高層樓宇室外站解決室內覆蓋問題的研究

中國普天信息產業北京通信規劃設計院　劉　軍　于克佳　王　棟

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高層樓宇室外站解決室內覆蓋問題的研究

中國普天信息產業北京通信規劃設計院劉軍于克佳王棟

【摘要】高層建筑是高端用戶的“聚集區”，但因為傳統的“平面覆蓋”設計思路、后置的單點優化模式，未能跟上城市快速發展的需求，導致移動網絡高層覆蓋存在諸多不足；解決高層覆蓋問題是目前城市移動網絡無線網絡規劃和優化的一項重要內容；文章總結了移動網絡高層覆蓋存在的問題，按照典型的建筑分布形態將高層建筑進行歸類，并給出每一類的覆蓋方案；同時，也就移動通信網絡高層覆蓋中常用的“上層站”、“高層室外站”等覆蓋手段的技術細節問題進行了詳細的闡釋，旨在能夠切實地指導解決移動網絡高層覆蓋問題。文章還提出了“天線橫置”等較為新穎的解決方案。

【關鍵詞】高層覆蓋；上層站；高層室外站；天線橫置

0　概述

伴隨當今城市化進程的不斷加快，作為城市標志的高層建筑越來越多，對其室內覆蓋及通信質量予以保證，已然成為開展移動網絡規劃及深入優化的關鍵所在。由于城市高層建筑在具體的分布方面較為分散，且并非呈現出成群分布狀況，而對于高層建筑周圍相應底層建筑而言，其在具體的外來信號方面則不能實施有效隔離，造成高層建筑在相應室內所接受的無線信號出現較為雜亂狀況，而在其遠處方位上基站所存在的繞射、反射及直射方面的信號開始增多，其在信號場強度方面往往和室內分布系統較為相同，至此，就會造成比較嚴重的同鄰頻感染，以及出現無主服務區及載干比較低等狀況。如若用戶撥打手機，則就會造成通話質量差及信號不穩定等狀況，該狀況在市內臨窗區表現更為明顯，所以，在具體的設計及規劃移動網絡高層建筑時，如何將通信質量進行提升已然成為該領域發展的難題所在。

1　高層覆蓋問題產生的原因分析

高層覆蓋問題的產生主要有以下幾個方面的原因：

1.1城區基站密度高

由于在其周邊存在較為密集的基站，且在其室外中層站天線方面，其通常情況下會均設置為下傾角，其在天線主瓣方向所具有的覆蓋狀況，不會影響高層空間無線環境。然而由于存在較強的天線上旁瓣輻射，至此，在具體的高層建筑當中，其中高樓層方面，通常便可對多個基站小區的相應信號予以接收到，且還表現為與室內覆蓋信號，在具體的電平方面相同。此外，由于此層能夠對同時由于多個基站小區信號予以接受，乃至相應越區小區信號也能夠接受到，此狀況在一定程度上就會縮短頻率復用距離，造成高層頻率出現被干擾狀況。

1.2頻率規劃引起

此狀況多由在頻率或者頻點方面，在規劃上出現不足所致，通常改善方法為修改頻率或者頻點。

1.3基站規劃引起

在選取基站站址方面存在不當，導致在區域內，高層建筑能夠在同時狀況下，對其中的兩個或者兩個以上相應強度較為一致的信號予以接受，并導致高層不能有效使用主導信號。造成信號的頻繁切換，或造成反復的重選狀況，對用戶的正常網絡使用造成嚴重影響。

1.4江邊、湖泊等湖面影響

如若高層高檔建筑臨江或臨湖，針對湖面或江面所存在的信號反射作用，依據反射周邊基站信號，反射至高層建筑，基于存在較小的信號入射角，就會較容易對高樓層的信號造成干擾。

2　高層建筑的分類及覆蓋解決方案

基于網絡信號在具體的高層當中相應覆蓋特點可知，如若將高層建筑進行劃分，即通常將15層及以上樓成為高層建筑，而將1～10層的樓層，稱為低層，而對于區間為11～20層的樓房，則稱為中層(該層能夠對鄰近宏站旁瓣信號予以接受，且能夠對遠處宏站方面的相應飄移信號予以接受，針對一些區域甚至能夠在網絡優化狀況下予以改善)，而對于超過20 層及以上的建筑，則可將其稱為高層城市高層建筑如若依據典型分布形態，則可將其劃分為三種類型，分別為聯體式、獨立式及分立式[1]。

