多网融合室内分布系统覆盖规划研究

刘立兵　　重庆邮电大学通信工程应用研究所硕士研究生在读肖寒春　　重庆邮电大学通信工程应用研究所高级工程师



多网融合室内分布系统覆盖规划研究

刘立兵重庆邮电大学通信工程应用研究所硕士研究生在读
肖寒春重庆邮电大学通信工程应用研究所高级工程师

摘要：多网融合室内分布系统主要利用POI多频合路器将多个系统统一接入室内分布系统，对大型室内环境进行覆盖。本文介绍了室内分布系统原理，分析了室内分布系统频率使用情况，研究了各系统在自由空间中的传播性能和封闭室内环境中的覆盖性能，最后根据各系统室内边缘场强，利用室内衰减因子传播模型对各系统同覆盖天线口功率进行了规划分析、提出了两种功率匹配方案，为多网融合室内覆盖设计提供了指导。

关键词：室内分布系统；共建共享；边缘场强；功率匹配

1　引言

近年来，国内通信业务需求和通信技术的发展十分迅速，目前我国存在多家运营商的多网制式多种频段的网络系统，随着通信技术的演进和国家提出的基础设施共建共享共赢理念，移动网络的室内分布系统逐渐向多技术、多系统融合的方向演进，无论是单运营商的室分多系统融合，还是多运营商的室分多系统融合，均可有效避免各运营商重复建设、节省投资，减少建筑物公共资源的占用，降低对环境的影响，降低物业协调难度。特别是在大型的室内环境，如大型机场、地下铁路、大型会展中心、大型体育场馆、大型综合楼宇等，人员密集、流动性大，有多种移动通信需求，设备安装空间有限，不可能同时安装多套无线接入系统，这就对多运营商共建共享提出了要求，各运营商可利用多系统接入平台（PointofInterface，POI）将各系统统一接入室分系统，POI可以进行多频段、多信号合路，实现多网合一和透明传输功能，从而避免了室内分布系统建设的重复投资。但在多系统融合建设的室分系统，因各系统频段不同、覆盖能力也不同，各系统功率不匹配会导致室内出现越区覆盖、弱覆盖甚至信号外泄的现象，因此对各系统进行同覆盖规划分析也就成为了多网融合室分系统中一个重要研究方面。

2　多网融合室内分布系统原理

室分系统主要包括信源和信号分布系统两部分，信源为不同制式的基站设备或接入点设备，主要有宏基站、微蜂窝基站、分布式基站、射频直放站、光纤直放站等，室内分布系统主要由有源设备、无源设备、天线、线缆等组成（见图1）。

POI通过对多频段、多制式无线通信系统的接入及透明传输，实现多网络共用一套室分天馈系统，能够在满足覆盖效果的同时，节省运营商的投资、避免重复建设。POI主要作用是实现多系统合路，在这一点上POI与合路器功能相同，但是POI不仅具有合路器功能，还具有以下合路器不具备的功能：

（1）模块化设计，扩容性好。

（2）满足不同系统、频段的个性需求。

（3）系统具有整体监控功能，维护方便。

（4）可以预留端口，方便升级。

鉴于以上各种优点，POI可广泛地应用于飞机场、火车站、地铁、会展中心、体育场馆、高级商务楼等大型室内场所的通信网络覆盖中。

3　多网融合室内覆盖频率规划

在三大运营商LTE商用之前，室内分布系统中存在的室分系统主要有移动的GSM900/1800、TDSCDMA（A）、TD-SCDMA（E）系统，联通的GSM900/ 1800、WCDMA系统，电信的cdma800、cdma2000系统，以及用于室内网络数据分流的WLAN系统，随着LTE的大规模部署，室内分布系统变得比以前更加复杂，如何利用有限的资源满足室内不同用户不同的业务需求，各运营商需要根据室分场景以及用户分布情况进行精确的网络规划，选择何种制式何种频段进行室分建设，成为室分网络面对的重要问题。

图1　多网融合室内分布系统原理

由于LTE高速率的特性，能够满足用户对高速数据业务的需求，室内网络在满足用户语音的基本需求下将重点部署LTE系统，又因各运营商频谱资源日益紧张，2G和3G占用了大量的优势频谱资源，各运营商开始做出频谱退让或者共享的策略，移动TD-LTE室分系统主要采用TD-SCDMA使用的E频段，联通LTEFDD主要采用GSM1800频段，电信LTE-FDD2.1G主要采用cdma2000频段，电信3G主要采用cdma800频段。考虑到2G和3G主要用于语音通话以及各运营商都在加速升级网络系统，更多的2G用户正逐步转入3G和4G，联通和电信在新建的室分系统中主要以3G 和LTE建设为主，当前各运营商用于室内网络建设的主要系统和频段如表1所示。

