TD-SCDMA系统室内覆盖规划

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　　北京邮电大学电信工程学院徐阳彭木根啜钢王文博

　　随着移动通信的迅速发展和普及，城市规模的不断扩大，摩天大楼和地下设施的大量涌现，室内吸收了大部分的话务量。NTTDoCoMo的3G商用网络的最新业务统计数据显示(图1)，在3G网络中室外的业务量(语音和数据)仅占整个网络业务的30.3%，而室内业务占整个网络业务的69.7%，这些场所主要是办公楼、车站和家庭等(图2)。

图1

图2

　　针对现在许多大城市高楼密集和建筑物内的移动用户较多的现状，单依靠室外宏蜂窝基站对其覆盖已经不能满足网络覆盖、容量和质量的要求。主要存在以下一些问题。

覆盖方面：3G工作在超短波频段，而且电波的绕射能力差，穿透损耗较大，导致网络的深层次覆盖存在着缺陷，产生信号的弱区或盲区，如在建筑物电梯间、地下停车场和地铁等。容量方面：一些建筑物如超市、会议中心等，由于用户密度过大，CDMA网络用户底部噪声大大抬高，GSM拥塞严重，导致容量有限。质量方面：由于频率干扰、导频污染和乒乓效应等导致小区的信号不稳定，话音质量难以保证，甚至发生掉话。

对运营商而言，大量使用室内覆盖系统，可以争夺室内的话务量，开拓新的话务量。据DoCoMo的统计，实施室内覆盖的建筑物内话务量增大了1.43倍。同时室内覆盖还可以用于分散过密地区的网络压力，解决高端用户密集城区覆盖问题，减少室外基站的数量和配置，降低室外网络的整体干扰水平，从而提高整个系统的容量，更好地满足用户对质量的要求，其性能的好坏将直接影响到运营商的客户体验及其收益，是其取得成功的关键因素之一。

　　与3G其他制式的系统一样，TD-SCDMA在布网的过程中也无法回避室内覆盖的问题。同样受限于IMT-2000频段无线电波的传播特性和建筑物的材质，仅仅室外的宏蜂窝基站无法保证充分覆盖，不可避免产生盲区。解决问题的最有效方法是引入室内分布系统。

　　一、室内分布系统的组成

　　室内分布系统即针对建筑物内的移动用户，解决其通信网络覆盖的一种方案。利用室内分布系统将基站信号均匀地覆盖到室内盲区，以保证室内区域都拥有理想的信号覆盖。图3是通过无线同频直放站引入信号源，再由耦合器、功分器、干线放大器、室内分布式天线等组成的室内分布系统的示意图。

图3 直放站的室内分布系统示意图

　　室内分布系统主要由信号源,信号的传输和分布系统以及干线放大器、功分器、耦合器、室内天线等部分组成。按照信号源的不同可以分为宏蜂窝、微蜂窝、直放站、射频拉远等。传输介质有光纤、同轴电缆和泄漏电缆等。同时设备又分为有源设备和无源设备；天线分为全向天线和定向天线等。

　　TD-SCDMA的室内分布系统结构与传统的分布系统类似，主要由三部分组成：信号源，传输和分布系统，元器件和天线。TD-SCDMA的室内分布系统可以与其他系统共享相同的单元。由于室内传播环境和工程上的考虑，智能天线并未引入到室内分布系统的覆盖中。

　　在TD-SCDMA的室内分布系统的设计和建设过程中，应该根据覆盖的目标、服务的类型、工程成本等方面的要求综合考虑，选取适当的信号源、元器件和传输介质等。

　　1.信号源

　　通常可以选作为室内覆盖的信号源有宏蜂窝基站，微蜂窝基站，直放站和射频拉远单元等。

　　◇宏蜂窝基站

　　直接采用室外的宏蜂窝基站作为信号源。在密集城区为了深度覆盖而采用该方式时，需要留出15dB～20dB的穿透损耗余量，这部分的余量直接导致小区的半径缩小，站点数量增加。但是即便如此，室内覆盖的效果仍然较差，存在大量的覆盖盲区，另外严重的导频污染使用户接收多个强干扰，3G业务在室内达不到预期的使用效果。最重要的是其网络容量有限，接通率低。基站的发射功率很大一部分消耗在穿透损耗上，影响了系统的容量。它适用于建筑物的电磁密闭性较差或建筑物较为稀疏而且话务量较低的场景。