2.1獨立式高層建筑

該種類型所具有的主要特點為，該樓層相比于周圍建筑，要明顯后于后者，就好比是鶴立雞群。而對于周圍相應建筑而言，其則對該種樓層不會造成任何遮擋，所以該種樓層對遠近方面的多個基站方面的想銀信號能夠接收到，至此便會形成具有惡劣性的相應網絡環境,導致信號出現強雜以及頻繁切換狀況，對用戶通話質量造成嚴重影響。

該種類型的高層建筑，較多歸屬與多屬于高檔公寓、賓館酒店或寫字樓等。針對高層寫字樓或館酒店來講，基于其在用戶房間內，將室內天線予以安裝，其在建筑內覆蓋問題方面，主要運用建設室內覆蓋系統對于此種問題予以解決。針對高層電梯公寓來講，其較多數均為私人住宅，至此，其在天線方面則不會被安裝在房間內，并且在該公寓的具體結構方面，也更加復雜于寫字樓，并且存在有更多的墻體隔斷,存在有更大的信號衰減狀況，即使選擇將天線在相應樓層走廊當中進行安裝，也較難保證房間內相應信號覆蓋方面的質量。所以，對于高層電梯公寓信號覆蓋而言，可采用將室內及室外相結合的方式予以解決。

獨立式高層建筑主要覆蓋手段如下：

對于室內覆蓋而言，主要對相應建筑內，諸如地下室、走廊及電梯等方面的信號問題予以解決；且對信號方面相應盲區，以及在建筑內相應低層房間能夠給與覆蓋，對于室外定向天線而言，其則自下至上，對建筑方面的中高層實施輻射， 且對中高層方面相應外圍房間實施輻射。如圖1所示。

這種天線從下向上輻射建筑中高層的設站方式稱之為“上層站”。

2.2分立式建筑群

此種類型在構成方面突出表現為多幢不相連的高層，并且在建筑物之間的間距方面也比較大。在整個建筑群內，各個樓宇之間形成相互遮擋，至此，便會促使諸多網絡覆蓋方面的陰影區的形成，還會導致在具體六大樓內部，出現在信號連接方面的不穩定狀況，獨立式高層建筑網絡環境，與建筑群外部之間處于相同狀態；而對于分立式高層建筑群來講，其較多數為高檔住宅小區，并且其還具有諸多的用戶，并且在具體的網絡信號方面也較差，該種樓層的天線在室內也很難予以安裝，此狀況也是對于其實施網絡覆蓋的相應難點所在。對于此種類型問題的解決，需要將多種技術進行有效結合，且對不同技術之間的互補性進行充分利用。

分立式高層建筑主要覆蓋手段如下：

對于小區覆蓋系統建設而言，運用室外全向天線，對建筑群底層實施覆蓋，其依據實際狀況來決定天線高度，通常情況下，其在高度方面可選擇為1 ～5m。針對室外定向天線來講，其主要對建筑群中高層實施覆蓋，經過對上傾角實施合理調整，在對高層覆蓋質量予以保證的狀況下，防止其對宏站網絡所造成的相應干擾。如圖2所示。

圖2　分立式高層建筑覆蓋方案示意圖

2.3聯體式高層建筑群

該種類型在組成方面主要為多幢相互連接，或者是存在有較小的間距，其在組成方面好比四合院，且在內部構成方面也比較封閉。對于建筑群內部來講，一般情況下其乃是網絡覆蓋盲區，其在具體的外部網絡環境方面，則相同于獨立式高層。

針對聯體式高層建筑群來講，其主要包含有兩種狀況，如若在房間內，能夠將天線予以安裝，則可對建設室內覆蓋系統進行優先選擇；如若不能在室內進行安裝，則可采取將室內及室外相結合的方式予以解決，而對于室內覆蓋而言，對于諸如地下室及電梯等處于樓內相應公共區域方面予以覆蓋，而對于其它的房間來講，則選擇室外天線對其實施覆蓋。如圖3所示。

圖3　聯體式高層建筑覆蓋方案示意圖

天線從上向下輻射建筑中高層的設站方式稱之為“高層室外站”。

綜上所述，高層建筑常用的覆蓋方式通常有天線自上而下覆蓋的“高層室外站”、天線自下而上覆蓋的“上層站”以及室內分布系統覆蓋三種方式，高層建筑的覆蓋應視其使用性質以及分布形態等因素的不同而靈活運用，有時可能需要上述二種或多種方式的組合。

