居民小區(qū)碼分多址精確化低成本覆蓋

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 彭 鵬 周 瑋 周 禹

小區(qū)場景和樓宇的多樣性，給CDMA（碼分多址）網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋解決手段帶來了諸多變數(shù)與困難，需要探索新的覆蓋手段來解決小區(qū)精確化、低成本的覆蓋問題，并且要采用多種覆蓋手段相結(jié)合的方法，對小區(qū)進(jìn)行精細(xì)化的整體方案設(shè)計。

1 小區(qū)覆蓋建設(shè)難點

隨著人們環(huán)保意識的增強，在小區(qū)內(nèi)或小區(qū)邊緣選擇站址的難度越來越大。其次，住宅小區(qū)內(nèi)建筑高度差別大，無線信號的多徑衰落嚴(yán)重，室外容易形成信號的盲區(qū)，同時又由于墻體穿透損耗等因素，室內(nèi)無信號的現(xiàn)象也時有發(fā)生。

1.1 覆蓋目標(biāo)相對分散

目前新建小區(qū)規(guī)模一般都較大，且小區(qū)內(nèi)建筑物密集，樓宇（中高層建筑）較多，且各樓宇間、地下車庫彼此獨立互不相通。覆蓋目標(biāo)相對分散導(dǎo)致信源的選型和功率分配存在很大困難，給小區(qū)覆蓋系統(tǒng)的整體性設(shè)計帶來困難。

1.2 墻體穿透損耗大

住宅小區(qū)內(nèi)的樓體具有下列一些特點：公共區(qū)域面積小，私有區(qū)域面積大，樓層中部區(qū)域多為承重的樓梯墻壁、電梯墻壁，且間隔?。环块g內(nèi)多為普通磚墻或其他輕質(zhì)隔斷，“內(nèi)密外松”，對室外信號隔離小，對室內(nèi)信號隔離大；房間隔斷多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號在室內(nèi)傳播需要穿透多堵墻體，并經(jīng)過多次折射或反射，信號的快衰落嚴(yán)重。

1.3 導(dǎo)頻污染難以控制

由于密集城區(qū)站間距較近，平均站間距在600～700m 或更小。并且實際工程中選址困難等因素導(dǎo)致的局部區(qū)域站間距過近，使得實際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不可能達(dá)到理想的蜂窩狀布局。另外，由于站址高度垂直分層：密集城區(qū)內(nèi)最低天線掛高20m 左右，最高超過50m，造成重疊覆蓋、越區(qū)覆蓋嚴(yán)重。而且一些居民小區(qū)樓外立面不平整，對基站信號的反射、折射效應(yīng)嚴(yán)重，造成樓層內(nèi)可接收信號增多。因此，小區(qū)覆蓋中如何抑制并解決導(dǎo)頻污染是小區(qū)深度覆蓋的又一難點。

1.4 信號泄露難以控制

信號泄露是一個不可避免的問題，它的產(chǎn)生有以下一些原因：居民小區(qū)內(nèi)與小區(qū)外公共區(qū)域基本沒有電磁隔離；住宅樓外墻面玻璃材料的面積占比較大，電磁穿透性良好，室內(nèi)信號很容易透過窗戶泄漏到室外區(qū)域；采用樓頂天線能夠達(dá)到最佳的覆蓋效果，同時很容易將信號泄漏至小區(qū)外。

1.5 工程實施難度大

在站點選擇過程、建設(shè)過程中存在各種類型的困難，主要有：選擇困難，施工資源匱乏，投資高，回報低等。

2 小區(qū)覆蓋理論依據(jù)

2.1 小區(qū)覆蓋鏈路預(yù)算模型

小區(qū)覆蓋鏈路預(yù)算主要參照衰弱因子模型，具體公式如下：

式中，LP(d)是路徑d 總傳輸損耗值，d 為覆蓋距離，d0 為參考的近距離，LP(d0)為近地參考距離（通常d0＝1m）自由空間衰減值，β為路徑損耗因子（β＝0～1.6dB/m），LFAF為隔墻損耗，f 為工作頻率。β和LFAF需通過模擬測試進(jìn)行糾正。

