嘗試該方法。SKT通過采用相當數量的基站耦合方式，利用光纖加干放拉遠解決室內覆蓋，在全國共部署600多個點，效果很好。

　　(3)直放站加室內信號分布方式。該方式實施簡單，但因為沒有提供新的網絡資源，該方式適用于話務量較低的建筑。同時，它還需要保證直放站接收和發(fā)射天線之間的隔離度。對于地下室、停車場等強調覆蓋而非容量的建筑，直放站是不錯的選擇。

　　從國內部分移動運營商的建設方案可以看出，直放站將成為解決室內覆蓋的重要手段之一：對于無法利用室外基站信號達到良好室內覆蓋的有價值的公共場所，直放站的使用比例一般會在50%以上，很多地市甚至計劃全部采用直放站的方式來解決室內覆蓋。

　　需要指出的是，直放站干擾是困擾我國移動運營商的主要問題之一，從某種意義上說，直放站是一把雙刃劍。但是，從SKT使用的案例中我們可以看到，如果使用的方法科學，直放站對基站的影響并不是很大。一般情況下，SKT使用小功率的直放站實現(xiàn)室內覆蓋，而對于大功率的射頻直放站、光纖直放站，SKT認為并不適用于室內覆蓋。在實際的網絡部署中，SKT在全國范圍內的直放站超過10萬個，其中光纖直放站約5000個，大部分用于室外覆蓋，僅80個用于室內，其中大部分還是針對不能安裝基站的大型住宅區(qū)；射頻直放站約10萬個，99%為500mW的小型自適應小功率直放站，主要用于地下停車場、咖啡廳、辦公室、小商鋪以及臺球廳等覆蓋面積比較小的場所。SKT還經常使用手掌大小的增益為0dB的直放站，用于解決某些公寓區(qū)中單家庭的服務質量不良的問題。

　　綜上所述，室內分布系統(tǒng)的信源選擇需要綜合考慮建筑物的覆蓋、容量和周圍網絡環(huán)境等關鍵因素，一般應該遵循如下原則：

　　◆對于低話務密度、小規(guī)模覆蓋且較為封閉的場景，優(yōu)先選用直放站作為信號源，這樣可以充分利用室外宏基站的容量。

　　◆對于中等話務密度和中等覆蓋規(guī)模的場景，優(yōu)先選用微蜂窩作為信號源。

　 ◆對于高話務密度和大覆蓋規(guī)模的場景，優(yōu)先選用射頻拉遠模塊作為信號源。

3、3G室內分布系統(tǒng)的射頻信號傳輸介質選擇

對于已有2G室內分布系統(tǒng)的建筑，2G和3G共用室內分布系統(tǒng)的比例一般將會在70%以上，某些地市甚至將會超過90%。2G和3G共用室內分布系統(tǒng)的最大優(yōu)勢，就在于可以減少網絡的重復建設投資和多次工程帶來的不便和危險。根據筆者測算，近兩年建設的分布系統(tǒng)，共用分布系統(tǒng)需更換的設備的投一般不高于20%，節(jié)省下來的投資相當可觀。

　　此外，在2G室內覆蓋的區(qū)域應盡量減少與GSM間的系統(tǒng)切換，這就要求3G網絡覆蓋要做到與原有的2G網絡信號覆蓋相同。最經濟實用的方法是采用共用室內分布系統(tǒng)。

　　下面將就多系統(tǒng)如何共用室內分布系統(tǒng)進行闡述。3G室內分布系統(tǒng)按射頻信號傳輸介質來劃分，可分為同軸電纜分布、光纖分布和泄漏電纜分布等方式。根據中繼方式的不同，可分為無源分布系統(tǒng)和有源分布系統(tǒng)。針對不同的建筑物，應選擇不同的解決方案。同軸電纜分布的優(yōu)點是成本低，設計方案靈活，易于維護，可兼容多種移動通信系統(tǒng)，缺點是覆蓋范圍受同軸電纜傳輸損耗的限制。光纖分布的優(yōu)點是傳輸損耗低，易于設計和安裝，可兼容多種移動通信系統(tǒng)，缺點是遠端模塊需要供電。泄漏電纜分布的優(yōu)點是信號強度均勻，缺點則是安裝要求十分嚴格，每隔1米就要求裝一個掛鉤，懸掛起來時電纜不能貼著墻面，而且至少要與墻面保持2厘米的距離，這不但會影響環(huán)境的美觀，而且價格是普通電纜的2倍。這些分布方式的系統(tǒng)組成可以是某種單一的傳輸介質，也可以是多種介質的靈活組合。這些組成方式也就是室內分布系統(tǒng)的功率分配方式的表現(xiàn)形式。

　　(1)根據覆蓋面積選取合適的分布系統(tǒng)
　　例如，對于覆蓋面積較大、需布放較多天線的場景，可根據實際情況選用有源分布系統(tǒng)或光纖分布系統(tǒng)。
　　(2)根據建筑結構選取合適的分布系統(tǒng)
　　例如，對于建筑物內部結構簡單、墻體屏蔽較小、樓層較低但建筑物較為分散的場景優(yōu)先選用光纖分布系統(tǒng)；而對于建筑物內部結構狹長的特別區(qū)域，可選用泄漏電纜分布系統(tǒng)。
　　(3)根據信源方式選取合適的分布系統(tǒng)
　　對于信源方式為小功率直放站或微/宏蜂窩的場景，優(yōu)先選用有源分布系統(tǒng)；對于信源方式為中功率直放站和大功率直放站的場景，優(yōu)先選用無源分布系統(tǒng)。

