CDMA高层覆盖与深层覆盖

摘要　解决高层覆盖和深层覆盖是目前城市无线网络优化中的一项重要内容，文章对高层覆盖与深层覆盖进行了深入的分析，并提出了解决方案。

　　随着cdma网络由建设阶段转向维护和优化阶段，网络优化工作在日常工作中变得越来越重要。同时，城市建设与发展不断加快，越来越多的高楼大厦、居民小区等建筑群拔地而起，因此，解决高层覆盖和深层覆盖已经成为城市无线网络优化中的一项重要的内容。

1、问题的提出

　　在市区，基站的密度较大，室外路面的覆盖一般都没有什么问题，但是仅看路测的结果不能发现问题。相关的统计结果分析显示：移动用户的室内通话行为越来越多，约占整个通话的60%，但是在一些高层建筑和一些建筑比较密集的居民小区内，覆盖情况不是很好。在高层建筑中，由于能收到多个基站的信号，而且这些信号的导频强度差不多，因而容易形成导频污染。在测试的时候会发现，虽然手机的接收电平很好，但是ec/io很差。在通话时，手机的误帧率和发射功率很高，频繁切换，造成话音质量差、掉话等问题。由于手机发射功率增大，也抬高了基站的反响噪声，造成基站覆盖范围收缩，系统容量降低。在一些建筑比较密集的多层(六层)居民小区，离基站相对较远，同时又受到周边楼宇的遮挡，虽然在小区的室外基本能够正常通话，但是到达室内后，信号衰减非常大，尤其是在1楼到3楼以及地下储藏室，这就形成了覆盖弱点。

2、高层建筑内覆盖的解决方案

　　目前，在我们的日常优化工作中，主要通过以下两种方法解决高层内部覆盖：第一种是在周边建设基站，同时使用特殊天线；另一种就是建设室内分布系统。

　　2.1　建设基站

　　在一些高楼比较密集、话务量比较高的地方，建设基站是解决高层内部覆盖比较好的方法。在这种情况下，基站的选址应该仔细慎重，切不可选在很高的楼上，否则会造成越区覆盖，对其他基站造成干扰。最好选在9层左右的建筑上。对于无线覆盖，我们要考虑两个方面，既要保证地面的覆盖，又要解决高层的覆盖。如何来解决这个问题?可以对信号进行空中分层，即利用功分器，将前向信号分成两路，分别接到两个天线上，一面天线覆盖高层，另一面天线覆盖地面，再利用合路器，将从两面天线上接收的信号合成一路信号，如图1和图2所示：


图1　楼群覆盖示意图


图2　信号功分、合路示意图

　　在图2中，功分器有两个作用，一是将前向链路的发射信号分成两路，起到功率分配的作用，同时将反向的接收信号合成一路，起到功率合成的作用。天线1覆盖建筑的上层部分，天线2覆盖建筑的底层和路面。根据楼层的高度，合理调整天线1俯仰角，如果楼层较高，天线调成上仰角。如果基站离这些楼群比较近，通过调整天线仰角还是不能够完全覆盖，这时，可以用特殊的天线来解决。一般来说，普通的天线水平波瓣比较宽，垂直波瓣比较窄。天线的增益与波瓣成反比例，高增益的天线波瓣比较窄，低增益的天线波瓣比较宽。在相同增益的情况下，水平波瓣比较宽的天线，垂直波瓣比较窄。在这种情况下，选用垂直波瓣较宽，水平波瓣现对较窄的天线；在不需要覆盖很远的情况下，适当降低天线的增益，提高垂直波瓣的宽度。天线的增益、水平方向波瓣、垂直方向波瓣这三个方面是相互制约的，根据实际情况，选择适合的天线，有时候能起到事半功倍的效果。

　　2.2　建设室内分布系统

　　由于周边的环境不同，有时室外基站无法解决建筑内部的覆盖，这时，只能通过建设室内分布系统来解决。室内分布系统一般分为两个部分：信源部分(直放站、微蜂窝)、室内布线及相关设备(干线放大器、功分器、耦合器、吸顶天线、馈线等)。

　　(1)信号源的选择

　　室内分布系统常用的信源主要是直放站、微蜂窝。直放站是将源扇区信号经过传输媒介进行前反向放大，直放站分为无线直放站和光纤直放站。图3是无线直放站的原理图。


图3　无线直放站原理图

　　无线直放站具有体积小、安装方便灵活等优点，但是也有容易自激、上行容易对施主基站产生干扰等缺点，在使用无线直放站的时候应该注意以下方面。

　　首先，要注意施主天线的选择与安装。常用的施主天线是抛物面天线和八目天线，在安装条件许可的情况下优先选用抛物面，抛物面具有天线方向性强、隔离度好的特点。但是在市区，由于受安装条件的限制，有时只能选用八目天线。施主天线的安装位置的选择非常重要，施主天线处接收功率应该大于-80dbm，施主扇区ec/io＞-7db。特别要注意，施主天线切不可安装在很高的楼顶，在市区，由于基站密度很大，在很高的楼顶可以收到很多扇区的信号，导频污染很严重。如果将施主天线安装在很高的楼顶，会将楼顶的导频污染扩大到室内。根据我们的经验，一般将施主天线安装在4到6层楼的楼顶。

