移動通信室內分布天線位置選擇對其覆蓋性能的影響

文 段萌 中國移動通信集團設計院有限公司北京分公司

現代化城市的快速發展導致城市的移動通信的無線傳播環境復雜，尤其是很多高層建筑內各種材料對電磁波的穿透損耗較大，單一室外站點覆蓋不能滿足室內移動通信的需求，因此又產生了作為延伸覆蓋的室內分布系統，本文在分析GSM及室分原理基礎上，對現網部分區域的室內覆蓋的測試分析，說明其室內覆蓋中分布天線位置設計選擇的重要性。

GSM網絡是目前提供移動通信服務的主要網絡，在高樓林立的大、中城市GSM網絡主要由解決室外覆蓋的室外宏站和補充室外覆蓋不足、解決深度覆蓋的室內分布系統組成，GSM網絡發展到今天容量受限，可通過合理地重復利用這種不可多得的載頻是增加網絡容量，但通過現有網絡運行發現部分室內分布系統的載頻容量較低，如何有效利用網絡載頻資源提升其載頻利用率？

本文結合對部分區域實際現網CQT呼叫撥打測試數據結果和移動通信原理的深入分析，給出室內分布系統種天線位置的設計選擇的對網絡質量及總體網絡資源利用率的影響，以此證明傳統的室內分布天線位置的選擇設計方法改進的必要性，供實際工作參考。

GSM網絡及其室內分布工作的原理

GSM網絡是典型的第2代移動網絡之一，由于其成熟的技術發展使其成為移動運營商承擔手機客戶業務的主選網絡，其網絡結構如下圖1所示，由核心網、無線接入網組成，其核心網包括承載語音業務的MSC移動交換機和承載數據業務的SGSN設備組成，而無線網絡由控制管理無線網絡資源的BSC基站控制器、BTS基站設備和手機終端設備組成。

隨著現代化城市的快速發展，大中城市愈來愈多大型高層建筑，且建筑物內的各種材料對電磁波的傳播損耗較大 導致室外站點覆蓋不能滿足室內移動通信需求，因此現代通常采用如圖2所示的室內分布系統。室內分布系統通常由信源、功分器、合路器、饋線、分布天線組成。室內天線小覆蓋區域位置及其大小是影響該室內通信質量的主要因素之一，通常室內小區的覆蓋通過上下行無線鏈路的預算預測其覆蓋范圍的大小，即手機所在的位置區域上下行的接收信號強度的大小是否在接收門限以上，而接收信號強度Prx大小由天線發送功率Ptx的大小減去各種損耗，包括路徑損耗、天饋線損耗等其它損耗：

Prx = Ptx-路徑損耗-其它各種損耗

通常室內無線信號的傳輸衰耗近似采用自由空間損耗公式，同時考慮到室內部分電波傳播需穿越部分墻壁或樓層，其傳輸損耗公式如下：

其中：

f：使用頻率，單位MHz

d：輻射天線和手機之間的距離，單位km

K：電波穿越的樓層數

Fk：樓層間的損耗，單位dB

P：電波穿越的墻壁數

Wk：墻壁損耗，單位dB

高層建筑內各種材料墻壁構成的障礙物及其相對位置的變化導致其無線傳播環境較為復雜，下面是不同的墻壁材料對電波傳播的統計經驗值：

由上表可以看出，其金屬的穿透損耗達到25dB，而水泥墻根據具體材料的不同其穿透損耗15～30dB。

圖2 室內分布系統示意圖

一般室內分布天線位置選擇設計狀況及實際測試結果分析

下面是某市區內一具有室內分布系統的高樓內第5層樓的室內分布信號及CQT呼叫撥打測試結果及其分析，該樓內的小區的CELLID為20926（BCCH35）：

第5層樓道內天線出口功率及其樓道內的實際接收信號強度如圖3所示，由6個室內分布天線，且天線的出口功率包括位于0509房間大門外的天線出口功率都達到了大約-20dBm，其樓道內的接收信號強度最小也達到了-55dBm，根據相關電磁環保對人身健康影響規定其室內信號覆蓋設計不能再增大了，否則引起人身健康問題。

由圖3可知緊鄰0509房間大門外有輸出功率達-20dBm的天線，下面通過開門、關門測試結果對比分析，該天線對室內通信作用和室內移動業務的影響

0509房間開門測試結果分析：

由圖4和圖5可以看出，當開門測試時，掃頻儀測量的各個BCCH載頻的信號強度和手機測量的各個BCCH載頻的信號強度大小一致反映出：

絕大多數時間室內信號遠強于其鄰區信號，手機開機時就選擇駐留到室內小區，手機呼叫過程中，當手機處在個別位置時短暫的時間內信號雖然變弱，略低于其鄰區，但由于切換控制參數中與時域相關的參數控制，并無切換到室外小區，充分利用室內小區資源。

0509房間關門測試結果分析：

當對位于圖3中右上角的第5層樓內的0509房間關門測試，從圖6中所示位置開機測試時的小區先選擇到室內20926小區(BCCH35)但隨著手機位置的移動，呼叫撥打中切換到BCCH526小區和BCCH28小區，所測室內BCCH35、BCCH526小區和BCCH28小區信號強度如下：

由圖7可知，在關門情況下掃頻儀測量的各個BCCH載頻的信號強度和手機測量的各個BCCH載頻的信號強度大小一致反映出：

測量的室內20926小區(BCCH35)接收信號強度基本上大于-80dBm，滿足室內設計規范要求，根據根據相關電磁環保對人身健康影響規定其室內信號覆蓋設計不能再增大了，否則引起人身健康問題。

在室內部分區域其室外鄰區信號強度大，手機開機時雖然選擇駐留到室內小區，隨著手機位置移動，室內信號漸弱，手機呼叫過程中切換到其鄰區，后來隨著手機位置的移動即使室內小區的信號再次較強，由于切換控制參數的設置，也無切換回到室內小區通話。

0509房間的大門是金屬門，通過實際測試對天線輻射到室內的穿透損耗達大約25dB。由上可知，盡管0509房間門外樓道內的布放有分布天線，且其發送功率已達到電磁環保的要求的上限，考慮到綠色電磁環保人身健康不能再加大其發送功率，但實際高層建筑內絕大多數的移動用戶關門的情況下使用移動網絡服務的，該天線的覆蓋對于吸納室內的業務量影響不大，進而引起室內資源不能充分利用，這種傳統的天線位置布放設計有待于進一步改進，其分布天線應延伸到房間內，僅限于在樓道內或弱電井、樓梯內、電梯內規劃設計布放設計天線不能真正提升整個移動網絡的資源利用率。

圖3 第5層樓道內分布天線出口功率及樓道內覆蓋測試結果示意圖

圖4 0509房間開門CQT測試時的小區選擇及切換狀況示意圖

圖5 0509房間開門測試時掃頻儀測的各個小區BCCH信號強度示意圖

圖6 0509房間關門且從位置2開機測試時的小區選擇及切換狀況示意圖

圖7 0509房間關門開機測試時手機測的各個小區BCCH信號強度示意圖

結論

總之，天線位置的設計是室內分布系統設計中的主要內容之一，而傳統的室內分布系統設計中為了覆蓋房間內的移動業務區域通常將天線布放位置的選取通常都將天線位置布放到樓道這種方式，不能充分吸納室內移動業務，室內移動業務占整個移動網絡業務的70%，由此可見，為提升整體網絡資源的利用率傳統的室分設計中天線的布放位置的選區設計方式有待于改進。