第三代移动通信光纤分布覆盖系统

摘要　本文针对当前3G尤其是TD-SCDMA移动通信网络建设的需求背景，分析了3G－SCDMA网络与GSM网络分布系统的差异，指出了当前应用中的室内分布覆盖技术在3G网络建设中存在的主要问题，分别从性能和应用方面简要介绍了特别适用于3G网络分布覆盖建设的无线光纤分布覆盖系统WFDS，同时，给出了WFDS在移动通信网络建设中的几个典型试点应用案例简介，无线光纤分布覆盖系统特别适用于大型场馆、分散楼宇、小区、电梯等的分布覆盖，其在性能方面和工程实施中的的优势以及分布覆盖应用适应能力，并将在我国的移动通信网络覆盖建设中发挥重要作用。

1  引言

对于3G移动通信网络来说，主要业务将是宽带业务，宽带业务对网络质量提出了更高的要求；为了更好地适应3G-TD网络用户的业务及使用特征和分布特征，在无线接入中取得较好的投资回报，必须针对用户的业务分布特征分别对待室内无线接入网和室外无线接入网的建设规划问题。对于3G-TD网络的建设，其无线接入网络性能应具有以下特点：具有最广的覆盖分布区域、最大的无线信号覆盖面积、各覆盖区域均具有全部网络的容量共享能力、最低的升级成本来解决网络覆盖。

当前应用中的室内无线信号覆盖系统存在诸多问题，例如：传输馈缆粗大、施工困难、物业协调难；传输距离受限；采用有源功率放大抵消传输损耗的同时引入噪声较大，影响通信质量；难以解决和保障大面积场景的分布覆盖通信质量；同时，分布覆盖信源基站设置分散，机房众多，维护工作量巨大；分布系统对于不同系统的传输损耗差异性大，难以兼容多系统；另外，分布覆盖系统的网管能力弱等问题。

2  3G-TD网络与GSM网络分布系统的差异分析

3G-TD网络采用CDMA主导制式，容量和覆盖具有相关性；GSM主要采用频分加时分的方式，容量和覆盖相关性不大。

3G-TD网络不同业务的速率差异较大，不同业务覆盖半径不一致，GSM不同业务的覆盖半径一致性好。

有源放大设备必然引入上行噪声，3G-TD网络中上行噪声不仅会影响系统的覆盖和通信质量，而且还会影响系统的容量；GSM网络中上行噪声不会影响系统的容量，仅仅影响系统的覆盖和通信质量。

GSM网络的手机终端入网及发起呼叫时采用最大功率发射；对于以码分为主要特征3G-TD网络来说，手机终端入网及发起呼叫时以终端接收到的下行信号损耗量为基础采用最小功率发射（以防止新用户终端的入网或呼叫影响正常通信中的用户），功率不够时再逐步增加手机终端发射功率；

在上行链路中增加衰减可以降低分布系统对基站底噪的抬升影响，将导致上行覆盖小于下行覆盖，会造成上行覆盖质量差或室内信号泄漏到室外的场强高而干扰室外信号。对于GSM网络来说，影响较小；但对于以码分为主要特征3G－TD网络来说，可能造成用户终端的入网接续时间延长甚至失败，影响网络的接入用户容量；

TD-SCDMA系统的信源输出功率小，GSM网络中多采用大功率信源；TD网络的工作频率与GSM网络的工作频率差异较大；在对GSM网络进行3G-TD改造时，很难做到信源匹配。

北京东方信联公司经过2、3年的研发，针对第三代移动通信网络的发展需求，提出了WFDS（Wireless Fiber Distributing System）无线光纤分布系统解决方案，它可以使用微基站加WFDS无线光纤分布系统，提供完善的室内解决方案。同时，该方案充分考虑了3G-TD网络室内无线接入网的需求特点，强调在保证无线网络性能的前提下，能够以最小的成本投入最大限度地获得高性能的室内无线接入网的设计目标。

3  无线光纤分布系统WFDS技术简介

WFDS光纤无线分布系统在设计理论上严格遵循了电信网理论所规范的技术概念，并充分结合了3G网络系统的技术特性，摒弃了不符合3G网络系统要求的一些传统产品方法，将室内无线接入网作为一个整体系统来看待，在其系统实现上将其分解为在功能上相互作用、工作上相互独立的3个组成部分：即承接无线通信容量的信源接入单元、用于无线载频信号的分布传输网络和用于完成覆盖的无线信号提供单元。

WFDS系统选用能够最大限度地满足无线网无线容量要求的微基站作为无线覆盖信号的信源，同时采用光纤为无线信号分布传输的信道传输媒质，将3G网络射频带内基站所提供的所有射频载波信号调制为中频进行传输，将中频信号送达目标。整个系统由主单元、扩展单元和远端接入单元来实现。光纤可传送6km远，末端通过5/6类线分布传输可达100m（可以使用延长器延长至170m，如果采用性能较好地细同轴电缆可以传输将近300m）。

