ＴＤ－ＳＣＤＭＡ与ＧＳＭ共站址规划和设计

2009-06-23王哲罗伟民陈其铭

移动通信 2009年9期

王　哲　罗伟民　陈其铭

【摘要】文章主要针对TD-SCDMA网络大规模部署中所遇到的站址资源获取困难问题，结合蜂窝网络站址设计方法及TD-SCDMA网络的相应特点进行简要分析，以期能对TD网络部署中的站址规划问题起到借鉴意义。

【关键词】TD-SCDMA 3G干扰共存站址演进

1 概述

目前，中国移动正在全国范围内如火如荼地建设TD-SCDMA网络，但由于群众环保和健康意识增强、TD智能天线阵列宽度大、迎风面积大等因素，给TD-SCDMA站址选择（尤其是新增站址）带来了极大难度。与此同时，中国移动GSM网络已经达到了很高的覆盖水平，如何充分地利用已有的2G站址资源进行2G/3G共站址建设，并充分考虑TD-SCDMA向TD-LTE演进融合在站址规划、天馈资源共用等方面的需求，这已经成为TD快速部署及将来向TD-LTE平滑演进工作的重中之重。

在LTE方面，考虑到如果将来的频段进一步扩展、使LTE在更高的频段使用的话，在这种情况下如果利用现有的站点和覆盖，必须要新增一套全新的天馈的系统。而随着3G的进程，以及将来LTE进程的加快，可以毫无疑问地说，天馈资源站点资源会越来越难获得。在这种情况下，对于将来的网络建设来说，应该是非常大的挑战。

站址规划需结合业务建模过程中对覆盖、容量、质量要求的分析结果，并根据规划区域的地形地貌和建筑物特点确定合理的基站位置。站址初步确定后，还需要确定天馈系统的一系列参数，包括站址高度、天线方位角和下倾角等系列参数，同时需要注意工程建设中的一些问题，比如施工难度、建筑物遮挡以及和其它系统的隔离度等相关问题。

对于TD-SCDMA网络，站址设计中应充分考虑其呼吸效应不明显、帧结构中上下行时隙转换保护长度对覆盖的影响，TD网络的这些特点使TD覆盖半径比较稳定，在规划初期应充分考虑后续扩容加站的位置，确定规划初期的站址站型，从而节约建站成本，提高TD网络建设效率。

2 站址设计的一般性考虑

站址选择对整个无线网络的质量和发展有着重要影响，在选址时应全面考虑无线环境、业务密度和建站条件等方面因素。站址选择应满足以下要求：

（1）业务量和业务分布要求

基站分布与业务分布应基本一致，优先考虑热点地区。

（2）覆盖要求

按密集市区→一般市区→郊区→农村的优先级，完成基站选址，此外对重要旅游区也应优先考虑。

（3）网络结构要求

基站站间距根据规划结果确定，一般要求基站站址分布与标准蜂窝结构的偏差应小于站间距的1/4。

（4）无线传播环境要求

候选站址高度符合覆盖要求，天线主瓣方向100m范围内无明显阻挡。在实际工程中，候选站建筑物高度、天线挂高可以根据具体情况作适当调整。

（5）有效利用已有物业

在满足网络结构和其他建站条件的情况下，应尽量利用运营商自己的现有物业，包括通信机房、微波站等，但不应选用明显不符合建站条件的已有物业。

（6）站址安全性要求

站址应尽量选在交通方便、市电可用、环境安全的地点，避免设在雷击区以及大功率无线电发射台、雷达站或其他强干扰源附近；不宜选址在易燃、易爆建筑物以及生产过程中散发有毒气体、多烟雾、粉尘、有害物质的工业企业附近。

（7）站型及设备配置

从控制投资的角度，应有选择地使用射频远端站（RRU）和直放站等辅助手段，实现低成本覆盖：

RRU主要应用于以下情况：

◆作为室内分布系统的信号源，解决室内覆盖问题。

◆在密集市区、一般市区的业务热点地区，解决基站选址困难问题。

◆在话务量低、覆盖范围广、建网效益低的偏远地区，使用射频远端站解决覆盖问题。

◆利用沿途的光纤资源，设置射频远端站，解决主要交通公路、铁路等狭长地形的覆盖。

直放站主要应用于以下情况：

◆室内、地下室、隧道等无线覆盖盲区。

◆郊区、农村以及主要交通公路、铁路等低话务地区。

考虑到直放站不可避免地会对施主基站接收灵敏度、接入、切换等无线性能造成影响，在市区不建议大量使用直放站。直放站在市区的使用范围主要限于解决室内覆盖，并且尽可能使用光纤直放站，避免导频污染。