表1　室分网络制式及频段

4　各系统覆盖性能分析

4.1各系统自由空间传播分析

自由空间传播是指无线电波在空气中无障碍的传播，自由空间损耗是无线电波在空气中传播时所产生的能量损耗，其传播模型如下所示。

L=32.45+20lgd+20lgf（1）

其中，自由空间损耗L的单位为dB，传播距离d的单位为km，无线电波频率f的单位为MHz。利用传播模型对各系统在传播距离为1、10、15、20m的不同距离进行了自由空间路损计算，其结果如图2所示。

根据图2分析：各系统无线电波随着距离的增大传播损耗逐渐增大，GSM900和cdma800因使用的频段较低，其传播损耗相对较低，在同距离传播的情况下，与使用频段最高的WLAN系统相比，大约相差10dB，意味着低频段系统无线电波传播能力与高频段系统相差较大，TD-LTE与WLAN使用频段相近，在自由空间中传播损耗相差不大，它们的传播能力相近，3G系统因使用频段相近，传播损耗也相差不大。实际的室内无线信号传播会受到各种障碍物的阻挡，需根据特定的室内传播模型进行各系统覆盖性能分析。

图2　各系统自由空间传播损耗

4.2各系统室内传播分析

各系统信号从信源设备发出至用户接受主要经过分布系统损耗和室内传播损耗两大部分，分布系统损耗是指信号在合路器、功分器、耦合器、传输馈线等传输器件中传输，造成的插入损耗、分配损耗、传输损耗等。室内传播损耗指信号从天线发射出至用户终端所产生的损耗，主要由信号在空气中传播和穿透室内障碍物引起的损耗，由最大允许路损（Maximal Allowed Path Loss，MAPL）决定，本文采用室内衰减因子传播模型进行各系统覆盖性能分析，其传播模型如下所示：

PathLoss=PL（d0）+10nlog（d/d0）+FAF（2）

其中，PL（d0）为距离天线1m处的路径损耗（自由空间损耗）；d为传播距离；n为衰减因子（2～3.5），不同的无线环境，衰减因子n取值不同；FAF为附加衰减因子，主要由楼板、隔墙、墙壁等引起的附加损耗。

根据室内分布系统信号传输方式，可以得到以下室内传播链路预算关系式：

天线口导频功率=信源输出功率-分布系统损耗（3）

MAPL=天线口导频功率+天线增益-边缘场强（4）

室内传播损耗：PL=PL（d0）+10nlog（d/d0）+FAF=天线口导频功率+天线增益-边缘场强（5）

从公式（5）可以分析出，在特定的室内环境，各系统天线口导频功率决定了各自的覆盖范围，导频功率与天线出口总功率密切相关，因此室内覆盖中天线功率的设置尤为重要。根据以上关系式可进行各系统室内链路预算。

4.3各系统室内覆盖链路预算

根据《电磁辐射防护规定》标准，室内天线口发射总功率不能大于15dBm。前文分析得出天线覆盖距离与天线口的功率密切相关。根据室内覆盖指标，无线系统的自身特性，查阅相关资料，得到各系统相关指标如下：

（1）GSM系统：GSM900与 GSM1800系统导频功率与天线口的总功率相同，最大为15dBm，信源发射功率最大为43dBm，工程中一般取值37dBm，广播控制信道（Broaddcast Control Channel，BCCH）主控信道最小接收电平不小于-85dBm。

（2）TD-SCDMA系统：天线口导频信道功率约为天线口总功率的2/9左右，导频功率最大为15+10lg （2/9）=8.5dBm；信源发射功率一般取33dBm，主公共控制 物 理 信 道（Primary Common Control Physical Channel，PCCPCH）最小接收电平不小于-85dBm。

（3）CDMA系统：导频功率占信源总功率的10%～30%，本文按15%进行计算，信源最大发射功率20W，则信源导频功率为35dBm，天线口最大功率15dBm，天线口最大导频功率为15+10lg（0.15）= 6.8dBm，单载波前向链路接收信号功率≥-85dBm。

（4）WCDMA系统：导频功率约为信源总功率的10%，载频最大发射功率为20W，则信源导频功率为33dBm，天线口最大功率15dBm，则天线口导频功率最大为15+10lg（0.1）=5dBm，边缘导频功率≥-85dBm。

