3G移动通信网络中室内信号覆盖解决方案设计

室内覆盖作为3G网络建设的重要组成部分,虽然已经有为数不少的3G室内覆盖试点工程在不同城市完成了施工和测试,但是室内覆盖环境普遍较为复杂,不同试点工程的测试目标和工作重点也不尽相同,为了给后期的3G网络建设提供一个有实际参考价值的规划原则,结合我们在2G网络室内分布系统建设方面的丰富经验和3G系统自身的特点,我们制定了一套3G(以WCDMA为主)室内覆盖分布系统建设的规划原则。为了验证这套指导原则的合理性,我们按照指导原则组织了一次现场的工程改造,并对改造后的分布系统做了模拟覆盖效果测试,测试重点是考察工程改造原则是否适用。

3G工程考虑因素

WODMA系统需要提供给用户丰富的业务类型(如可视电话、多媒体、高速率下载等),高速率意味着高容量的无线网络,也意味着更高的服务质量和服务水平,这又直接和网络建设的投入相关联。由于不同的用户群需要的服务不一样,因此在网络规划初期就有必要按业务需求合理分配资源,以节省投资,并能加快网络建设速度。所以在WODMA网络建设方案实施前,需要对覆盖目标做详细的规划标准和所需要的服务等级,结合实际工程经验,一个合理的3G室内覆盖工程需要重点考虑以下几个因素:

1.目标覆盖区覆盖等级
按照不同区域对业务需求不同,根据需要提供的服务等级和规划目标可将目标覆盖区分为:
重要区域(384kbit/s高速数据密集区域):要求CS12.2K、0S64K、PS384K等业务的连续覆盖;
次重要区域(144kbit/s低速数据密集区域):要求CS12.2K、0864K、PSl28K等业务的连续覆盖;一般区域(64kbit/s语音电话、可视电话密集区,数据业务低发区):要求C312.2K、0S64K等业务的连续覆盖,可以考虑补充PS64K业务;
非重点考虑的区域(有普通语音电话需求,数据业务低发区):保证CS12.2K业务。
用信号强度和信号质量区分不同目标覆盖区覆盖等级是一种较为简单有效的策略,这也是目前普遍采用的设计指标标准:
重要区域:边缘导频功率≥-85dBm,Ec/Io≥-8dB;
次重要区域:边缘导频功率≥-90dBm,Ec/Io≥-10dB;
一般区域:边缘导频功率≥-95dBm,Ec/10≥-12d8;
非重点区:边缘导频功率≥-1 00dBm,Ec/1o≥-15dB。

2.信源的选择
由于实际WODMA网络中可能同时提供CSl 2.2kbit/s、OS64kbit/3、PS64kbit/3、PSl 28kbit/s、PSl 44kbit/s及PS384kbit/s业务,每种业务占用不同的网络资源,对信号质量的要求也不一样,要构建一个合理的满足话务需求的无线网络,就需要对业务需求做仔细考察。
从外场测试结果看,WODMA系统的容量较OSM系统大很多,考虑在建网初期网络用户较少,网络的广泛覆盖是网络建设的关键,在此前提下可以多使用直放站代替基站作为信源,这样不仅能加快网络建设速度,还可以有效转移大型宏基站的多余资源,能够降低初期建设投资;待日后话务量渐涨的情况下再将其更换为基站。
对于业务需求大、有条件建设专用机房的目标覆盖区,可优先考虑采用室内宏基站;对于建设条件有限(如没有专门的机房)的场合,则优先考虑使用微蜂窝。
信号源的选取,我们需要综合考虑话务量、覆盖面积、建筑结构、信号源方式等因素的影响,最终采用既可达到所需的覆盖要求又可合理控制成本的分布系统。

3.频率规划
WODMA系统中每个载频内的所有用户共享频率、时间和功率资源,用特征码(扰码和信道码)对信号作统计处理来区分信道,也即所说的码分多址技术。
虽然WODMA系统无需进行复杂的频率规划,信道间的隔离完全由特征码的统计特性的正交性来实现。但特征码的正交性并不理想,造成系统的信道隔离不如FDMA和TDMA好,而且使用的信道越多,其他信道信号对本信道的干扰就越强。如果功率配置、覆盖范围设置不合理,经常会出现导频污染现象。
导频污染是WCDMA系统独有的特性,是影响网络性能的一项重要因素。导频污染增加了网络的干扰,同时使得切换算法无法有效地工作,必须严格加以控制。
在室内覆盖工程中,因为有建筑物的屏蔽、阻挡作用,室外宏基站对室内信号的干扰一般较小,所以在大部分场合都可以尽量采用室内、室外同频信号的策略,以节省有限的频率资源但是在有较大业务需求而无线环境本来就复杂的区域(如密集城区的高层型建筑物内),室内、室外采用异频策略就能很好的解决增加容量和控制干扰的目的。