在站址选择存在困难的情况下，可以根据周边的电波传播环境有创新地选择站址和设备类型。根据具体情况，灵活选用室外一体化基站、微基站、射频远端站和直放站，增加选址灵活性。

3 TD站址设计中的特别考虑

3.1 站址获取

在TD-SCDMA规模部署过程中，一度因为站址协调困难等原因，造成TD部署和工程实施进度的滞后。其主要原因在于：一方面，绝大部分地区（尤其是发达城市）的2G网络覆盖紧密，先期已经占用了大量的站址资源；另一方面，由于居民环保意识的增强，对基站辐射比较敏感，站址的选择也因此受到较大影响。

因此，对于我们来说，要实现TD网络的大规模快速部署，实现安全、可靠、节省的建网要求，站址的选取和建设至关重要。如果能够充分利用现有的GSM网络资源，实现2G/3G共址，则可以为建网带来很大的便利。要实现2G/3G共站址的要求，就要解决如何利用2G站址资源，包括机房、电源、传输等已有资源的相关问题。

对于已有的2G基站资源的重利用，包括以下几个方面：电源设备重利用，室内外防雷接地网的利用，传输设备、DDF/ODF架的共用，走线架的共用，门禁、监控设备的共用现有铁塔，桅杆等资源的利用，现有馈线窗的利用。

3.2 天馈特性

TD-SCDMA的一大优势在于采用智能天线，但目前单极化智能天线迎风面积大、固定难度高，加之天线阵元宽度较大导致群众抵触情绪高，进一步加剧了站址获取难度。

传统8通道智能天线宽度至少为：（8-1）*150/2=525mm，加上天线单元本身宽度，8通道智能天线外尺寸宽度大约是600mm，基本上是2G天线宽度的两倍。一般的民众认为体积越大辐射越大，虽然实际情况也许并不是这样的，但是很难向民众解释，因此，在很多TD覆盖的居民小区，业主对TD部署抵制情绪强烈，一度影响了TD部署进度。

传统智能天线弊端总结如下：

◆迎风面积大，固定难度高，造成选点及安装困难；

◆外形尺寸较大，业主协调困难；

◆上塔调整难度大、网优成本高；

◆天线美化难度高；

◆不支持C频段，不利于向TD-LTE平滑演进。

3.3 TD-LTE演进相关需求

为节约投资成本，TD部署时即应充分考虑将来向TD-LTE平滑演进的相关需求：

（1）TD-LTE站址获取

毋庸置疑，在TD-LTE部署时，站址将更加成为稀缺资源，从成本以及工程难度方面来考虑，与TD-SCDMA大规模共享站址是可行的方案。

（2）TD-LTE天馈系统

从TD-SCDMA建网经验中可以看到，天馈建设从运营商投资以及网络部署进度方面对网络建设的影响是比较大的，若在将来LTE的部署中，重新大规模建设一套LTE的天馈系统，其难度及成本将比较大，不仅涉及到大量资金、工期的再投入，还需要考虑对已有站点的加固改造。

4 应对策略及可行性分析

4.1 2G/3G共址建设

充分利用中国移动GSM网络优势，在已有站点资源基础上进行改造利旧，可以大幅减小新增站点投资，同时有利于缓解TD站址的协调难度。

TD-SCDMA网络商用初期，大量用户将同时使用2G和3G网络，在TD-SCDMA网络覆盖水平还不高的情况下，可通过良好的TD/GSM互操作来有效保障用户的使用体验。

在共站建设中，需要考虑的问题主要有两个：

◆站址资源共享方案可行性；

◆2G/3G共站的系统间干扰共存可行性。

4.1.1 站址资源共享

对于站址资源共享，主要有以下方面：

（1）机房共享

机房共享包括共享基站的配套、电源等设施，包括机房空间、电源、传输、机房走线、其他配套等。

◆机房空间

对现有基站来说，由于机房里已经布置了基站主设备、开关电源、传输柜、空调等，必须有空余位置才能实现机房共享，且最好在后期的网络扩容中具备机柜扩容的空间。

机房共享还必须解决机房的承重问题，对放置主设备和电源的机房进行承重核算。按照规范，一般要求机房楼层机架设备区地面负荷要求为6KN/m2；机房楼层电池区地面负荷要求为10KN/m2。

