TD-SCDMA网络居民小区深度覆盖策略研究

在TD-SCDMA网络的建设中,对住宅小区一般首先采用宏基站的方式进行大覆盖,对于室内信号依然不好的小区,就采用安装室内分布系统的方式加强室内覆盖。但是,由于受多径影响,小区周围基站提供给居民小区内的覆盖通常存在部分信号弱区或盲点区,室内分布天线的信号也很难满足建筑物外层窗边的覆盖需求。同时,在居民小区内安装天线协调难度很大。

目前,普遍采用室外分布系统的方式来加强居民小区的深度覆盖。本文从室内外天线功率设置、室内外天线选择、室内外小区邻区设置、室外天线安装方式等方面对室外分布系统进行深入研究。

1 室内外天线功率设置策略

1.1 室内分布天线

对于室内分布天线(全向吸顶天线、板状天线等),通常需要从两个方面来确定天线的发射功率需求:

第一,天线口发射功率要满足MCL(最小耦合损耗)的要求。由于在室内环境下,UE距离天线的距离可能会非常近,因此要考虑满足MCL的要求:

MCL=38.4dB+(30-天线口功率)≥56dB,则天线口导频功率P≤12.4dBm

第二,天线口发射功率要满足国标《电磁辐射防护规定》。国标GB8702-88规定,室内天线口发射总功率≤15dBm。考虑到TS0 2个PCCPCH信道、4个SCCPCH信道(包括2个PICH信道复用)和1个FPACH信道复用,因此,P-CCPCH在天线口发射功率要小于9.5dBm。

综上,对室内型天线来说,为了满足上述需求以及场强覆盖的需求,需要遵循“多天线、小功率”的天线布放设计原则。

1.2 室外布线系统天线

室外分布式天线(板状天线、射灯天线等)系统用于解决特殊场景下的室内覆盖需求;对不能安装室内分布式天线,而宏站无法实现对楼宇深度覆盖,可能导致楼宇内终端用户感受较差的情况,可以采用室外分布系统进行覆盖,即采用分布式天线系统安装于楼宇之间的空地或者楼宇外墙,来实现对楼宇内部的良好覆盖。

根据中国移动集团公司对TD-SCDMA系统室内分布无线覆盖边缘信号的要求,假设一般情况下,室外布线用的射灯或路灯天线等到对面覆盖建筑的距离为15米,f=2015MHz,墙体损耗(考虑穿透一道墙)Lw=20dB,多径衰落储备Ld=10dB,天线增益Z=8dBm。则

路径损耗L=32.4+20lgd+20lgf+Lw+Ld =32.4+29.60+20+10= 92dB,

射灯天线输出功率P=RSCP+L=-80+92=12dBm。

可见,为了达到理想的覆盖效果,室外射灯或路灯天线需要比较高的出口功率,在建筑物墙体结构比较复杂导致信号穿墙数多的情况下,需要同时考虑增大天线出口功率及增加天线点位数量。

1.3 墙体隔断对覆盖半径的影响

根据小区分布系统的覆盖特点及经验值,得出小区分布系统天线口功率、天线增益与覆盖半径的关系,如表1所示:

实际工程建设可以结合不同小区楼群的特点,提出合适的天线布点建设方案。

2 天线选择对覆盖效果的影响

天线是小区覆盖系统的重要组成部分,设计时应合理选择,以达到既满足覆盖又方便施工的目的。适用于分布系统的天线各项技术指标往往与宏基站天线有所不同,在选择分布系统尤其是室外分布系统的天线时,应考虑如下因素:

2.1 天线增益

小区覆盖多采用室外分布式天线系统,考虑到信号的穿墙损耗同时也为了控制覆盖范围,应选用方向性强的高增益定向天线。但由于天线增益的提高必将引起天线物理尺寸的增大,导致天线安装施工难度增高,目前各厂家提供的室外天线增益通常在6dBi～14dBi之间。选择时应综合考虑增益和尺寸的关系,通常建议天线增益在12dBi左右。

2.2 天线水平波束宽度

居民小区覆盖原则是在不干扰大网的情况下满足本小区内用户通信需求,因此需要根据不同的覆盖场景选择不同水平波束的天线。目前可应用于室外小区覆盖的天线主要有:

(1)全向天线:应用于小区内前后都有楼宇的中心地带,可以利用一副天线同时满足两侧建筑的覆盖需求;

(2)定向60°～90°天线:应用于小区边缘的楼宇覆盖,严格将覆盖范围控制在小区内部;