2.2 小區(qū)覆蓋Ec/Io 估算方法

由Ec/Io（Ec為碼片能量，Io 為干擾譜密度）的計算公式

可知，其值與以下參數(shù)有關(guān)：η為導(dǎo)頻信號的占比，PT為載波總功率，W 為擴(kuò)頻帶寬，L 為前向鏈路損耗，F(xiàn)N 為移動臺接收機熱噪聲譜密度，β為其他小區(qū)對本小區(qū)的干擾比，Pt為載波當(dāng)前使用的功率。

由于載波實際使用功率Pt的大小以及其他小區(qū)對本小區(qū)的干擾比β的大小與當(dāng)前小區(qū)與周邊小區(qū)的實際業(yè)務(wù)發(fā)生量以及業(yè)務(wù)發(fā)生的分布有關(guān)，因此，通常較難以精確計算目標(biāo)覆蓋區(qū)域的 Ec/Io。而由于 C＝WEc，I＝WIo，因此，C/I＝Ec/Io，在這里W 為碼片速率，C 為載波功率，I 為干擾總功率。

由測試數(shù)據(jù)可知，當(dāng)室內(nèi)信號強度高于－85dBm 時，系統(tǒng)Ec/Io變化不大，基本維持在－7dB 以上，其值的變化主要受系統(tǒng)自身負(fù)荷的影響。當(dāng)室內(nèi)信號強度低于－85dBm 時，系統(tǒng)Ec/Io約等于覆蓋電平與－85dBm 的差值。據(jù)此，在實際工程應(yīng)用中，我們可以按照以下兩種方式預(yù)估覆蓋后的Ec/Io。

1）當(dāng)新增的覆蓋電平大于原Rx（接收信號）強度，覆蓋后Ec/Io約等于系統(tǒng)自身負(fù)荷；

2）當(dāng)新增的覆蓋電平小于原Rx 強度，覆蓋后Ec/Io 約等于覆蓋信號在目標(biāo)覆蓋區(qū)域的導(dǎo)頻強度減原Rx 強度。

3 小區(qū)覆蓋解決方案探索

對于小區(qū)不同的建筑物及建筑物特殊區(qū)域，應(yīng)分別確定不同的覆蓋目標(biāo)，設(shè)計不同的方案。

1）電梯、地下室應(yīng)根據(jù)平層的信號進(jìn)行覆蓋，不能在平層未做覆蓋的情況下對電梯和地下室進(jìn)行盲目建設(shè)。在電梯、地下室的建設(shè)時，應(yīng)盡量采取無容量信源，以降低建設(shè)成本；

2）樓道及客廳：由于具備一定的話務(wù)可作為重點覆蓋區(qū)；

3）低層臨窗及小區(qū)路面：小區(qū)內(nèi)低層如無良好的業(yè)務(wù)覆蓋能力，應(yīng)列為重點的目標(biāo)覆蓋區(qū)進(jìn)行覆蓋；

4）中高層臨窗房間和高層臨窗房間：該區(qū)域內(nèi)如果不能滿足基本的語音業(yè)務(wù)需求，應(yīng)列為重點目標(biāo)覆蓋區(qū)。同時考慮到投入產(chǎn)出比，應(yīng)盡量尋求低成本的解決方案。

根據(jù)以上的總體思路，本文提出幾種解決方案以豐富小區(qū)覆蓋的建設(shè)思路。

3.1 板狀天線橫置覆蓋

由于大都市中建筑高度不斷拔高，某些獨棟的高層、超高層小區(qū)樓宇，中高層存在著嚴(yán)重的導(dǎo)頻污染，高層存在著弱覆蓋，室外宏基站難以做到信號的良好覆蓋，必須通過室分系統(tǒng)來提高信號的覆蓋質(zhì)量。如果由于業(yè)主協(xié)調(diào)等原因，難以建設(shè)傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)，則可以考慮利用室外天線來進(jìn)行室內(nèi)的覆蓋。

當(dāng)室外天線的架設(shè)安裝點相距樓宇覆蓋目標(biāo)平層距離較遠(yuǎn)時，為獲得較好的覆蓋效果，需要采用高增益的室外天線。目前常用的雙極化宏基站天線主要有15dBi/65 型和17dBi/90 型，前者主要用于市區(qū)覆蓋，其增益為15dBi，水平波瓣角65 °，垂直波瓣角為15 °；后者主要用于農(nóng)村覆蓋，其增益為17dBi，水平波瓣角90 °，垂直波瓣角為7 °。