◆电源

机房共享中，电源以共享为主。若机房空间大，在新增电源设备许可的情况下，可自建电源。自建电源包括蓄电池、开关电源、交流配电箱等设备。无论是自建电源还是共享电源，都应满足TD-SCDMA基站对蓄电池和开关电源容量的需求。基站的市电引入应考虑共享，当市电引入容量不足时需申请增容。

◆传输

基站的传输可以根据实际条件选择共用传输还是另建传输。

◆走线空间

TD-SCDMA基站的馈线较多，机房内馈线的走线空间需求比其他系统多，馈线洞、走线架等空间需要重点考虑。

◆其他配套

基站中的其他配套，如消防、基站监控、空调可完全共享。空调的配置与热负荷相关。在新增加TD-SCDMA设备后，可根据机房的热负荷增加做相应的配置更新。

（2）塔桅共享

天馈系统的共站安装是站址共享的关键。由于智能天线及TPA，TD-SCDMA天馈系统的工程安装有别于GSM。

塔桅共享主要考虑两方面内容：天馈安装空间和塔桅荷载。

◆天馈安装空间

需要注意的是系统间隔离度要求。一般情况下，共塔桅的天线用垂直隔离方式。

◆塔桅荷载

塔桅上的荷载核算主要有垂直荷载和风荷载。现有塔桅一般均能满足多系统的垂直荷载要求，风荷载是塔桅荷载核算的关键内容，必须进行核算。

TD-SCDMA系统还有TPA安装在塔桅上，也需计算风荷载。

TD-SCDMA天馈系统的迎风面积是天线和TPA两部分之和，相对其他系统来说，TD-SCDMA风荷载相对较大。

◆共天线共馈线

如图1（a）所示，共天线共馈线采用双频或多频天线，加装合路器。共天线共馈线的优点是减少天馈的数量，只需更换天线，无需增加馈线。缺点是多系统共天线，在网络优化中不能独立优化，难以达到最佳网络性能。

◆共天线

如图1（b）所示，共天线不共馈线方式只是共用天线，馈线独立。相对于前一种情形，共天线节省合路器，无插入损耗。

◆共馈线

如图1（c）所示，在共馈线不共天线方式下天线独立，加装合路器，馈线合用。此方式天线独立，各系统可以独立优化。

各种共天馈方式适用于不同场景，在实际应用中可根据铁塔自身的条件选择合适的共天馈方式。

（3）天面共享

天面共享常见于城区基点。天面是稀缺资源，在无法更换站址的情况下，在设计中尽量考虑天面共享。天面共享的关键是满足天线间的隔离度要求。

工程上可以运用多种隔离方式进行天面共享。灵活采用不同的方式实现良好隔离，将垂直隔离、背对背隔离、借助天面建筑物隔离等多种方式综合运用，在大多数情况下还是能实现天面共享的。

当仅用水平或垂直隔离不一定能满足天线之间的隔离度要求时，工程上可利用天面的建筑物、天线的不同指向等加大隔离度。如可将天线背靠建筑物，利用建筑物阻挡加大隔离度。当各种空间隔离措施仍不能满足隔离要求时，可加装滤波器实现系统间的隔离。

在实际环境中，天面共享的案例很多，TD-SCDMA基站同GSM的隔离要求并不高，天面共享的实现难度不大。

从以上分析可见，TD与GSM站址资源共享方案可行，是容易实现的。

4.1.2 TD/GSM共站址系统间干扰隔离

TD-SCDMA系统是一个存在干扰和码资源受限的系统。虽然TD-SCDMA系统采用智能天线、联合检测等关键技术，通过频分、时分、码分和空分在一定程度上降低了小区内用户的干扰，降低了背景干扰电平，但是系统间的干扰仍然影响着系统的性能。在TD/GSM共站建设中，如何保持良好的隔离，确保两系统的性能，是网络建设中必须探讨的问题。

共址基站间的干扰主要分为三部分：杂散干扰、阻塞干扰和互调干扰。

在确定系统间的干扰隔离要求时，以下是常用的系统间隔离准则：

（1）被干扰基站从干扰基站接收到的寄生辐射信号强度应比它的接收噪声门限低9dB；

（2）在被干扰基站生成的三阶互调干扰电平应比接收机噪声门限低9dB；

（3）被干扰站从干扰站接收到的总载波功率应比接收机的1dB压缩点低5dB。

为达到上述所有要求，应合理设计天线隔离度。在大多数情况下，第一个准则将确定最大的天线隔离度。

TD-SCDMA与GSM的天线隔离要求：

（1）TD-SCDMA系统与GSM900/DCS1800的隔离

根据TD-SCDMA系统与GSM的共站干扰分析结果，得到TD-SCDMA系统与GSM900/DCS1800系统的隔离度要求，如表1所示。

（2）空间隔离经验公式

天线距离与隔离度之间有对数线性关系。CELWAVE和KATHREIN天线公司以及麦罗拉等在试验的基础上，总结出了空间隔离计算的经验公式，可分析基站间隔离度状况，解决隔离度计算分歧，达到统一认识的判定标准。