(3)对数周期天线:用于电梯覆盖。

2.3 天线垂直波束宽度

为了满足建筑物立体高度的覆盖需求,天线垂直波束宽度α的选择很重要。同时,关联的参数还有天线挂高、天线仰角θ、天线位置与覆盖目标建筑的距离D1。这些都决定了采用地面灯杆天线或者射灯天线能够覆盖的最高楼层,如图1所示:

由此,可以计算出天线垂直半功率角内所能覆盖的最大距离为:

D=D1*tg(θ+α/2)。

目前,各厂家能够提供的室外天线垂直半功率角最大为60°,内置最大仰角15°。由此看出,天线垂直半功率角内所能覆盖的最大距离即是室外天线到楼体的距离D。对楼间距为20米的小区来讲,最理想的情况是垂直半功率角覆盖楼层高度为20米,如果需要对两侧楼分别覆盖,则需要将天线安装在两个楼的中间,垂直半功率角最高覆盖高度为10米。考虑到旁瓣的覆盖效果,一副室外路灯天线在直射波范围内能够覆盖的最高楼层在7层左右。

3 小区分区方案与切换带设置策略

规划小区分区方案,要考虑满足:

首先,在满足容量的前提下,多个RRU级联应尽可能合并为一个逻辑小区。

其次,对初期容量要求不高且多个RRU合并为一个小区的情况,尽量规划好各个RRU的覆盖分界,以便将来扩容将各个RRU分裂为多个小区时,无需整改小区间的切换区域。

3.1 室内小区邻区设置

由于楼道、墙壁、电梯等诸多相对隔离空间的存在,室内分布系统信号分布状况相对复杂,必须慎重考虑切换带的设计。在室内覆盖时,要避免切换带位于人员活动密集的办公生活区域,而应设置在人员活动相对较少的角落地带。

(1)高层住宅小区划分及切换问题分析

比较大型的楼宇,一般会通过多个小区来进行覆盖,小区的设计划分尤显重要。对必须分小区才能满足容量需求的高层建筑,建议采用低楼层小区覆盖电梯井的方法:在低楼层及一楼电梯出口处,手机处在同一小区,不发生切换;对用户移动频繁的室外和一楼大厅之间,出入口切换区域一般向室外延伸一定的距离(如在室外距离门口5～7米的范围内),以减少室外小区的负荷;同时为了保证手机在进入室内前进行切换,一般会在出入口位置安置一个天线。如图2所示:

(2)电梯间切换带设置

电梯覆盖一直是室内覆盖较难处理的方面,由于电梯相对封闭的空间特性,在人员进出电梯时信号会出现较大的起伏,因此一定要避免切换带落入电梯内。

由图3可以看到:第一种情况没有发生切换,这是最理想的状态;第二种情况切换带位于大厅,由于大厅的信号强度处于缓变的过程,也不会产生问题;第三种情况,切换带位于电梯间内,当人员进入电梯,电梯门关闭时,室外小区的信号快速衰落,可能在还没有来得及切换的时候原服务信号就已经消失,从而产生切换失败、掉话等,因此要尽量避免这类情况。

3.2 室外小区邻区设置

(1)高层小区的室外邻区设置

由于高层小区处于较高位置,在窗口处可能接收到来自远处传过来的宏站信号,容易造成“孤岛效应”,因此宜采用高低层分层覆盖的方式:高层小区和室外宏站只设置单向切换(或通过参数控制使得高层室分小区较难切出至室外宏站),和低层小区设置双向切换;低层小区和室外宏站设置双向切换。这种分层覆盖方式的好处在于,即使室内局部存在较强的室外宏小区信号,也不会造成乒乓切换,只有从高层到低层才会触发切换。如图4所示:

(2)低层小区的室内外切换设置

低层小区由于需要与室外小区间进行互操作,因此切换带的设置也很关键。室内大堂出入口切换区域的大小由切换参数设置和边缘场强RSCP、C/I决定,为了避免室内信号泄漏过大,建议在室外离门口5～7米范围内导频RSCP

4 室外天线安装方式

针对不同类型的居民住宅小区,对室外天线布放有以下建议:

4.1 天线安装在墙角

当居民小区规模较大且楼群排列规则时,可以将天线安装在墙角。安装方式如图6所示:

天线安装在墙角的好处是:天线主瓣可以直接辐射到楼之间的空隙, 有效利用楼宇之间的空隙、墙壁的透射和反射达到理想覆盖效果。一般应该避免天线主瓣直接正对着附近楼房的墙壁,天线方向应尽量保持一致。对于这种楼群排列规则的生活小区,天线建议选择水平波束宽度90°以内、垂直波束宽度30°左右的定向小天线。