當(dāng)樓宇的高度相對樓宇寬度比例較大時，通過將天線的橫置，并且選擇合適水平波瓣角的天線，可以使天線波瓣與樓宇形體最大限度地相匹配，從而改善覆蓋效果，并且在一定程度上也能加強對泄漏的控制。

板狀天線橫打在應(yīng)用時，一般利用目標(biāo)樓宇附近的群樓或配樓等作為天線的支點。水平半功率角展開范圍內(nèi)盡量涵蓋整個目標(biāo)覆蓋樓宇的高度范圍，當(dāng)作為天線支點的配樓的與目標(biāo)覆蓋樓宇的水平間距D 越近，則板狀天線的所需的水平波瓣角就越大。天線發(fā)射點越接近目標(biāo)覆蓋樓宇的中點，最大覆蓋半徑R 的距離將越短，可以減少最遠(yuǎn)覆蓋點的路徑損耗，提高最遠(yuǎn)覆蓋點的覆蓋效果。

當(dāng)板狀天線采用17dBi/90 型時，通過衰減因子模型可以估算出最大覆蓋半徑R 的最大距離。當(dāng)我們?nèi)」ぷ黝l率f 為880MHz，路徑損耗因子β為0.26dB/m，穿墻LFAF取為穿越窗戶的損耗5dB 時，計算得覆蓋半徑R＝190m 時總的路徑損耗為131.26dB，當(dāng)板狀天線的天線口導(dǎo)頻功率在34dBm 時，可得到最遠(yuǎn)覆蓋點的接收電平為：34dBm＋17dBi－131.26dB＝－85.26dBm，基本能夠滿足平層的覆蓋要求。

板狀天線橫打可應(yīng)用于解決不具備建設(shè)室分條件的超高層小區(qū)樓宇的覆蓋問題。該方案的優(yōu)點在于由于高層小區(qū)墻體內(nèi)厚外薄，室外信號的穿透損耗遠(yuǎn)小于信號從走廊穿墻至室內(nèi)的穿透損耗。由于信號的發(fā)射功率比較大，如果天線型號的選型和安裝稍有不當(dāng)，高功率的無線電信號很容易越過樓宇造成越區(qū)。另外，高功率的無線電信號在樓宇外立面墻體的反射信號也會比較大，會對周邊的室外信號構(gòu)成比較大的干擾。因此，板狀天線橫打的解決方案不宜在密集市區(qū)的高層小區(qū)應(yīng)用。

3.2 美化天線上傾覆蓋

通過草坪美化天線上傾進(jìn)行小區(qū)平層覆蓋時，注意根據(jù)不同環(huán)境、不同樓宇、不同的實際安裝場景選擇合適的美化天線，實現(xiàn)與周圍的環(huán)境協(xié)調(diào)與統(tǒng)一，可以大大降低室分建設(shè)的業(yè)主協(xié)調(diào)難度，有效降低小區(qū)居民的心理不舒適程度，保證工程建設(shè)的順利實施與系統(tǒng)后期的持續(xù)良好運行。

通過草坪美化天線進(jìn)行覆蓋時，由于天線安裝在地面，主干饋線均在地面管井中，可以適當(dāng)節(jié)省饋線走線。草坪美化天線的覆蓋方式主要以直射覆蓋為主，經(jīng)過測試驗證，單個天線的覆蓋范圍控制在一個樓宇單元時效果較好。

通過衰減因子模型可以估算出一般11 層小高層環(huán)境下，草坪美化天線的所需的天線口出口功率。當(dāng)我們?nèi)」ぷ黝l率f為880MHz，考慮到地面有部分樹葉等遮擋，因此路徑損耗因子β取值為0.5dB/m，穿墻LFAF取為10dB 時，當(dāng)層高按3m 計，美化天線距樓宇30m 計算最大的路徑越為45m，計算得路徑損耗為101.35dB，此時，板狀天線的天線口導(dǎo)頻功率在16.00dBm時，最遠(yuǎn)覆蓋點的接收電平可達(dá)到－89dBm 以上。

美化天線的上傾覆蓋方式，比較適用于樓宇排列整齊的多層、小高層小區(qū)。該方案可以較好地解決小區(qū)路面、樓宇平層的房間和窗邊的信號覆蓋。而且該方案可以充分利用建設(shè)單位在小區(qū)內(nèi)的管道資源。但該方案也存在著草坪天線易受綠化帶電磁吸收的影響，隨著小區(qū)內(nèi)綠色植被的生長，信號質(zhì)量將會受到影響。