覆蓋方式的選擇、站址的選擇天線的設置等因素都會直接影響高層覆蓋效果，下面就 “上層站”、“高層室外站”在規劃和設計過程中應注意的問題進行介紹。

3　上層站建設

3.1上層站概念

而在市區內，較多均為高層居民樓，由于一些住戶在室內分布系統方面不同意做，因此，在信號覆蓋方面，則就會對室外宏基站給與完全依賴，至此，在具體的宏基站方面的天線所具有的傾角方面，也要對其給與相應考量。可以改造宏基站天線，通過對原有天線的使用，以此實現對地面、高層建筑物下部及低層建筑物方面的相應覆蓋，自小區耦合，得出一路信號，然后采用并垂直或者水平的波束，并且在天線上較窄，以此對高層建筑實施仰覆蓋，此種基站則為“上層站”。

圖4　上層站覆蓋示意圖

針對上層站而言，其本質上屬于室外基站，其在具體的結構等方面不同于普通室外基站，而其所運用的上仰的方式，則為其最大的特點，其在實際使用方面，則主要對高層樓宇相應高層區域，實施專門化的覆蓋，如圖4所示。該方案所具有的優點為，對現有基站設備，以及相應站址資源進行充分利用，具有關系相同的上、下層覆蓋區域，對于后續控制更為方便，且還能夠實現優化調整。

就高層建筑信號覆蓋而言，此種方法雖然在實際應用當中較易實現，然而其自身也存在一定的限制條件，其一，此種方法嚴格要求基站的位置。必須在高層建筑附近，對存在仰天線的基站進行相應安裝，其在具體的發射信號方面，才能夠強，還可將其建成主服務小區。如若基站與高層之間的距離過遠，或者在信號強度方面不足，則可將光纖直放站加入其中，并于遠端位置上，將上仰天線安裝至高樓上，并以此實現信號覆蓋。就選用上仰天線而言，其盡管能夠對高層建筑室內部分進行有效覆蓋，然而對于高層建筑相應地下室及電梯，則不能進行有效覆蓋，至此，需要就室內分布系統予以增加，以此實現對電梯及地下室部分進行覆蓋的目的。

3.2上層站最大覆蓋距離

以下損耗不同于各地無線環境，以及與各覆蓋樓宇相應狀況存有不同，僅供參考。

(1)理論自由空間損耗計算公式為：[2]

Ls(dBm) =32.45+20lgd+20lgf

經實測數據統計所得,上層站實測空間損耗計算公式（以900M頻段為例）：

Ls(dBm)=49+20lgd+20lgf

其中：d為距離(km), f為信號頻率(MHz)。

(2)設備接頭等損耗約2dB；

(3)室內對數正態陰影衰落損耗約12dB；

(4)建筑外墻損耗約18dB，建筑內墻體貫穿損耗約8dB。

上層站天線到高層建筑外圍空中損耗為：

Ls（外墻）=49+20lgd+20lgf

上層站天線到高層建筑窗邊的損耗為：

Ls（窗邊）=49+20lgd+20lgf+12

上層站天線到高層建筑室內的損耗為：

Ls（室內）=49+20lgd+20lgf+12+18

因此可見，空間的損耗主要和距離、信號頻率有關。

對于高層樓宇來講，其在通話場強方面通常區間為-55～65dBm，而對于上層站而言，其在小區場強方面則相應大于-65dBm。如若將基站饋線長度設定為100m，而將基站發射所存在的功率設定為43dBm，并且將天線增益設定15.5dBi，且在高層樓宇相應窗邊區域實施覆蓋，則其在空間損耗方面予以覆蓋的最大為：

-65dBm+3dB+2dB+4.6dB-15.5dBi+Ls+12dB≤43dBm

得到：Ls≤101.9dB。

采用900M頻段時，基站到覆蓋樓宇的最大距離為500m；采用1800M頻段時，空間損耗比900M頻段大6dB，基站到覆蓋樓宇的最大距離為250m。

3.3上層站天線選擇及放置

3.3.1天線的選擇及放置

對于上層站小區相應天線而言，其則需要在基站樓宇天面相應中間位置實施放置，此種放置方法，不僅具有較好的樓宇覆蓋效果，還可對信號外泄至相應路面予以減少，此外，其還能夠對原有中層站方面的網絡覆蓋影響減少。由于在實際施工及使用當中所存在的特殊性，則其在天線放置的位置處于中間，則將會對天面相應主要位置予以占據，且在環境外觀方面也有較大影響，容易造成樓宇業主方面的不滿。故此，布放上層站天線，應基于對不產生外泄狀況予以滿足的背景下，盡量將天面邊緣予以放置，如不存在業主投訴問題，即可考慮放置中間。

