室内覆盖系统3G改造演进策略及问题研究(一)

打盹的憨包子

中国电信网络运行维护事业部应急通信无线维护处 陈玥
摘  要：随着无线通信用户对通信质量要求的不断提高，完善信号室内覆盖已成为当前PHS网络建设的紧迫任务。近两、三年以来各省电信公司在各大中城市写字楼、星级宾馆酒店、购物中心、餐饮娱乐场所、政府机关、医院、专业市场等重要场建设了大量室内分布系统来解决小灵通室内覆盖问题。在3G网建设初期这些已经投入使用的PHS室内覆盖分布系统中的大部分将被改造成具备3G&PHS（&WLAN）的“多网合一”室内分布系统。为中国电信的3G用户提供一个优秀的3G网络服务。
关键字：室内覆盖 3G PHS 规划 室内分布系统
正  文：国内非常成熟的2G网络中，中国移动及中国联通在大中城市中的大型楼宇、地下室、地铁、隧道等室内通信环境基本完成了室内信号的覆盖，国内移动通信用户已经感受到2G网络的优秀服务质量。中国电信作为无线通信市场的后入者为了给将来3G用户带来2G同样的消费感受，3G网络重视室内信号覆盖质量是必然的、也是急迫的。在室内环境，尤其是高价值客户集中的室内环境，如果覆盖问题无法改善，那么就将失去这些3G核心业务的高价值目标用户群。势必无法赢得3G用户的信任，甚至失去3G市场。全球最早的3G运营商NTT DoCoMo就是前车之鉴。
来自NTT DoCoMo的统计数据表明，室内用户分布往往大于室外用户2倍以上，并且室内用户多数分布在办公室、车站、酒店等地方，因为室内环境相对舒适，室内环境用户处于等待状态的较多，所以更加便于使用3G丰富多彩的业务应用。已经实施了室内覆盖的建筑物内话务量一般可以增大1.43倍。这些大量增加的业务需要较高的网络质量保证，因此室内覆盖对于客户体验而言自然相当关键。
一、WCDMA室内分布系统建设原则
在大城市的商业中心、CBD区域、高层住宅小区等，由于存在大量新建的超高、超大建筑物，单纯的把站距缩小，并不能大幅提高室内覆盖。而且，对于高楼上半部，没法利用室外基站来完成覆盖。简单地提高室外基站天线高度或天线采用上倾角，容易在全网产生严重的无线干扰，因而简单地缩短站距并不能解决问题。而在地下室、地铁等完全封闭的环境中，室外基站完全无法覆盖到这些地方。因此在此类区域建议按室外覆盖目标规划室外基站，重点室内场景采取专门的室内覆盖解决方案。
在WCDMA网络规划中，室内分布系统规划是很重要的部分，而且是必须尽早考虑的问题。而3G室内分布系统的规划、设计、实施与2G系统差异很大，需要考虑如下多方面问题：
“室外＋室内”统一规划
多种业务的需要、选取合适的信号源及规划目标，经济有效的进行网络规划
兼容多种无线通信系统的通用接入平台
①保证室内覆盖的效果
要明确室内覆盖的范围：具体的楼宇目标和覆盖的具体楼层，确定室内覆盖的覆盖质量要求。要明确覆盖目标的业务需求。不同的业务覆盖需求对室内覆盖设计中的链路预算和容量设计都有较大的影响。
室内分布系统设计时，目前业界推荐使用的ITU-R P.1238的室内传播模型。模型公式如下：



N表示距离损耗系数，F 表示频率，单位是MHz；
D 表示移动台离发射机之间的距离，>1m；
L f(n) 表示楼层穿透损耗系数，Xδ表示慢衰落余量，具体取值与覆盖概率要求和室内慢衰落标准差有关；
N距离损耗系数取值
Frequency (GHz) Residential Office Commercial
1.8-2GHz 28 30 22