3.1  无线光纤分布系统（WFDS）的技术思路

（1）采用移动通信网络的空间无线射频标准接口，采用一定动态范围的信号功率（0~10dBm）作为信源输入，降低了无线网容量与分布覆盖的相关性，可以单独调整容量或覆盖，覆盖范围的任何何区域能够自适应信源基站的容量，能够减小网络建设投资成本；

（2）采用光纤宽带传输技术，提供足够带宽的无线信号传输，同时，对于不同频段的传输损耗一致性好，能够兼容不同频段，具有极低的分布传输链路损耗，能够支持远距离分布覆盖；

（3）采用中频低功率信号传输技术，降低大功率射频传输的应用，降低电磁辐射对环境的电磁干扰，大大减少传输链路中的信号自干扰和互干扰，有效降低信号传输链路的信噪比恶化；

（4）仅仅在靠近天线附近，采用并行多路的低功率远端射频接入单元来替代大功率的同频功放设备，减少电磁辐射及干扰，大大减少整个分布覆盖系统的电源消耗；

（5）采用贴近天线的前置低噪放大技术，最大限度地改善接收信号的质量，大大减少上行信号噪声，改善分布覆盖系统对网络质量的影响。

（6）具有完善的智能监控系统，使系统开通调测以及投入运行后的设备维护工作简单，减少系统维护成本。

无线光纤分布系统（WFDS）的系统工作原理框图如图1所示。

图1  WFDS系统工作原理框图

●无线光纤分布系统（WFDS）的标准型产品系统组成示意图参见图2。

图2  WFDS的标准型产品系统组成示意图

标准型产品特点：一个标准型主单元最多可连接4个扩展单元；1个扩展单元最多可连接8个远端接入单元。标准型WFDS应用方案最简配置为：1：1：1，即1个主单元：1个扩展单元：1个远端接入单元；标准型WFDS应用方案最大配置为：1：4：32，即1个主单元：4个扩展单元：32个远端接入单元。

●无线光纤分布系统（WFDS）的简约型产品系统组成示意图参见图3。

图3  WFDS的简约型产品系统组成示意图

简约型产品特点：简约型WFDS应用方案在应用中，一个标准型主单元最多可连接8个远端接入单元。简约型WFDS应用方案最简配置为：1：1，即1个主单元：1个远端接入单元；简约型WFDS应用方案最简配置为：1：8，即1个主单元：8个远端接入单元。

3.2  WFDS系统应用特点

采用WFDS的分布覆盖解决方案主要包括微基站作为网络分布覆盖信号，通过WFDS即可实行目标覆盖区域的分布覆盖。采用微基站＋WFDS的分布覆盖解决方案如图4所示。

图4  采用微基站＋WFDS的分布覆盖解决方案

微基站＋WFDS分布覆盖方式的主要特点：

●基站信源集中放置，可以提供据中心基站6km范围内的建筑群室内分布覆盖，覆盖区域拥有与中心基站相同的用户容量；

●适合多种场合的应用，从单一功能的大型商、住楼宇到集中型建筑楼群，从隧道覆盖到大型场馆设施；

●采用光纤传输中频信号技术，在相同覆盖区域完成多个无线系统覆盖时容易做到无线链路的增益和衰耗相同、对所有无线系统所输出的覆盖信号均可保持一致，使多系统覆盖的实现极其容易，这是任何其他方案都难以做到的；

●每一个RAU覆盖区域到达基站的路径损耗一致性非常好，不存在远近效应；

●WFDS的覆盖面积大，但整个系统对于基站的底噪抬升小；

●方案使用的设备体积小、重量轻、安装简单，对空间、供电等环境条件要求低开销小，甚至可以不需要专门的机房，使业主协调也变得容易；采用光缆、中频同轴馈线或五类线传输无线小信号，减小了项目作业的工程施工量，缩短了施工周期；

●从主单元直到天线输出端口的智能监控系统，使得系统开通调测以及投入运行后的设备维护工作极为简单，大大减少了系统维护成本。

4  无线光纤分布系统WFDS的底噪抬高性能分析

无线光纤分布系统WFDS是解决移动通信网络分布覆盖问题的应用解决方案，分布系统对于上行链路中引入的噪声，是无线信号传输中上行链路的关键性能，上行链路中引入的噪声将直接对基站底噪形成抬高，影响基站的覆盖甚至容量，对于高速宽带数据业务的影响尤为突出。

对于2G网络，由于主要业务为话音和低速率数据业务，这些业务对于底噪的抬升敏感性不大。而对于3G-TD网络，为了有效保障其高速率的宽带业务应用，要求基站底噪的抬升越小越好。