如果基站樓頂天面有蓄水池，盡量把天線放置在水池邊上，可有效避免信號外泄和減少占用天面面積；市區內慎用超過1.5米的大天線，同時盡量少用天線橫放方式，并考慮美化方案。

上層站天線垂直波瓣角的下3dB線對準覆蓋樓宇的15樓位置。天線距離樓面高度應盡量降低至1米內，可以減少對道路影響。

在周圍無重要道路或信號覆蓋控制比較好的地方，建議可選用增益比較大、雙極化、覆蓋效果比較好的定向板狀天線；對于周圍有主要干道，信號覆蓋不好控制的地方，建議選用信號集中能力比較好，前后比大的短背射或拋物面天線。

3.3.2天線橫置

對于樓層較高的高層建筑，可采用天線橫置[3]的方法：

當天線掛高與覆蓋樓層的距離一定時，覆蓋高度由天線垂直波瓣角決定，垂直3dB波瓣越大，覆蓋高度越大即覆蓋高層的范圍越高，而常規的天線水平波瓣角寬（常用的有65°、90°等），而垂直波瓣角通常在30°以內，天線橫置后，水平波瓣角和垂直波瓣角互換，能夠覆蓋更多的樓層。

3.4上層站覆蓋范圍

上層站小區對覆蓋樓宇15層以上的區域形成良好覆蓋的同時，容易對15層以下的區域（應該由網絡原有中下層站負責覆蓋）形成過覆蓋，也會對周邊非計劃覆蓋目標的樓宇造成過覆蓋。為避免不良影響，應嚴格控制覆蓋范圍，可以通過調整天線角度和調整部分參數解決。

4　高層室外基站覆蓋方式

4.1高層室外站概念

在建筑中高層的設站，天線從上向下輻射方式稱之為“高層室外站”；高層室外站的典型應用場景為高層覆蓋高層。

4.2天線的選擇及安裝

為更好的對高層基站信號在具體的輻射有效范圍方面給與有效控制，以及就對地面的相應干擾予以減少,需要對高增益及窄垂直波瓣天線予以選擇,且在垂直角度方面最好控制在14°左右，此外，在水平角度方面也要控制在70°之下，可根據所覆蓋的有效范圍，對其角度進行選擇；也可以選擇方向性更強的八木天線；高層室外站應設定適度的下傾角,實現對地面所造成的影響予以減少，以此達到集中信號的目的，促使其能夠對高層樓宇予以覆蓋。針對高層室外站而言，其對天線質量方面具有較高的要求，不僅在良好的方向性方面有所要求，且在副瓣抑制比及前后比方面也要求高。

4.3高層基站的選址要求

由于高層基站具有較高的高度，且對地面的干擾，還要求高層基站對其予以控制，在實際選址時，需要在正前方予以被覆蓋,且于多棟高層為宜,且還可樓宇對其進行阻擋,并對覆蓋范圍進行有效控制,以此實現對遠距離地面所造成的影響予以減少的目的,促使其始終低于地面基站信號，即10dB以上。

針對高層覆蓋基站而言，通常情況下，其覆蓋10層及以上樓層，而對于10層以下，則被稱作過渡樓層,且在基站使用方面也多為地面基站，故此，在具體選址過程中，首先應對高層覆蓋基站予以考量，還要考慮其和附近地面站之間不形成干擾。

5　結論及建議

以上通過較大篇幅重點介紹采用上層站、高層室外站來解決移動網絡高層覆蓋問題；在實際的高層覆蓋規劃和優化工作中，解決中高層建筑室內覆蓋問題的方法還有很多，這些覆蓋方法在手法方面雖然各不相同，然而其在具體的原則方面則較為一致，即：對主服務小區在具體的信號場強方面予以增強；如若能達此目的，可依據網絡實際狀況，及相應建筑物室內和室外，在具體的無線環境方面的差異，對其手法進行選擇而實現。因此，在解決高層覆蓋問題時要“因地制宜”，根據實際情況靈活選用相應的解決方法。

另外，不同制式的網絡由于其無線信號的空中傳播特性是類似的，因此文中提到的解決方案對各種制式的移動通信網絡都有較大的參考價值。

參考文獻

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劉軍（1974-），男，高級工程師，畢業于北京郵電大學，現就職于中國普天信息產業北京通信規劃設計院，已從事移動通信通信工程設計18年。

作者簡介：