水平隔离度Lh，垂直隔离度Lv，倾斜隔离度Ls计算公式如下：

Lh=22.0+20log10(d/λ)-（Gt+Gr）

Lv=28.0+40log10(d/λ)

Ls=(Lv-Lh)(θ/90)+Lh

其中，d为收发天线间隔（单位：m）；

λ为天线工作波长（单位：m）；

Gt、Gr是两天线在直线方向上的增益，当两天线面对面时增益最大。θ是水平距离和垂直距离的围成直角三角形的夹角。

天线水平隔离度计算示意图、天线垂直隔离示意图、天线倾斜隔离度示意图分别如图2、图3、图4所示：

由公式分析可知，垂直隔离的效果比水平隔离效果要好得多，隔离度效果最明显。背向隔离或大角度的水平隔离效果也较好。

TD-SCDMA宏基站采用智能天线。虽然智能天线的波瓣与普通天线不同，但是其分析方法是一致的。在隔离度分析中，将智能天线的各个方向的水平主波瓣进行合成，构成主波瓣主轮廓，如图5所示：

将主波瓣组合后可以得到一个轮廓线，该轮廓线可以等效成为我们用于分析隔离距离的“等效天线”的水平波瓣，运用上面提到的方法，天线之间的隔离距离就能近似地分析出来。

经计算，TD-SCDMA与GSM900/DCS1800干扰隔离所需的隔离距离约为：

水平隔离：1m以内；

垂直隔离：0.4m以内。

由此可知，TD与GSM900/DCS1800共站干扰隔离的要求容易达到，从两系统干扰共存的角度来讲共享站址资源是可行的。

4.2 天线小型化

采用双极化天线可大幅减小天线尺寸，从而减小迎风面积，降低对抱杆强度等站址资源的要求。具体数值如表2所示：

双极化智能天线是在常规单极化直线智能天线的基础上，用一组双极化辐射单元代替原有单极化辐射单元，并且阵列数量减少为原来的一半，以达到在保持端口总数不变的前提下，减小天线宽度的目的。

双极化智能天线在工程上通常采用±45度辐射单元的排列方式，如图6所示。通过这种方式组成的双极化N×2天线线阵，其中N为同极化辐射单元数目，根据目前理论研究、仿真和测试表明，优先选择N＝4。

由于双极化智能天线采取±45度两种极化方式，因此能够更有效地应对因环境复杂引起的极化偏转等不利因素。同时，由于不同极化方向信道之间的相关性较弱，双极化智能天线能够产生极化分集的效果。

对于双极化智能天线而言，采用特定的智能天线赋形算法（例如EBB算法），完全可以同时利用N×2个通道，进行联合赋形，实现与常规单极化智能天线相同的波束形成和跟踪功能。

对于密集城区、普通城区以及郊区环境，从实测结果来看，8单元双极化智能天线的容量与常规8单元单极化智能天线的容量相当，均能达到满容量；覆盖方面在正常小区覆盖范围内，未见明显覆盖损失。双极化智能天线的横向尺寸相对于常规单极化智能天线来说减少了50%以上，在减小迎风面积、降低工程安装难度和减小普通用户对电磁辐射恐慌方面则具有明显的优势。因此，在实际应用中，综合考虑覆盖与天线尺寸、重量以及安装等诸多因素，优先选取8单元双极化智能天线类型。

对于农村、海面等空旷地区，无线传播环境较为简单，双极化智能天线分集增益不明显，覆盖能力可能弱于常规单极化智能天线，可根据工程安装要求灵活选取常规单极化智能天线或双极化智能天线。

4.3 推动宽频带天线发展应用

在TD-SCDMA建设过程中部署支持多频段的宽频天线，便于将来向TD-LTE平滑演进，充分保护已有投资。在TD-LTE部署时，站址、天面资源的获取将更加困难，不仅涉及到与业主的协调，且对已有抱杆、铁塔等资源的加固改造也会大大影响建网进度和成本投入，因而在TD-SCDMA部署时应尽量考虑支持多频段（TD-LTE）的宽频天线，未雨绸缪，将会为将来的发展演进带来极大便利。