以TD-SCDMA通信体制为例对于WFDS应用方案对于基站底噪抬升进行分析。根据当前TD-SCDMA网络设备情况，假定条件如下：TD-SCDMA基站接收机噪声系数为：NF=5dB，TD-SCDMA基站输出功率分别为：2W（33dBm）和1W（30dBm）。计算结果参见表1。

（1）计算结果表明：

●干放及直放站对于基站底噪的抬升较大。对于室内有源同轴分布系统，为了减小对基站底噪的影响，常常采用小功率的有源设备，而有源设备功率的减小，则意味着覆盖面积的减小；如果要想与WFDS系统覆盖相同的面积，则需要更多的有源设备，从而导致系统的性能更差。

●由于无线光纤分布系统WFDS采用的先进设计和先进技术应用，WFDS应用方案的系统增益可以按1dB步进进行调节，降低系统增益时，不改变主单元至远端接入单元间的光纤和五/六类线或CATV电缆的传输距离，仅仅改变远端接入单元的输出功率，因此，在WFDS的方案应用中，可以通过适当调节系统增益，就能达到降低对基站底噪抬升的目的。

●表中可以看出，对于1－4－32最大配置的WFDS系统对基站底噪的抬升量仅为2.54dB，此时，能够覆盖的面积超过3万平方米。同样条件下，仅仅采用1个2W的干放时，对基站底噪的抬升量为2.54dB，此时，只能覆盖非常小的面积；而此时仅仅采用1个2W的直放站时，对基站底噪的抬升量为3dB，此时，覆盖的面积比采用1个2W干放时还要小很多。

根据上述分析，如果按照TD-SCDMA基站底噪的抬高不能超过3dB的标准，传统同轴电缆分布覆盖解决方案基本不可用，而WFDS系统能够适应的覆盖场合非常广泛。

对于室内有源同轴分布系统，为了减小对基站底噪的影响，常常采用小功率的有源设备，而有源设备功率的减小，则意味着覆盖面积的减小；如果要想与WFDS系统覆盖相同的面积，则需要更多的有源设备，从而导致系统的性能更差。

另外，降低对基站底噪的影响方法有两个。一个是降低直放站或干放的噪声系统，但噪声系统的1dB降低难度就非常大，因此，此方法对基站底噪的降低非常有限；另一个方法是破坏上行链路平衡（加大上行链路的损耗），此方法将导致手机入网及呼叫初期发射功率小，加大手机终端的入网及呼叫接续时间，影响系统的容量及通信服务质量。

（2）计算中其余设备的参数

●目前WFDS应用方案的产品在1－1－8配置应用下的实际参数：NF=16dB，与系统的上下行增益设置无关；系统的上下行增益设置为15dB，此时，每个远端接入单元（RAU）都有一致的输出功率（15dBm）（为方便系统设计和网络覆盖应用而设计）。

●目前WFDS应用方案的产品在1－4－32配置应用下的实际参数：NF=22dB，与系统的上下行增益设置无关；系统的上下行增益设置为15dB，此时，每个远端接入单元（RAU）都有一致的输出功率（15dBm）（为方便系统设计和网络覆盖应用而设计）。

●一个2W干放的实际参数：噪声系统是NF=4，上下行增益G=33dB。干放前和干放输出后经过无源器件和馈线进行分布。

●一个2W光纤直放站的实际参数：噪声系数NF=5dB，上下行增益G＝33dB，直放站与基站之间的衰耗为33dB，直放站输出后经过无源器件和馈线进行分布。

●一个5W光纤直放站的实际参数：噪声系数NF=5dB，上下行增益G＝37dB，直放站与基站之间的衰耗为33dB，直放站输出后经过无源器件和馈线进行分布。

5  无线光纤分布系统（WFDS）的应用解决方案

WFDS分布覆盖应用方案与传统的同轴电缆室内分布覆盖系统相比，具有无可比拟的优势。下面简要给出了利用WFDS应用方案的优势特点对几个特色场合的信号覆盖应用解决方案。

（1）大型场馆覆盖解决方案

●需求特点：大型场馆需要覆盖的面积大，同时具有极大的峰值容量需求，忙时、闲时容量需求差别巨大，要求不同系统共享覆盖区域，后期维护工作要求严格。

●解决思路：采用WFDS应用方案，在场馆附件选择一个机房，集中放置信源基站；主单元集中放置在信源基站机房中；利用光纤传输将扩展单元放置在场馆的不同区域，使多个区域的信号源设备集中放置在同一个机房，节约机房数量，便于维护；在不同区域的扩展单元通过五类线或细同轴电缆远端接入单元，远端接入单元就近采用CATV细同轴电缆连接分布覆盖天线；整个覆盖区域可以通过跳线在机房内改变主单元的信号源输入，能够方便地实现覆盖区内的容量调整；利用WFDS完善的监控功能，能够有效地实现系统的开通于调测，同时，能够提高后期网络管理和维护效率，降低维护成本。