（5）LTE系统：TD-LTE与FDD-LTE在20MHz工作带宽情况下有100个RB，子载波数量为1200个，1200个子载波共用天线口的15dBm最大功率，则每个子载波的最大导频发射功率为15-10lg1200=-15.8dBm；信源单通道发射功率为43dBm，每个子载波RSRP为43-10lg1200=12.2dBm，边缘RSRP接收电平不小于-105dBm。

（6）WLAN系统：发射功率最大为27dBm，边缘覆盖场强不小于-75dBm。

在各个系统天线口最大发射功率为15dBm的情况下对各个系统进行链路预算，其结果如表2所示。

表2　各系统链路预算对比

4.4各系统覆盖性能对比

在多网共建共享室分系统的情况下，各系统无线信号从室内分布系统中同一天线发出，为确定各系统的覆盖性能，本文使用衰减因子传播模型进行定量分析，选择较封闭室内场景，例如酒店写字楼等场所，衰减因子n取值为3，附加损耗FAF取值23dB，通过理论计算各系统在封闭场景的最大覆盖距离。根据室内传播损耗模型：PL=PL（d0）+10nlog（d/d0）+FAF=天线口导频功率+天线增益-边缘场强，在不考虑其他环境因素的情况下，计算各系统在天线口功率为5～15dBm的范围内，暂不考虑天线增益，各系统的覆盖性能对比统计情况如图3所示。

图3　各系统封闭室内环境覆盖性能对比

根据图3的数据显示：在各系统天线口功率为5～15dBm，GSM900系统覆盖能力最强，覆盖距离在15～33m，cdma800覆盖能力和GSM1800系统相近，覆盖距离约9～20m，TD-SCDMA、WCDMA、LTE与WLAN覆盖能力相差不大，因TD-LTE与WLAN使用频段相近，空间传播损耗相近，两系统覆盖距离约为4～8m，FDD-LTE室内分布系统使用频段低于TD-LTE系统，覆盖能力相对TD-LTE较强。在室内分布系统设计中，如各系统天线口功率相同，则会造成覆盖能力强的网络覆盖区域过大，覆盖能力弱的网络覆盖区域过小，会导致越区覆盖和弱覆盖区域，因此在多网共建共享的室内分布系统设计中，需对各系统做好链路预算，使各系统达到同区域同距离覆盖。

5　各系统同覆盖技术

5.1各系统天线功率规划

根据各系统室内覆盖指标，利用室内衰减因子传播模型，选择多网融合室内分布系统建设常用场景，例如机场、车站、大型场馆等半开放室内环境，通过理论计算各系统覆盖20m所需天线口输入功率，其中衰减因子模型中n取值2.5，附加衰减因子FAF取值15dB，天线口增益均为3dBi，LTE均以20MHz工作带宽，子载波数量为1200个计算，以TD-LTE天线口功率计算进行说明。

根据室内衰减因子传播模型：

PL=PL（d0）+10nlg（d/d0）+FAF（n=2.5，FAF=15dB）

TD-LTE空间传播损耗：PL=39.68+25lg20+15= 87.21dB

由覆盖指标可知，边缘子载波RSRP不小于-105dBm，根据天线口输入子载波RSRP+天线增益-PL＞=-105dBm得到：

天线口输入子载波RSRP＞=-20.79dBm

TD-LTE系统带宽为20MHz，每个子载波为15KHz，共有1200个子载波，则天线口输入功率为：P=-20.79+10lg（1200）=10dBm，根据理论得到各系统天线口输入功率如表3所示。

表3　各系统天线口输入功率对比

表3是各系统在半开放室内环境下覆盖距离为20m的天线口输入功率，GSM系统因覆盖能力最强，天线入口功率最小，TD-LTE与WLAN传播能力相差不大，天线入口功率相近。实际建设中，多运营商室内覆盖系统采用多天线、小功率的设计思路，在封闭的室内场景，天线输入功率以覆盖6～10m进行规划，在半开放室内场景，天线输入功率以覆盖10～20m进行规划，各系统天线功率需根据实际室内环境进行规划设计。

5.2各系统功率匹配方案

在多网融合室内分布系统中，各系统天线口的功率大小决定各自的覆盖范围，为使各系统在同天线同区域达到各自无缝覆盖的效果，可通过以下3种功率匹配方法实现。

（1）在各系统信源功率不变的情况下，可通过控制分布系统的馈线传输损耗、功分器和耦合器的分配损耗、器件插入损耗等分布损耗，以及调整天线的增益，使各系统信号传输至天线时达到同距离覆盖效果。