　　◇微蜂窝基站

　　采用独立的微蜂窝基站作为信号源，可以独立承载话务量，并且可以分担宏蜂窝小区的话务量。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，信号稳定干净，抑制导频污染，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较大或者人流比较大、话务量比较高的室内覆盖，如大型购物广场、候机厅等，但是建设的成本比较高。

　　◇直放站

　　采用直放站作为信号源，分为空间直放站和光纤直放站两种。它只是通过直放站收发系统将室外的宏基站的信号引入到室内，共享基站的基带处理能力，并不增加系统的容量，适合在话务量不高的室内环境中。稳定、信号质量好的信号源，可以使用空间直放站作为信号源，但是易受到周围的无线环境影响及宏基站的稳定性限制。相比之下光纤直放站能够解决以上的问题，但要受到光纤条件限制。直放站的优点是投资省、安装方便快捷，可以很快地解决信号弱和盲区问题。缺点是通过定向天线难以取得单一纯净的信号，系统的话音质量相对于蜂窝系统较差，且易造成对其他基站的干扰。直放站作为一种实现无线覆盖的辅助技术手段可以利用较少的投资和较短的周期，迅速扩大无线覆盖范围和解决盲区覆盖。

　　对于TD-SCDMA系统，由于采用TDD模式上下行处于同一个频点的不同时隙，所以对其的发射端和接收端的隔离度、上下行发射的定时、与室外基站的同步方面有较高的要求。直放站在放大转发上行信号过程中会增加信号的传输时延，对于信号质量有可能产生负面影响。对于TD-SCDMA系统中直放站的使用有待进一步研究。

　　◇射频拉远单元(RRU)

　　该方式可以提供接近微蜂窝基站作为信号源的覆盖效果，即将基站中的射频部分取出通过光纤与基站中的数字基带部分相连，剩下的控制加基带部分被称为支持远端模块的"宿主基站"。远端模块共享宿主基站的基带资源。RRU避免了直放站信号的简单重复放大，且不像直放站仅改变原有扇区的覆盖拓扑，而是占用一定的基带资源提供容量服务，不会产生直放站的接收底噪抬升以至饱和自激的问题。优点在于建设的成本较低，无需严格的机房和建站条件，可以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。缺点是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。

　　对于TD-SCDMA系统，射频电缆在2GHz以上频段的损耗比较大，拉远距离短，一般在60m左右；且射频电缆数量多，也相应带动其他辅材数量的增加，给基站成本很大压力；而射频拉远技术在降低馈线损耗和电缆数量及安装难度控制等方面面临着极大的困难，导致了建设成本偏高的后果。TD-SCDMA网络中每个宏峰窝基站(一套天线)的覆盖半径只能有1～3km，在城市内高楼林立的地区覆盖半径还要小得多，为实现完好的覆盖，就必须架设大量的基站。

　　TD-SCDMA系统中，采用中频拉远方案就可以很好地解决上述问题，即将无线基站中的模拟射频收发部分与无线基站的基带数字信号处理部分在模拟中频处分开，形成远端射频前端设备与室内单元。中频拉远技术通过基站室内单元的模拟中频接口，将射频的收发信机拉远至天线附近。下行方向将中频信号传输到射频前端，经混频后转换为射频信号，再由天线发射；上行方向将从天线发射过来的射频信号在前端混频为中频信号，通过中频传输系统传回到基站室内单元。远端射频前端设备与室内单元间可以用有线和无线传输手段相连接。其介质可以是中频电缆、光纤等。与传统的射频拉远技术相比，中频拉远技术具有以下显著的优点：电缆数量少、传输距离远、组网灵活、成本大幅降低等。

　　针对以上关于室内覆盖的信号源的介绍，我们对一些特定方案下的典型场景提出了解决方案，如表1所示。

　　2.传输介质和分布系统

　　传输介质和分布系统作为室内覆盖系统的重要组成部分，主要有同轴电缆，光纤和泄漏电缆三种。

　　◇同轴电缆

　　同轴电缆是最为常用的材料，其优点是性能稳定、造价便宜、设计方案灵活、易于维护和进行线路调整、工作频段合适、可以兼容多种制式的系统，但覆盖范围受同轴电缆的传输损耗的限制，传输保密性差。大型同轴电缆室内分布系统通常需要多个干线放大器作为信号的放大接力。