●工程优势特点：系统设计简单，安装快速、便捷，布线容易、美观；通过完善的网管监控，使系统开通、调测方便、快速、准确。

（2）小区覆盖解决方案

●需求特点：楼宇分散，小区环境的网络信号复杂、信号幅度起伏大，工程施工协调难度大，环境要求美化高等特点。

●解决思路：采用WFDS的应用方案，将信源基站集中设置在小区比较中心的建筑内；主单元集中放置在信源基站机房中，利用光纤传输将扩展单元放置在小区的不同楼宇，使多个楼宇的信号源设备集中放置在同一个机房，节约机房数量，便于维护管理；在不同楼宇的扩展单元通过五类线传输或细同轴电缆远端接入单元，远端接入单元就近采用CATV细同轴电缆连接分布覆盖天线。利用完善的网管监控能力、采用动态容量调配的设计思路可以灵活有效的利用网络资源，方便地调整和控制小区边缘天线信号强度，改善电磁干扰；无线光纤分布系统WFDS设备小巧、线缆细软、布放方便，易于环境美化。

●工程优势特点：系统设计简单，安装快速、便捷，布线容易、美观；系统开通、调测方便。

（3）网络升级改造解决方案

●需求特点：要求对原有网络分布覆盖影响小，需要解决不同网络信号分布覆盖传输损耗差异性问题以及不同网络信源基站的输出的功率匹配问题。

●解决思路：对于网络从2G到3G-TD系统的升级，由于3G-TD信号工作频段更高，在同轴电缆馈线中的传输损耗要远大于2G信号，因此采用同轴室内分布系统共享时，需要解决不同网络信号功率的匹配问题；一方面需要解决不同网络的信源功率匹配问题，另一方面需要解决不同网络信号在同轴电缆分布覆盖系统中的传输损耗差异问题；对于现有分布覆盖系统，可能需要将原来2W功率的干线放大器用5W代替，才能保持覆盖半径不变；而采用WFDS应用解决方案，可以不改变原有网络覆盖，仅仅新建一个信源传输主干路由，对信源要求低（功率源输入），非常容易实现信源的功率匹配；WFDS系统具有并行多路小功率输出，也非常容易在不同搂层找到与原有网络分布覆盖系统中的功率匹配点，在该功率匹配点简单的采用合路就能实现网络的改造。

●工程优势特点：系统设计简单，安装快速、便捷，布线容易、美观；系统开通、调测方便。

（4）医院覆盖解决方案

●需求特点：楼宇分散，医院对电磁辐射干扰要求高，需要特别考虑解决电磁辐射对手术室、大型医疗设备等设施的干扰问题。

●解决思路：采用WFDS的应用方案，将信源基站集中设置在医院内比较中心的楼宇中；主单元集中放置在信源基站机房中，利用光纤传输将扩展单元放置在小区的不同楼宇，使多个楼宇的信号源设备集中放置在同一个机房，节约机房数量，便于维护管理；在不同楼宇的扩展单元通过五类线传输或细同轴电缆远端接入单元，远端接入单元就近采用CATV细同轴电缆连接分布覆盖天线。利用WFDS应用方案具有的小功率的信号源、中频小功率输出特点，对楼层室内天线的布放采用低功率、多天线原则，降低天线口的发射功率，使用户终端发射功率小，电磁辐射小；对于电磁环境要求严格的特殊区域，如手术室、有重要设备的医疗室等，利用无线光纤分布系统WFDS完善的监控系统，采用独立的扩展单元或远端接入单元进行覆盖，特殊的情况下可以通过监控系统调整其信号强度，或者可以随时关闭/开启这些区域的信号覆盖。

●工程优势特点：系统设计简单，安装快速、便捷，布线容易、美观，系统开通调测方便。

（5）电梯覆盖解决方案

●需求特点：电梯内的覆盖信号容易随电梯的移动而变化，电磁辐射要求高。

●解决思路：利用无线光纤分布系统WFDS的设备小巧、线缆细软，容易安装与布放的特点，将室内覆盖天线及远端接入单元放置在电梯轿箱顶部、柔软的线缆与电梯随梯电缆捆绑在一起，天线随电梯移动，保障轿箱内信号均匀，使信号强度不随电梯轿箱的升降而变化；同时利用无线光纤分布系统WFDS完善的监控，调节远端接入单元的输出功率，严格控制覆盖信号的强度，满足电磁环境的需求。

●方案优势：性能优越，施工简单快捷，系统开通调测方便。

无线光纤分布系统WFDS的特点和性能使解决方案特别适合于大型场馆、大型社区、酒店、商务搂及楼群的无线网络信号分布覆盖应用。