　　其次，应注意施主天线与室内重发天线之间的隔离度。收发天线隔离度不够，整机增益偏大时，输出信号经延时反馈到入端，致使直放站输出信号发生严重失真产生自激。cdma信号自激的频谱如图4所示，发生自激后cdma信号波形质量变差，严重影响通话质量，产生掉话现象。严重时会造成大片区域无法通话。可以从以下几方面来解决自激问题：避免室内信号泄漏到室外；增加施主天线与室内重发天线间的隔离度；在保证室内覆盖的前提下尽量减小直放站的前反向增益。


图4　cdma信号自激频谱图

　　光纤直放站与无线直放站的最大区别在于施主基站信号的传输方式。无线直放站通过接收空间传播的无线信号进行放大，从而扩大基站的覆盖范围。光纤直放站是通过光纤进行传输，采用光信号接收器和转换器连接施主站和重发站。光纤直放站具有工作稳定、覆盖效果好、可提高增益而不产生自激的优点。光纤直放站原理图如图5所示：


图5　光纤直放站原理图

　　直放站将扇区覆盖范围延伸，但相应的也会增加延时。所以带了直放站的扇区的搜索窗应该根据引入的延时合理调整。搜索窗设置过小，起呼不了；设置过大，呼叫建立时间很长或者呼叫失败。下面是光纤直放站引入时延的经验公式。

　　(2×r×6.6)/1.61+(1.5×d×6.6)/1.61+t/0.814

　　r是直放站的覆盖半径，单位是km；d是光纤长度，单位是km；t是设备的延时，单位是微秒，一般是6微秒。

　　这个公式计算出来的是码片数(chip)，路径时延是6.6chips/mile，除以1.61，将km换算成mile，根据码片的速率(1.2288mchips/s)，将设备引入的时延换算成码片即t/0.814。根据计算结果，查码片(chip)与搜索窗(swa)对应表，选择最接近的搜索窗。

　　一些人员密集的商场、大型的写字楼、大型娱乐场所的话务量很高，如果用直放站，无法解决其容量问题，这些地方必须使用微蜂窝来吸收话务量。微蜂窝相当于一个基站，在使用微蜂窝时应该注意以下两个问题。

　　第一个是邻区问题，在市区，由于基站数量比较多，基站密度比较大，平均站距不到1公里，在高层建筑收到很多基站的信号，因而在做邻区规划时应该全而精。在微蜂窝开通以前应对建筑内进行详细的测试，根据强度对信号进行分类，对于ec/io＞-10db的应加入到微蜂窝的邻区内，同时覆盖到建筑的进出入口的宏蜂窝扇区也应该加入到微蜂窝的邻区里。另外一个问题是双载波间的切换，目前，在一些大城市中，宏蜂窝基站是双载波，而微蜂窝一般只是单载波，例如朗讯的cdbs基站，当用户由室外进入到室内时，用户若在201频点，进入室内则需要下切到283频点，如果不做载频间切换，肯定会掉话。

　　(2)分布系统的勘查设计

　　室内覆盖的目的是在建筑物内部需要场强覆盖、而基站信号又无法辐射的区域提供理想的信号覆盖。因此，工程设计的首要工作是勘测确定哪些区域已被基站所覆盖，哪些区域还需室内分布系统以增强信号。在勘测时，应特别注意话务繁忙地带，即用户最经常使用移动电话的地方，这一区域往往要设计一个分布天线。经过实地勘测，可基本确定各分布天线的位置，并根据各分布天线管辖范围来确定其每个信道的输出功率。为了使方案规划更加准确，通常可对这些区域进行场强覆盖预测。为了便于施工和维护，勘查完成后，还要做出设备布置和走线图。

　　室内分布系统的常用材料是：馈线、合路器、功分器、耦合器、吸顶天线、定向天线、干放器以及各种型号的馈线头等。应该根据实际情况来选用相应的器材。

　　2.3　室内分布系统案例：聊城建工大厦覆盖解决方案

　　(1)建工大厦基本情况

　　聊城建工大厦位于聊城市中心，地上24层，地下2层，地上1到6层为高档购物中心，6层以上为聊城建工集团以及写字楼。共有4部电梯。从测试的结果来看，1层到6层信号覆盖良好，无需做分布系统。6层以上信号覆盖较差。本室内分布系统覆盖6到24层，地下2层以及2部电梯。