　　◇光纤

　　光纤的路损较小，不加干线放大器也可以将信号送到多个区域，保证足够的信号强度，性能稳定可靠，传输容量较大，易于设计和安装，可兼容多种移动通信系统。但是在建设的过程中需要增加专门的电转光，光转电设备，且依赖于远端供电。在TD-SCDMA室内分布系统中还有一个问题是光电互换时存在时延，需要在使用中引起注意。
　　◇泄漏电缆

　　由导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波；外界的电磁场也可以通过槽孔感应到泄漏电缆内部并送到接收端。泄漏电缆提供的是功率低、辐射均匀的"雾状"覆盖。优点是信号强度均匀，缺点是较高的电缆传输损耗，需要较强的信号输入；安装技术要求较高，每隔1m就要求装一个挂钩，悬挂起来时电缆不能贴着墙面，而且至少要与墙面保持2cm的距离，不但影响美观，而且价格是普通电缆的2倍。它多用于一些特殊场景下，因为普通天线无法实现较好的覆盖，如竖井，隧道，地铁等。

　　3.元器件和天线

　　除了信号源，传输介质和分布系统之外，室内分布系统还需要功分器，耦合器，干线放大器和天线等器件。

　　◇功分器和耦合器

　　主要有无源和有源(功分器和耦合器)两种器件，工作频段合适可以兼容多种制式的系统。采用无源器件的系统设备性能稳定，安全性高，维护简单，信号经过功分器，耦合器和线路损耗后，到达天线处的强度不同，覆盖的效果也不同。而有源系统的信号到达末端时被放大器放大，达到理想的强度，保证覆盖效果。例如一些大型商场，就需要有源系统保证其覆盖。因而，有源系统建设和维护复杂，有源设备易损坏，系统的安全性和稳定性不如前者。

　　◇干线放大器

　　信号的传输会有一定的损耗，为了保证覆盖的效果，需要在传输过程中进行放大，这时就需要干线放大器。在TD-SCDMA系统中，上下行工作于同一频段，应该避免上下行链路的自激干扰问题；另外，对于多种制式共用室内分布系统，不同频段的信号在此前的路损可能不同，应均衡各频段信号的放大率，以达到最佳的覆盖效果。

　　◇天线

　　室内覆盖的天线主要有全向天线和定向天线两种，根据具体场景的需求合理选择。通常以吸顶天线为主，它主要有3dBi天线和5dBi天线，在水平方向全向发射。两种天线在垂直方向信号能量集中角度上有区别，3dBi天线适合开阔空间的覆盖，如会议厅；5dBi天线的垂直发射角度对于前者要小，能量更加集中，适合于楼层间的覆盖。为了防止室内信号泄漏对室外信号产生干扰等情况，采用定向天线向室内需求方向覆盖。与2G等其他系统共用室内分布系统时，需要考虑不同制式的链路损耗的区别来调整天线的位置和数量，以满足覆盖需求。

　　综上所述，信号源，信号的传输介质和分布系统以及功分器，耦合器，干线放大器，天线等器件共同组成了室内分布系统。根据具体的情况选取适合的器件，其中一些器件可以不用，如干线放大器等。

　　二、室内分布系统的规划

　　1.室内分布系统的一般规划原则

　　室内覆盖的目的是在充分覆盖室内目标的同时，尽量减少对室外的影响。在这样的前提下，应该综合考虑以下几个方面。

　　◇室外信号渗入室内会污染室内的信号。预提高室内覆盖的目标而增加其功率，克服室外信号，反而会加重对室外的污染。建议室内覆盖的目标定为室内导频在90%以上的面积达到Ec/Io>-13dB。

　　◇新的射频干扰会改变原来的切换边界，产生新的切换区，进而引入不必要的切换，影响室内、室外系统性能。建议室内导频的强度在建筑物10m外不要超过-105dBm。为了防止建筑物之间的干扰，导频在建筑物的外墙内沿要小于-75dBm。特殊情况下需更严要求。