4.合理的切换区
WODMA系统由于软切换的引入,对抗了阴影衰落,引入了软切换增益,扩大了小区的覆盖范围,同时减少对于其它小区的干扰,并通过分集改善性能;但是软切换也带来了硬件的额外开销,基站一般需要多预留30%的信道单元。
在室内分布系统建设中,室内系统会引入了新的信源,这样肯定要在目标覆盖区边缘形成新的切换区。因为无线信号传播特性和实际环境有很大影响,工程开通后实际的切换区可能会较大,这样就需要通过大量的测试及优化工作,如果采用室内、室外同频策略,需要将软切换区控制在我们需要的合理范围内;如果采用室内、室外异频策略,则更需要仔细设计切换区,既要保证有足够的切换区间供系统完成硬切换,还不能让切换区过大以避免频繁的硬切换。

5.天线的布放及功率分配

表1是WCDMA室内覆盖系统中同一天线覆盖范围内不同业务有效覆盖半径的测试结果。
因为3G室内覆盖区域基本都需要保证CS64K业务的连续覆盖,结合上表测试数据,设计的分布系统中室内全向天线的有效覆盖半径建议控制在8—12m范围内。

另外,WCDMA系统是白干扰系统,理论分析UE发射功率的动态变化量会造成小区内的干扰,其原因是在室内WODMA覆盖系统中,如果手机接收的信号强度足够强,由于功率控制会使手机的发射功率达到最低,如果这个时候用户的发射功率达到最低而用户还是离天线越来越近,那么就会对其它手机造成干扰,使其它手机不得不抬高发射功率。
从图1的仿真结果可以看出,当最小耦合损耗MOL(Minlmum Couplinc Loss,可以认为是手机在位于离天线最近时候的路径损耗)为45dB,它引起了约9dB的噪声抬高,这意味着基站端所需要的功率的升高9dB,或者保证服务的最小比特率的降低;当MOL高于65dB时,由uE最小发射功率所引起的噪声电子的抬高将忽略不计。
经测试,普通全向吸顶天线空间耦合损耗大约为25—30dB,为了保证MOL≥65dB,则从基站到天线入口
的链路损耗需要35dB以上,即天线入口导频功率应不大于33-35=-2dBm。考虑到楼内天线安装高度普遍在2.2m以上,而用户实际持手机高度不会超过2m,所以建议实际天线入口导频功率不超过3dBm,以控制天线的最大覆盖半径不至于太小。

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6.干扰
在3G室内分布系统建设中,因为要尽量共用室内分布系统,各系统的有源设备在发射有用信号的同时,在它的工作频带外还会产生杂散、谐波、互调等无用信号,这些信号落到其他系统的工作频带内,就会对其他系统形成干扰。
通过理论分析,对于整个系统的各种干扰信号的抑制,只能通过多频合路器的通道隔离度来实现。在无源器件的使用上,需要严格选取。

7.其他
在GSM移动通信系统中,上下行增益平衡是比较重要的问题。若下行增益远大于上行增益,会导致手机接收到场强很高,却打不通电话;若上行增益远大于下行增益,导致覆盖范围缩小。
WCDMA系统中,上行链路和下行链路的平衡并非网络设计目标。基站功率在下行由小区所有用户及信令共享, 因而不会成为覆盖受限链路。相反,手机发射功率是在规范中加以定义的。由于手机发射功率有限,上行链路则成为WCDMA系统覆盖的受限链路。也就是说,小区的最大半径取决于功率上限最小的一类手机。所以WODMA系统的链路预算通常是指上行链路预算,即从最大允许的上行损耗中除掉路径损耗以外的其他损耗和增益,从而得到最大允许的路径损耗,再将最大允许的路径损耗值带入传播模型中,得到预期的小区覆盖半径和覆盖面积。由于WCDMA的覆盖区域不像GSM那样由信号电平的绝对值来决定,它的覆盖与系统的负载或干扰水平相关,加入负载和邻近小区干扰后,小区半径会作相应的收缩。在实际工程中,这些问题都还需要经过大量的测试及优化工作才能有效控制。

试点工程测试内容

为验证以上思路的合理性,对审计署大楼的室内分布系统进行了改造和模拟测试,本次测试场景是比较典型的办公环境,单层面积约600m2。
测试的主要目的是验证整个室内分布系统按前述方案改造后是否能够满足设计指标要求。 信源:Agilent E4438C,输出64信道WODMA信号,导频信号占总功率的1 0%,Ec/Io=-10dB;
路测仪:TSMU(ROHDE&SCHWA2Z)&Notebook(已安装ROMES)。

测试结果
每个天线入口导频功率约5dBm,3副天线都接入分布系统中的测试图和测试结果

总 结


从测试结果看,改造后的工程基本能够达到3G信号覆盖标准的要求。但在3G工程改造中还应注意以下两点:首先由于原GSM室内分布系统普遍采用大功率、少天线的设计思路(这种设计方式在20网络中基本都可以达到设计要求,并且能大幅度降低工程成本,因此被广泛采用),但该类设计易造成室内信号功率分配不均;其次2G室内分布系统基本没有采用分区覆盖的方式,如果3G系统室内采用2小区以上配置,将很难设置切换区; 因此在原有室内分布系统基础上增加天线数量、更改天线位置等简单改造既不能明显改善原2G系统的覆盖质量,而且改造工程的施工难度较大,耗费更多;建议这类工程采用全部改造方式(即拆除原系统新建)。
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