　　(2)设备和相关器材

　　本系统主要用到以下设备和器材，信源部分为5w光纤直放站，分布系统主要器材为：干放、耦合器、功分器、合路器、馈线、吸顶全向天线等，详细的参数如表1所示。

表1　室内分布系统设备和主要器材

设备和器材

相关参数

光纤直放站

功率：5w

干放

上行增益：36db　　下行增益：36db

耦合器

工作频段：820mhz-960mhz
6db耦合器插损：2.2db　10db耦合器插损：0.7db
20db耦合器插损：o.3db　　阻抗：50ω

功分器

工作频段：820mhz-960mhz　二功分插损≤3.5db

合路器

工作频段：820mhz-960mhz　插损≤1.5db

馈线

10d馈线　　　　　　　　　百米损耗11.0db

吸顶全向天线

工作频段：824mhz-960mhz　增益：3dbi

定向天线

工作频段：824mhz-960mhz　增益：6dbi

　　(3)功率预算和设计图

　　根据耦合器、功分器、合路器的插损以及馈线的百米损耗，对整个系统的功率进行了预算，使每个天线口的输入功率符合要求。设计图和功率分配如图6、图7、图8、图9所示。


图6　地下二层走线示意图和功率分配图


图7　七到十层以及电梯的走线示意图和功率分配图


图8　十一层到十八层走线示意图和功率分配图


图9　十九层到二十四层走线示意图和功率分配图

　　(4)开通后的情况

　　为了保证室内信号不泄漏，在窗口处安装壁挂式定向天线，同时也避免了高层覆盖的窗口效应，使窗口处的信号强度和ec/io强于从室外覆盖过来的信号。同时，我们根据光纤的长度，以及设备产生的时延，对整个系统时延进行了计算，根据计算的结果，合理的调整了源扇区的搜索窗。开通以后，我们对整个楼层和电梯进行了拨打测试，通过测试，发现覆盖和通话质量均良好，没有出现呼叫失败和掉话的现象，达到了预期的覆盖效果。

3、小区深层覆盖解决覆盖

　　据统计，移动通信大约有85%以上的话务量产生在室内，但是在居民小区等建筑群非常密集的地区，基站发出的无线电信号经过多层建筑物后衰减非常大，造成很多小区内的1、2、3层内的用户无法通话。由于环境的原因，基站选址制约因素很多，难度很大，往往在上述地区无法选到合适的站址。有时即使在周围选到站址，也不能完全解决问题。目前，通常用以下几种方法来解决小区的覆盖。

　　3.1　建设直放站

　　建设直放站是解决局部覆盖比较有效的方法。在直放站的选择上一定要慎重，居民小区一般都位于市区中心，周边基站较多，在一个地点同时能接收到很多基站的导频信号，这些信号的导频强度比较弱，没有主导频，形成了导频污染。如果选用的无线直放站没有任何效果，反而会将导频污染区域放大。此外，当无线直放站的施主天线和重发天线的隔离度不够时，会出现自激现象，一旦出现自激会造成大面积无法正常通话。光纤直放站将一个扇区的信号耦合后经过光纤传输到远端进行前反向放大，导频比较干净，不会产生干扰。所以在直放站选择取时一般不选用无线直放站，而选用光纤直放站。

　　因为小区最外围的楼覆盖相对较好，所以直放站天线安装的位置一般选择在小区中间的楼顶上，利用二功分器将信号分成两路，天线分别朝两个方向覆盖。在小区不是很大、不需要覆盖很远的情况下，一般选用低增益波瓣较宽的定向天线，这样可以充分覆盖到天线两侧方向。在直放站开通以后，在小区内以及周边进行详细的路测和拨打测试，根据路测的情况，对天线的方位角和倾角进行调整，保证小区内充分覆盖，同时也不会对小区周边产生影响。

　　3.2　室外分布系统

　　由于小区规划以及小区居民担心电磁辐射等条件的限制，有的小区无法直接安装抱杆和天线，在这种情况下，可以通过建设室外分布系统解决小区的覆盖。在这些多层(六层)小区，覆盖较弱的主要集中在一层至四层以及地下室，室外分布系统的基本原理与室内分布系统一样，将直放站或者微蜂窝的信号经过功分、多级耦合、放大，通过天线将信号均匀地覆盖到室内。天线安装方法有两种，一种方法是将天线安装在室外的墙壁上，馈线顺着墙壁走线，天线一般安装在二楼室外的墙壁上。另外一种方法是通过小区地下管道走线，将天线安装在小区的草坪上，通过调整天线的仰角来覆盖室内。小区室外分布系统的天线在外形上需要经过特殊处理，一般做成路灯、友好提示牌、艺术造型等形式。

4、结束语

解决高层覆盖和深层覆盖的工作包括工程勘查、设计、施工、调整和优化等几个过程，每一个过程涉及到的方面很多，在具体实施的过程中，要根据楼层高度进行功率预算；根据楼层的情况选择天线的类型；根据小区内楼群的分布选择解决方案。总之，要考虑全面，措施灵活，这样才能既解决高层和深层覆盖，又不影响路面的覆盖。