Lf(n)楼层穿透损耗系数取值
Frequency (GHz) Residential Office Commercial
1.8-2GHz 4n 15+4(n-1) 6+3(n-1)
n表示要穿透的楼层，n>=1
②保证室内覆盖的容量需求
不同的室内覆盖场景，有不同的业务要求和容量需求。要考虑用户增加后的容量应变策略。根据不同的容量需求，选择合适的信号源和传输资源。
室内分布系统容量分析可以分为两种情况：
对于已有的分布系统，分析原分布系统的话务情况，并结合运营商对于3G业务的预期，来判断3G系统的容量。
对于新建3G室内分布系统，先估算覆盖目标的预测用户数，然后根据相应的话务模型和终端渗透率进行相应的容量估算。
不同的覆盖目标有不同的容量需求，预测覆盖目标的用户数，进行话务量计算，做为信号源选择的参考。
③3G室内分布系统建设方式
宏蜂窝微蜂窝＋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。
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。
直放站＋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。
表1 信号源选择比较
信号源 宏蜂窝基站 直放站 微蜂窝基站、RRU
覆  盖 好 好 好
容  量 增加容量 无新增 新增基站带来新的容量
成  本  新增设备，维护 新增设备，维护 新增设备，维护
优  点 提供高容量和良好覆盖 相对简单，无需机房 提供高容量和良好覆盖
缺  点 成本较高，需要机房 无容量增加、对母站覆盖有影响 成本较高
典型适用范围 大型商场，大型体育馆，火车站、机场 隧道，停车场，酒店，餐饮娱乐， 商务中心，购物中心，写字楼
二、PHS室内分布系统改造成PHS&WCDMA（&WLAN）系统
从图1国内频谱分配可以看出，建设或改造“多网合一”室内分布系统有两个关键点。一是室内分布系统器件频段必须满足800～2500MHz，这一点可以通过采购符合要求的器件解决。二是各系统间无线干扰。无线通信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或严格控制有源放大器件的技术指标，还需要保证合路器的无源互调抑制指标。