4、2G和3G的室內分布系統(tǒng)共用

4.1　覆蓋和容量的統(tǒng)籌考慮

　　一方面，應根據共用室內分布系統(tǒng)的各無線通信系統(tǒng)的情況，盡量滿足覆蓋和容量的要求。例如，考慮到3G在室內的鏈路損耗一般比GSM900大8dB～12dB，所以一般需要增加一定數量的天線點，以滿足3G覆蓋和容量的要求。
　　另一方面，由于CDMA網絡是自干擾系統(tǒng)，室內分布系統(tǒng)的信號泄漏容易造成對室外信號的干擾，容易導致室外用戶選用室內信號，使軟切換增多，從而影響室外的掉話率，同時過多的軟切換也會浪費系統(tǒng)的容量。
　　因此，在設計3G室內分布系統(tǒng)時，要采用多天線、小功率的方法，減少室內天線的輸出電平，以控制信號泄漏電平；其次，在設計時應加強模擬測試，對泄漏問題增強預知性；在靠近窗戶、門口等邊緣區(qū)域，應采用方向性較好的定向天線，以減少信號的泄漏。

　　4.2　分布系統(tǒng)器件的共用或更新

　　3G與2G共用室內分布系統(tǒng)，對原有系統(tǒng)的改動除了要考慮電源和傳輸外，還需考慮以下問題：

　　(1)室內分布式系統(tǒng)的寬帶部件，如饋纜、接頭部件，應滿足3G使用頻段的需求。各樓層分布式天線、耦合器、功分器、合路器也要支持3G使用頻段。

　　目前，我國主要的室內分布系統(tǒng)包括GSM900MHz、CDMA800MHz、PHS等，對現(xiàn)有2G室內分布系統(tǒng)進行改造時，不僅要滿足3G的要求，還應兼顧WLAN的發(fā)展需要。這就要求改造后的室內分布系統(tǒng)支持885MHz～2500MHz的工作頻率范圍：

　 ◆在基站設備接入端增加雙工合路器，以保證系統(tǒng)間隔離度的要求。

　　◆部分系統(tǒng)原有的分布饋線為細饋線，信號傳輸損耗大，可能需要更換為粗饋線或光纖分布。

　　(2)現(xiàn)有的GSM室內分布系統(tǒng)使用的饋線大多為8D/10D/1/2，2000MHz與900MHz的損耗相差較大。工程中，1.9GHz頻率以上一般不采用8D和10D饋線，建議饋線改造按以下要求：

　　◆原有GSM分布系統(tǒng)的平層饋線中，長度超過5m的8D/10D饋線需更換為1/2饋線，主干饋線中不要使用8D/10D饋線；

　　◆原有GSM分布系統(tǒng)平層饋線中，長度超過50m的1/2饋線均需更換為7/8饋線，主干饋線中長度超過30m的1/2饋線，均需更換為7/8饋線；

　　◆考慮到進行饋線改造所產生的饋線與接頭的成本控制的問題，更換下來的1/2饋線與接頭可以用于更換8D/10D饋線；

　　◆由于有源器件無法共用，需要增加雙工分路器、干放、雙工合路器及多頻段合路器等。

　　(3)近兩年建設的2G室內分布系統(tǒng)，很多都已經充分考慮了與3G共用的問題，所以在3G的室內分布系統(tǒng)建設中，只需增加以下部件：

　　◆信號源可以是蜂窩基站、遠端射頻單元或直放站；

　　◆至少增加等量的3G干線放大器、多頻合路器和分路器，并且增加一個干線放大器和兩個相應的多頻合路器；

　　◆根據原有天線的距離，適當改變天線的位置。

　　需要在此處指出的是，改造室內分布系統(tǒng)最主要的工作之一，就是選用能夠滿足系統(tǒng)間隔離度要求的合路器。這是因為系統(tǒng)間干擾的主要類型包括發(fā)射機雜散、接收機阻塞、互調干擾等。前兩種干擾可以通過增加系統(tǒng)間隔離度來減小干擾，而互調干擾則復雜一些，需要避免使用有源放大器件，還需要保證合路器的無源互調抑制指標。這就對合路器的性能提出了非常嚴格的要求。

5、結束語

　　業(yè)務量分布的特點和3G頻段的特性，使3G的室內覆蓋問題處在了非常重要的位置。一方面，已經部署了3G商用網絡的NTT、SKT等運營商在這方面取得的經驗，值得國內移動運營商學習和借鑒。另一方面，我國移動運營商應該充分利用在2G時代積累起來的優(yōu)勢資源。本文從上述兩個角度出發(fā)，對3G室內分布系統(tǒng)建設的一些重要內容進行了闡述，并結合筆者在規(guī)劃設計方面的經驗，提出了一些建設性的觀點，希望對從事相關研究的人們有所啟發(fā)。