3.3 美化天線燈塔式覆蓋

由于居民環(huán)保意識的不斷加強，在小區(qū)內(nèi)建設(shè)室分系統(tǒng)的難度不斷加大，能夠較好與外界環(huán)境相匹配的美化天線在一定程度上緩解了這一矛盾。但是由于美化天線的造價相較傳統(tǒng)天線為高，因此在實際使用美化天線的難點在于要能較好地做到美化天線的防護(hù)和控制美化天線的使用數(shù)量。以往通過在樓頂天面安裝美化天線，然后直射對面樓宇進(jìn)行覆蓋的方式，能較好做到美化天線的防護(hù)問題，但在美化天線的數(shù)量控制上并不理想。對于某些體量較大的小區(qū)，即使采用大水平波瓣角（如120 °）的美化天線，也難以有效降低美化天線的使用數(shù)量。

因此，對于某些覆蓋面積較大，而樓宇又以多層、小高層為主的小區(qū)可以采取燈塔式覆蓋。燈塔式覆蓋的思路是綜合考慮信號的反射與繞射，選取小區(qū)中位置較佳的幾個天面，將美化天線布置在樓宇頂部女兒墻上，形成類似于宏基站三葉草的覆蓋方式，以完成整個小區(qū)的基本面覆蓋。由于美化天線燈塔式覆蓋方式的天線布置相對集中，因此一方面可以減少饋線的使用量，減少信號在饋線中的損耗，提高效能；另一方面工程實施難度大為減低，可以快速靈活部署。

當(dāng)采用燈塔式組網(wǎng)方式時，由于覆蓋方式不再主要以直射方式進(jìn)行，而是兼具反射和繞射的覆蓋形式，因此在進(jìn)行鏈路預(yù)算時衰減因子模型將不再適用。COST231Walfish-Ikeygami模型雖然在頻段、天線掛高、覆蓋距離等方面比較適用，但其主要針對移動臺高度在3m 以下，因此亦不適合作為燈塔式組網(wǎng)的傳播模型來進(jìn)行覆蓋半徑的預(yù)測。因目前尚無合適的傳播模型應(yīng)用于此類覆蓋，因此采用美化天線燈塔式組網(wǎng)時，應(yīng)結(jié)合各小區(qū)的特點以測試驗證覆蓋效果。

美化天線燈塔式組網(wǎng)覆蓋，適合在宏基站覆蓋的邊緣弱覆蓋地帶。燈塔式組網(wǎng)方案的缺陷在于天線的選址受業(yè)主制約，無線信號的控制性較差，將反射信號應(yīng)用于覆蓋的同時加強其泄漏控制具有一定的難度。另外，該覆蓋方式對電梯的穿透覆蓋效果較差，后期可結(jié)合用戶的實際使用習(xí)慣，再對部分電梯做針對性的補盲覆蓋以節(jié)約投資。

3.4 電梯地下室薄覆蓋

電梯、地下室由于空間相對密閉，室外信號難以穿透，因此一般都屬于信號弱覆蓋區(qū)域。而正是由于空間密閉，所以干擾也少，信號一般都比較純凈，因此可以以“少天線加小功率”的方式進(jìn)行薄覆蓋，在滿足覆蓋的情況下，有效降低投資。

在密閉的地下室環(huán)境下，天線口導(dǎo)頻功率全向天線可以控制在－10dBm 左右，覆蓋半徑可達(dá)20m 以上，定向板狀天線可以控制在－10dBm 左右，覆蓋半徑可達(dá)40m。在空曠無視距阻擋的地下室，盡量采用定向板狀天線，減少全向天線的使用，可在一定程度上降低饋線的使用量，降低系統(tǒng)建設(shè)成本。

電梯、地下室薄覆蓋的方式除了采用降低天線密度，減少天線口功率方式來實現(xiàn)之外，還可以采用微型直放站進(jìn)行薄覆蓋。對于一些面積不大的獨立地下室，如果在信源引入時存在浪費饋線資源過大的情況，可結(jié)合實際情況，靈活采用微型直放站進(jìn)行覆蓋。