基于无线传播模型的室内分布系统信号外泄研究

【摘要】文章提出了一种基于Motley-Keenan模型的室内分布系统信号外泄传播模型，通过建模仿真，分析了室内分布系统天线安装位置、信源频段、建筑高度和损耗因子对室内分布系统信号外泄的影响，为优化室内分布系统设计提供了理论参考。

【关键词】室内分布系统 信号外泄 Motley-Keenan模型 传播损耗

1 引言

随着3G网络的持续演进和普及，移动通信运营商越来越关心日益增长的数据需求。到2015年，在室内产生的话务量和数据流量分别将占总话务量和总数据流量的74%和94％[1]。室内分布系统作为目前最主要的室内覆盖解决方案正被广泛使用。无论是GSM、UMTS、HSPA或其它技术，隔离度[2]始终是室内分布系统最为重要的设计原则，用以通过减少干扰来提高网络质量和容量。而室内分布系统信号外泄是衡量室内外信号隔离度的重要指标，本文提出基于Motley-Keenan模型[3]提出室内分布系统信号外泄传播模型，并通过建模仿真，为优化室内分布系统设计及整改已存在外泄问题的室内分布系统提供理论参考。

2 室分系统外泄传播模型

2.1 Motley-Keenan 模型

目前用于预测室内覆盖的传播模型可分为两类：非特定站点模型和特定站点模型。非特定站点是广义的传播模型，这类模型不考虑给定室内天线周围的障碍物，典型的有逆指数模型[4]与距离相关指数模型[5]。相反，特定站点模型在预测传播损耗时会考虑特定建筑的细节，通常是计算信号穿透的墙或者地板数量，在此基础上计算路径损耗，典型的模型有Motley-Keenan模型和基于射线追踪技术的传播模型。

为了准确计算传播损耗，必须采用适合室内环境的传播模型。对于室分系统信号外泄问题，因为通常能够确定室内天线安装位置，所以采用考虑建筑细节的传播模型能更好地模拟信号传播情况。此外，就模型仿真准确性而言，基于射线追踪技术的传播模型相对更为简单的Motley-Keenan模型，并未体现出太大优势[6]。

Motley-Keenan模型是在自由空间传播模型上加上传播路径上墙和地板的穿透损耗。计算公式如下：

PLMK=Po+20lg(d)+p×WAF+k×FAF （1）

其中，PLMK为传播损耗，Po=20lg(4πf/c)，为传播距离1米处的功率值，d是传播距离，WAF为每堵墙的穿透损耗，p是传播路径上墙的数量，FAF为单层地板的穿透损耗，k是传播路径上地板的数量。

2.2 α外泄模型

目前，室内传播模型不能预测室内分布系统信号外泄情况，本节基于Motley-Keenan模型，提出用于预测室内分布系统信号外泄的α传播模型，来分析研究室内分布系统信号外泄特性及解决方法。

通过结合室内分布系统信号外泄的典型环境，建立传播模型，其外泄传播路径如图1所示。图中Lant为室内吸顶天线离外墙安装距离，θ为天线垂直半功率角，S为建筑层高，n为楼层数，H为第n层楼的天线距离地面的高度，LOB表示B点到建筑的距离，LOA表示A点到建筑的距离，di 表示传播距离，dmax表示最大传播距离。按照图1，室内分布系统外泄信号的传播损耗为：

PLleak=PLMK+α （2）

式中，PLMK为Motley-Keenan模型的传播损耗，α为损耗因子，包括其它的损耗总和，通过计算可得到：

（3）

若室内分布天线处辐射功率为Pt (dBm)，则在图中B点的接收电平Pr为：

Pr=Pt-PLleak （4）

通常在LOB>10米时，若Pr >-85dBm，则认为室内分布系统信号存在外泄。

2.3 α外泄模型仿真结果

从上节的推导可以看出，对于给定的建筑，WAF、FAF和层高S已经确定，对于室内分布系统信号，室外的接收电平Pr主要受到天线据外墙距离Lant、信源频段和损耗因子α的影响。下面我们将分别分析这三个参数对室内分布系统信号外泄的影响。假设某建筑楼层是30层，层高S为3米，室内分布系统天线采用吸顶式全向天线，其垂直半功率角θ为80度，天线处的辐射功率Pt为4dBm，天线据外墙距离Lant为2米，室内分布系统信源频段为900MHz。外墙为22cm厚砖墙，穿透损耗WAF为12dB，天花板为钢筋混凝土墙，穿透损耗FAF为18dB[7]。损耗因子α假设为0dB。

首先分析室内天线安装位置Lant对信号外泄的影响，在保证其它条件不变的情况下，将Lant分别设为2米和6米，信号外泄范围如图2。从图2中发现，随着Lant从2米增加至6米，信号外泄楼层数从16层减少为至8层，外泄最远距离由56米缩小到52米，但信号外泄的最远楼层没有发生变化，仍是第4层。

接下来分析信源频段对外泄的影响。当Lant为2米，将信源频段从900MHz调整为2100MHz，仿真结果如图3所示。从图3可以看出，当信源频段调整为2100MHz后，信号外泄楼层从16层减少为8层，外泄最远距离从56米减小至22米，最远外泄楼层由第4层下降到第2层。

将Lant及信源频段结合分析，得到外泄范围如图4和图5所示。图4中横坐标表示天线安装位置，纵坐标表示楼层，从图中可以看出，随着Lant的逐渐增大，外泄楼层逐渐降低。图5中横坐标表示天线安装位置，纵坐标表示外泄最远距离，从图中可以看出，随着Lant的逐渐增大，外泄最远距离逐渐减小，但相对于Lant对于信号外泄的影响，信源频段的变化影响更大。