4.2 天线安装在路灯杆上

当居民小区规模较大、楼群排列规则且住宅楼墙面不方便安装时,建议将天线安装在小区内道路两边的路顶上。安装方式如图7所示:

天线安装在道路两旁的路灯上,方便施工,且如果天线挂高位置合理,则覆盖效果将更加明显。天线安装时应该注意避免天线主瓣直接正对着附近楼房的墙壁。天线方向应尽量保持一致。建议选择水平波束宽度90°以内、垂直波束宽度30°左右的定向小天线。

4.3 天线安装在墙壁上

当小区内楼群排列不规则时,天线可以安装在某一大楼的墙壁上,正对对面的建筑物墙壁,利用其反射信号提供覆盖。此时天线安装高度不宜过高,应尽量与目标覆盖楼层等高。安装方式如图所8所示:

利用墙面反射覆盖小区时应该考虑楼间距离、居民楼宽度,选择合适的天线。建议选择水平波束90°、垂直波束30°左右的高增益的定向小天线。

4.4 天线安装在地面上

当小区内楼群排列不规则,且小区墙壁上无法安装时,可以考虑将天线安装在小区内绿化带内。安装方式如图9所示:

天线安装在小区绿化带内时,因为安装位置相对较低,甚至可能安装在地面,因此选择天线时应选择有仰角的天线,以满足小区覆盖室外和低层室内覆盖需求。

4.5 天线架设自上而下覆盖与自下而上覆盖的效果分析

从某城市选取一个住宅楼,对不同的天线架设方式进行测试分析,分别从以下几个场景展开:

场景一、二:在射灯天线距离地面1.2m～1.5m时,向上照射26层住宅楼,天线距大楼分别为20m、50m处。分别进行测试,可以看出:在射灯天线自下而上覆盖2个单元的普通长度的板式高层住宅楼,距离楼宇垂直距离20米时,水平波束展开有限,对楼宇高层窗边的覆盖效果特别是穿透玻璃进入室内的覆盖效果稍微下降;场景二,在天线距离楼宇垂直距离20米之外到50米处时,调整射灯仰角可以达到比较理想的覆盖效果,能够压制窗边的室外杂乱信号,有效抑制窗边或客厅公共区域的乒乓效应。

根据中国人民共和国国家标准《电磁辐射防护规定》(国标GB8702-1988),人们可以长期居住的安全区电磁辐射的限值为:公众照射,在一天24小时内,环境电磁辐射的场量参数在任意连续6分钟内的平均值应满足功率密度

场景三、四:天线架设在26楼楼顶向对面照射,调整天线合适的俯仰角;天线架设在19楼窗边向对面,调整天线合适的俯仰角。分别持测试终端在各楼层窗户边1米或可到达的合适位置记录覆盖场强。可以看出:从一栋高层住宅楼的楼顶或较高楼层(20层左右)自上而下覆盖另一栋高层住宅楼时,电梯厅测试和楼顶、一楼窗边等区域效果正常,与同等条件下射灯自下而上照射效果类似。但天线挂高后对周边的泄漏非常严重,比如大门口的反射信号强度达到-35dBm,在被覆盖楼的两边80米处,泄漏信号强度达到-42dBm～-45dBm;在被测楼的侧背后200米处,泄漏信号达到-49dBm～-50dBm,可见楼顶挂高信号泄漏非常严重。在工程实施中,以采用天线架设在楼体中间为推荐方案,在工程实施或物业谈判困难的情况下,可以采用天线架设在楼顶的方式,但是需要注意控制天线的覆盖半径,避免信号泄露。

4.6 天线的美化

相对于室内布线系统,室外布线施工较为方便,居民的反感程度低。但是由于所有天馈系统都需安装在室外甚至是地下,对器件的防水、防盗要求高。并且由于天线安装在室外,为了不影响小区景观,还需要对天线进行美化伪装处理。

安装在居民小区内的天线要注意美观性,尺寸要小,外观要与周围建筑物协调,使其不惹人注目。另外天线重量要轻,使其易于在墙壁或路灯柱上安装。当天线本身颜色与周围建筑物反差较大时,可以通过给天线喷上相同颜色或加装美观外饰来改善。但需要注意的是,加装的伪装材料不应对信号的传播造成影响。

5 典型场景及覆盖策略总结

综上所述,根据物业特点,可以把居民小区分为别墅小区、多层住宅小区、高层住宅小区、环抱型小区等典型场景,相应的深度覆盖策略见表2。