对于PHS对WCDMA的上行干扰，经过各设备厂家及运营商研究测试表明，将PHS室内覆盖系统使用频段限制在1900～1910MHz，PHS/WCDMA合路器系统隔离度达到80dB以上时，PHS系统对WCDMA上行的干扰可以控制在系统允许范围内。
为了使现阶段建设的以PHS为主的“多网合一”室内分布在今后能顺利接入CDMA、GSM、WLAN、UMTS（WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA）系统，在建设时要遵循以下原则：
所有无源器件（功分器、耦合器、电缆、天线）频段应满足800～2500MHz。
室内分布系统应统一设计，分步实施，设计时应该充分考虑3G多网合路节点位置、节点功率问题。考虑到3G多网合路器插入损耗有2dB，在PHS系统设计时要做2dB的功率预留。
严格遵循“小信号、多天线”的原则，保证室内信号分布均匀。
为避免PHS系统与3G系统之间的干扰，PHS信源基站必须工作于1910MHz以下。
三、现有室内分布系统演进思路
从2005年开始建设的PHS室内分布系统，各电信公司开始选用宽频器件，使整个室内分布系统的无源部分完全可以为将来的3G系统使用。整个室内分布系统演进分为，前期的规划、建设施工优化、多业务引入等几个阶段。
3G建设启动前，认真做好规划设计工作
由于3G网络的多业务、高速率特性决定了在做室内覆盖规划设计时不能按照统一的标准来进行，不同区域类型，不同业务目标的区域应用不同的覆盖标准。将建筑物分成虚拟的几个层次，通过室内外基站配合共同形成覆盖，用最少的基站完成覆盖要求。将建筑物的室内覆盖由上至下顺序分作了四个主要层面，分别是“高层强信号干扰地域”，“中层弱电波区域”，“低层话务量集中区域”以及“地下无信号区域”。3G室内系统设计的重要关注点：
需要给出每个室内分布系统的新建或改造思路，并给出系统原理图。
选择合适的信号源和器件，并给出它们的性能指标。
通过边缘场强设计，链路预算，天线口功率计算等，得到详细网络拓扑图。
这一阶段需要完成的工作：
2006年开始建设的室内分布系统应统一设计（多网合一），分步实施。新建的综合室内分布系统方案中必须包含与3G系统合路以及3G主干和水平部分的设计，但在3G牌照明确前，暂不安装3G合路器和干放。
对现有室内分布系统，在3G牌照发放前应该进行场景分类。请市场部门对已建室内分布系统用户群、3G业务量进行预测，结合PHS用户话务统计将原来的PHS室内分布系统站点重要性进行排序分类。确定各室内分布站点的3G室内覆盖需求：全覆盖或点覆盖。
做好已建室内分布系统站点各项基础、工程资料统计，在当初建设设计中没有进行多网合一设计的室内分布系统，要先期进行多网合一室内分布设计。改造前对改造站点进行测试，在室内分布系统满足  以便在3G牌照发放后第一时间能完成工程改造。
3G全网规划时，必须考虑现有室内分布系统进行室内室外统一规划，在室内分布系统站点比较密集区域适当加大的室外站站间距，以减少这一区域的无线干扰，降低后期网优难度。
对于未建设室内分布系统的大楼，可以考虑应用一些新的设备和系统完善室内覆盖。例如5类线分布系统、Pico NodeB、Pico RRU等。
在第一时间完成重要楼宇3G合路改造，完善3G室内覆盖
在3G网络建设启动以后，按照前期改造方案，组织厂家迅速完成重要室内分布系统的“多网合一”改造。要严格控制室内3G信号泄漏到室外，同时也需要测试室外信号在室内的强度和稳定度，尽量减少室外小区在室内的导频数量和强度。
这一阶段需要完成的工作：
在改造前对现有PHS室内分布系统进行测试，只有室内分布系统符合《中国电信室内无线综合分布系统技术要求》的情况下才进行多网合一室内分布系统改造。
为保证多网合路关键器件合路器器件指标统一，建议进行全省统一招标、采购。
严格控制室内分布系统覆盖范围，降低室内、外小区之间的干扰。一方面，要控制过多的室外信号进入室内：实际工程中，一般室内小区信号边缘场强要比室外信号在室内的强度高10dB左右。另一方面，要控制室内信号泄漏到室外：实际工程中，一般要求室内小区泄漏至室外10米处的导频信号强度应低于-95dBm。
认真做好3G室内分布系统网络优化，提高用户感受。
对重要大楼先期进行传输扩容到4×2M，以便基站开通HSDPA的需要。