（2）对各系统信源进行功率控制，将2G覆盖能力强的系统信源功率调小，降低覆盖范围，将高频段覆盖能力弱的系统信源功率调大，增大覆盖范围，从而达到各系统同距离覆盖效果。

（3）利用2G低频段覆盖距离远的优势，2G系统独建一路进行室内覆盖，3G、LTE和WLAN合路输出，因3G、LTE和WLAN覆盖距离相差不大，则容易达到同覆盖效果。

由以上3种功率匹配方法，可得到如图4、5所示的两种功率匹配覆盖方案。

如图4所示，在大型的公共室内场景，根据室内用户需求，三大运营商的2G、3G、LTE以及WLAN可通过多频合路器合路后经过统一的室内分布系统进行覆盖，采用这种方案需要对各个系统进行详细的链路预算，使各系统达到同天线同覆盖效果，避免某些区域产生强覆盖、弱覆盖现象。在一些特殊场景，也可采用如图5所示覆盖方案进行室内覆盖。

图4　多网融合功率匹配覆盖示意图

如图5所示，覆盖能力强的2G系统可单独部署一路进行室内覆盖，选择支持800～2500MHz频段的天线，主要部署在对数据业务不高的环境，如地下停车场和电梯，因在半开阔室内场景中，其覆盖距离可达到30m以上，不必降低2G系统的功率，这样可减少室内天线数量，在未来可将2G系统直接升级改造为LTE系统，LTE800频段与2G系统覆盖在半开阔的室内场景覆盖能力相当，即可不必改造天馈系统，此种方案可在满足当前用户需求的同时考虑到未来的发展方向，节约资源，且部署容易。同时，在半开放的室内场景，也可利用室外2G系统对室内进行覆盖，在室内只需将覆盖能力相当的3G、LTE和WALN系统进行合路输出，使各系统较容易达到同覆盖效果。这种方案即可减少多系统之间存在的干扰，也提高了资源利用率，是一种从长远角度发展考虑的室分系统部署方案。

图5　多网融合功率匹配覆盖示意图

6　结束语

多网融合室分系统主要针对大型的室内覆盖场景，在覆盖设计中，需考虑与室外覆盖协同。在多系统融合建设的室分系统，因各系统频段不同、覆盖指标不同、覆盖能力也不同，各系统功率不匹配会导致室内出现越区覆盖、弱覆盖甚至信号外泄的现象，本文主要对各系统在自由空间，密闭室内环境的传播性能做了详细分析，分析了各系统的覆盖能力差异，最后利用衰减因子传播模型对各系统在半开阔室内场景下，进行了同距离覆盖天线口功率规划分析，同时提出了3种功率匹配方法，对比了两种多网融合室分系统功率匹配覆盖方案，为多网融合室分系统的设计提供了参考。

参考文献

［1］王彦刚，孙海滨，杨晨.多家运营商共用室内分布系统方案设计［J］.通信设计与应用，2015（1）：20-24.

［2］冷锦，马为民，乔云等.多制式基站共站方式和干扰问题研究［J］.邮电设计技术，2012（10）：52-55.

［3］朱健，王雄，李光文.TD-LTE室内分布系统四网协同组网方案研究［J］.通信与信息技术，2014（6）.

［4］万俊青.LTE网络室内分布系统共建共享探讨［J］.移动通信，2013（6）：16-20.

［5］刘培欣，张晓刚.新型TD-LTE室内分布建设方式研究［J］.电信技术，2015（8）：32-36.

［6］刘威，陈海燕.基于多网络环境的LTE网络规划设计［J］.电信科学，2014（9）.

收稿日期：（2016-03-28）

Research on the cover planning of multi-network fusion indoor distribution system

LIU Libing，XIAO Hanchun

Abstract：The multi-network integration indoor distribution system mainly makes use of the multiple frequency combiner（POI）will multiple systems unified access indoor distribution system，to cover the large indoor environments. This paper introduced the principle of indoor distribution system，frequency usage，and study the transmission performance of each system in free space and coverage performance in closed indoor environment.In the end，according to the indoor cell-edge of each system，using the indoor propagation attenuation factor model analyses the antenna power of each system when cover the same distance，put forward two kinds of power matching schemes，provides guidance for multiple network convergence indoor coverage design.

Key words：indoor distribution system；co-construction and sharing；the cell-edge；power matching