　　◇在基站将方向噪声限制于-120dBm，这是针对从其他共同接口来的干扰。

　　2.TD-SCDMA与其他系统共用室内分布系统

　　TD-SCDMA与2G等其他系统在使用频率、编码技术等方面不同。在建网的初期，为了节省成本和迅速占领市场，势必要与其他系统共用室内分布系统。需要对覆盖，容量，质量进行统一规划，与其他的系统协调统一，其中重点要考虑与其他系统的互相干扰问题。

　　(1)系统如何合路

　　目前的室内覆盖系统，无源分布工作频段涵盖了800MHz～2500MHz，无需再改动。增加3G在信号源部分使用双频或多频合路器对信号合路后(上行是合路，对下行是分路)送到分布系统即可完成。

　　对于大的楼宇，信号在传输和分配过程中，信号低到一定程度需干线放大器对其放大，这时需双频或多频合路器把信号分开(下行是分路，对于上行是合路)，通过各自的放大器放大后，再通过双频或多频合路器合路。

　　(2)功率匹配问题

　　多系统共用一个分布系统的最大问题是功率匹配，包括信号源输出功率匹配；不同频段的信号在分布系统中传输损耗不同产生的影响；边缘覆盖场强的不同要求；不同频段的无线电波空中损耗不同而产生的影响等，需设计人员根据运营商的不同要求和各楼的实际情况综合考虑。

　　◇频率和时隙规划

　　在频点选择上根据建筑物位置的室外信号分布环境选择合适的频点，在频谱资源丰富的情况下，可以考虑使用与室外的宏蜂窝信号不同的频点；使用N频点的系统的主载频应该尽量避开信号最强的2个相邻宏蜂窝主载频。TD-SCDMA室内分布系统在设计时，对于建筑物非完全封闭的情况应采用与室外的宏蜂窝一致的时隙格式，以避免业务时隙的上下行干扰。

　　◇覆盖和容量的统筹考虑

　　一方面，根据共用室内分布系统的各自情况，尽量满足覆盖和容量的要求。例如，考虑到3G在室内的链路损耗一般比GSM900大8dB～12dB，所以一般需要增加一定数量的天线点，以满足3G覆盖和容量的要求。另一方面，由于CDMA网络是自干扰系统，室内分布系统的信号泄漏容易造成对室外信号的干扰，导致室外用户选用室内信号，使软切换增多，从而影响室外的掉话率，同时过多的软切换也会浪费系统的容量。因此，要采用多天线、小功率的方法，减少室内天线的输出电平，以控制信号泄漏电平；在靠近窗户、门口等边缘区域，应采用方向性较好的定向天线，以减少信号的泄漏。

　　◇多系统共用分布系统的干扰问题

　　与2G、小灵通、3G其他系统和WLAN共用一个分布系统，必然会产生相互之间的干扰。各个系统在发射有用信号的同时，在工作频带外还会产生杂散、谐波、互调等无用信号，这些信号就会对其它系统形成干扰。而产生的带外杂散、谐波、互调等无用信号的大小，除和设备本身的质量有关以外，主要与两个因素有关，即自身输出功率(自身输出功率越大，无用信号的输出越大)和偏离工作带宽的程度(离工作带宽越远，无用信号越小)。系统对外来干扰的承受能力也和两个因素有关，即本身信号强度(信号越强受干扰的机会越小)和干扰信号的大小(干扰信号电平越小，信号受干扰程度越低)。

　　可以通过增加系统间的隔离度、降低干扰源的发射功率等方式减少干扰。在发送端或接收端配置滤波器也能有效减少系统间的干扰。另外选用射频性能优良的发射机、接收机以及实施后期网络优化等也是降低干扰的有效手段。

　　室内覆盖系统融合了网络规划，性能目标，工程实施和具体承载系统的特性等诸多方面，应该统筹兼顾，联合优化。

　　三、结束语

　　TD-SCDMA系统作为我国自主研发的通信系统，其室内分布系统至关重要。一方面应该借鉴现有成功的案例和经验，另一方面需要科研单位刻苦攻关，深入研究，从多方面、多角度、深层次地解决室内覆盖，提高室内分布系统的性能。随着TD-SCDMA技术和网络的不断发展，相信TD-SCDMA产业能够在未来中国3G市场上获得蓬勃发展，增强国人自主开发高科技产业的信心。

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