HSDPA引入室内分布系统
引入HSDPA后，由于小区的峰值吞吐量、平均吞吐量都会大幅增加，对Iub接口的传输资源要求大大提升，3G初期混合载频组网基站需要配置4～6个E1。
引入HSDPA的时候，室内话务量尤其是数据业务话务量的增加幅度，估计会远远大于室外。因此对于HSDPA的网络覆盖来说，室内比室外更重要。一般的地区在初期只需要一个载频，一些用户密集的数据热点地区的室内覆盖可以直接采用两个载频。考虑用户的移动性，系统应支持HS-DSCH信道和DCH信道的切换，同时支持与GPRS／EDGE之间的小区重选。
①载频配置
在组网方式上，需要从独立载频组网和混合载频组网两个方面来考虑室内场景的组网。从HSDPA的技术特点来看，HSDPA可以充分利用R99/R4的剩余功率，负载门限可达90～100%，而R99/R4网络一般只会达到75%，混合组网的效率高于独立组网，因此建议采用混合组网方案。
表2 单小区室内分布系统容量测试结果
业务 测试点RSCP 实测UE接入数量 室内系统理论极限容量 基站RTWP上升 下行平均发射功率 下行负荷
上行 CS12.2k －70dBm、－80dBm 78 78 38.9dB ——
CS64k －70dBm、－80dBm 20 20 36.3dB ——
下行 CS12.2k －70dBm、－80dBm 78 256 —— 38.69dBm 36.98%
CS64k －70dBm、－80dBm 20 48 —— 39.29dBm 42.46%
PS384k －70dBm、－80dBm 7 35 —— 38.04dBm 31.84%
通过前期的实验、测试在室内分布系统中WCDMA系统AMR12.2K CS/PS64K的容量是上行容量受限，PS384K的容量是下行码字受限。同时可以看到在室内语音容量到达极限时，下行载波功率还有较大富余，完全可以支持HSDPA＋R99对功率的需求。因此在室内分布系统引入HSDPA建议首选单载频混合组网策略，降低投资提高资源利用率。HSDPA＋R99/R4共享一个载频组网的方案可以满足大部分室内分布系统的业务要求。
如果HSDPA用户的数据业务量预计比较大，推荐采用引入第二个频点，HSDPA和R99/R4共享两个载频组网的方案，一方面HSDPA和R99可以充分共享载波资源，另外HSDPA可分配的功率和码资源相对较多，可以充分发挥HSDPA的效率，提高小区吞吐率。
②信号源选取
信号源选取的原则是：根据站点的用户数和业务需求计算室内覆盖站点的容量需求。结合信号源的容量指标，考虑周围基站的容量忙闲情况，采用相应的信号源作为室内分布式系统的信号源，达到信号源的合理利用。
这一阶段需要完成的工作：
根据用户发展情况及用户需求，开通、优化各室内分布系统的HSDPA覆盖。
按照用户业务预测，合理分配基站码资源及功率资源。
做好室内分布系统的运行维护工作。
四、室内分布系统建设值得关注的问题
3G室内覆盖的建设是个庞大的工程。如何利用业务模型、业务分布预测进行室内覆盖规划；如何经济有效地规避3G室内覆盖与2G系统、PHS系统之间的相互干扰问题，实现多系统良性并存；室内覆盖系统中的切换机制；如何合理解决3G室内覆盖带来的3G系统的自干扰，也都是亟需解决的课题。
直放站、干放引入的应用需要平衡考虑直放站、干放对源基站的影响
在正常的基站和移动台UE之间串联进来直放站或者干放时，引入了噪声。直放站或者干放实质上就是一个双向放大器，目的是弥补路径损耗、扩大覆盖范围。当网络中引入直放站或干放同时也会引入噪声，对基站的施主基站及直放站、干放的灵敏度都会有一定的抬升。基站灵敏度的抬升将直接影响到基站的容量和覆盖。
①一个――直放站、干放噪声系数（dB）；
――施主基站噪声系数（dB）；
――直放站、干放上行增益（dB）；
――从直放站、干放上行输出端口到施主基站接收端口的路径损耗（dB），包括电缆损耗、天线增益和空间路损等，用正值表示。
②N个直放站、干放引入后，对基站本身的底噪抬升
根据以上单个直放站、干放对施主基站的底噪抬升公式，考虑多个直放站、干放应用时对施主基站底噪的抬升，比如N个同样的直放站、干放干扰源等效到基站输入端进行叠加，相比基站而言，施主基站底噪功率增加倍数（比例）为：

在直放站、干放输入端看来，是移动台上行的输入端，直放站、干放接收灵敏度就取决于这里的底噪，底噪越高，接收灵敏度越低，关系到移动台发射功率的大小。从上述公式看来，当基站和直放站、干放噪声系数相等，上行净增益为0（直放站、干放上行电路增益完全补偿上行净路损）时，直放站、干放和基站的底噪均抬升3dB。当上行净增益为-6dB时，基站底噪抬升仅仅为1dB，而直放站、干放底噪却抬升了7dB，明显是基站接收灵敏度高了，直放站、干放的接收灵敏度降低了。
图2 语音容量与底噪抬升的关系图

    根据实际测试对于终端分布于上下行覆盖良好的区域，当空载底噪抬升约10dB，对基站上行容量影响甚微。当空载底噪抬升20dB时，上行容量将减少约10％；对于终端分布上下行覆盖接近小区边缘区域时，空载底噪抬升对上行容量的影响加大。当空载底噪抬升10dB，基站容量将减少约10％。
在实际测试中，当底噪抬升10dB时，由于上行覆盖大幅度减弱，上下行平衡被打破，基站上行覆盖收缩较大。底噪抬升对源基站覆盖的影响远远大于对基站极限容量的影响，
所以使用直放站应注意以下几点：
源基站接收灵敏度与直放站、干放接收灵敏度是可以相互影响的，在允许源基站接收灵敏度适当降低的情况下，可以提高直放站、干放上行增益扩大直放站、干放上行覆盖范围。反之则降低直放站上行增益，减小直放站、干放上行覆盖范围。
多个干放的有源分布系统，会导致基站空载底噪的大幅抬升，容量下降，上行链路覆盖不足。在无源分布区域和有源分布区域优先级一致且较高的情况下，建议限制干放的使用。
由于光纤直放站在施工中较容易达到隔离度的要求，所以在城区和室内分布系统中建议使用光纤直放站。地下室等封闭区域可以使用射频直放站。
由于直放站的引入，会引起定位业务误差较大。在城区使用需控制好直放站与源基站之间距离不要太远。
室内分布系统室内、室外相互干扰问题
室内分布系统中室内室外干扰主要是大楼边缘的室内、外小区之间的干扰，尤其以高层楼内的室内外同频小区干扰为重。室内、外同频小区干扰会对网络造成以下影响：
Io升高，Ec/Io降低，BLER升高，质量恶化，掉话增多。
室内外小区之间容易发生频繁切换，可能造成切换掉话。
由于干扰增大，降低了系统的有效覆盖 ，影响网络容量。
高层窗口处室外小区信号进入室内较多，存在导频污染和乒乓切换，容易掉话。因此在高层室内小区在窗边的天线口导频功率设计，应该比室外小区进入室内的信号高一定的余量，以控制高层室内小区与室外小区的切换区域。
解决室内导频污染的主要方案：
通过调整室外基站的天线下倾角和方向角，来控制室外基站信号进入室内的强度。
通过改造室内分布系统，增加室内天线等方法来增强室内信号的强度。
采用合理的切换策略，设置合理的切换参数。比如采用室内外异频策略等。
3G室内分布系统切换策略及频率配置
3G室内设计方案中应体现对切换区域的考虑；避免室内外乒乓切换和切换不及时导致掉话为切换区域设计的关注点。3G室内分布系统切换主要包括楼内楼外切换、楼内电梯切换两种基本类型。
一楼大楼进出口处应该通过大堂内合理的天线布局，准确的天线口导频功率设计，合适的切换参数配合，构造切换区域。大堂内外最好为同频软切换；软切换区域设计不宜离马路太近或进入室内过深。调整室内小区导频功率或小区偏置参数，对软切换区域影响稍大。对于中空大堂结构，要避免高层同频小区在大堂的信号泄漏，出现复杂的软切换。
高层室内小区选择室外进入室内信号较强，较稳定的小区做为双向邻区；并根据需要调整高层室内小区切换参数，防止乒乓切换。对于其它邻区，室外小区做高层室内小区的邻区，高层室内小区不做室外小区的邻区；即采用单向邻区策略，高层室内小区不切换到这些室外邻区上，如果UE做小区选择时，选择了室外邻区驻留，那么可以通过切换，返回高层室内小区。
为了控制干扰，在3G室内分布系统中建议同频为主，异频为辅。室内外同、异频覆盖方案比较见下表：
室内外同频覆盖方案 室内外异频覆盖方案
优点 进出楼、电梯均为软切换，成功率高，频谱利用率高。 室内外干扰小，系统容量较高。
缺点 网络密集区高层小区与室外小区间同频干扰大，影响质量与容量。 需要增加频点；硬切换成功率比软切换低。
应用场景 建网初期；低楼层场景；同频干扰小的室内场景；话务量不高的室内场景；终端不支持异频硬切换。 楼层高，同频干扰大，话务量高，不缺乏频率资源的情况下。
策略建议 1.网络初期站间距较大，室内外同频干扰较小，话务量较小，建议采用同频策略。
2.室内外同频干扰应首先通过优化手段解决，其次采用异频，避免干扰。
3.异频主要用于解决容量需求，当网络建设成熟期，通过增加异频解决室内外干扰和容量问题。

随着经济的发展，国内的大楼越来越高越来越多，室内分布系统的建设是一个长期的过程。如何利用业务模型、业务分布预测进行室内覆盖规划；如何合理解决3G室内覆盖带来的3G系统的自干扰，如何经济有效的进行室内分布系统建设都还需要认真研究。

直放站、干放引入后，对基站本身的底噪抬升