TD-SCDMA室內(nèi)分布場景與方案設(shè)計(jì)

摘要　室內(nèi)分布系統(tǒng)是解決室內(nèi)覆蓋，吸收話務(wù)量，提高用戶滿意度的直接有效方式。當(dāng)前TD-SCDMA即將步入商用化，由于TD-SCDMA具有時分、智能天線等關(guān)鍵特性，室內(nèi)覆蓋的方式、設(shè)備注定不同于傳統(tǒng)的室內(nèi)覆蓋解決方案。本文探討了不同覆蓋場景內(nèi)不同覆蓋解決方案，為TD-SCDMA室內(nèi)覆蓋的設(shè)計(jì)提供了參考。

專家預(yù)測，未來的3G業(yè)務(wù)90%會發(fā)生在室內(nèi)，3G會帶來豐富多彩的業(yè)務(wù)應(yīng)用需要高容量和高QoS的保障，因此，進(jìn)行3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)必須考慮室內(nèi)覆蓋。

室內(nèi)覆蓋可以有不同選擇。一種是采用室外基站進(jìn)行室內(nèi)覆蓋，另一種是建設(shè)更多的室內(nèi)分布系統(tǒng)。然而，以往的經(jīng)驗(yàn)表明，如果采用室外基站進(jìn)行室內(nèi)覆蓋，對于信號的控制和深度覆蓋不能做到最優(yōu)，嚴(yán)重影響用戶的滿意度，因此3G室內(nèi)分布系統(tǒng)部署是必然的、也是急迫的。

1、室內(nèi)分布場景分類

為了方便對室內(nèi)場景進(jìn)行話務(wù)模型和傳播模型分析，綜合考慮了建筑物結(jié)構(gòu)、電磁波傳播環(huán)境和容量需求方面的因素，將室內(nèi)分布場景細(xì)分為以下幾類。

（1）商務(wù)寫字樓。該環(huán)境穿透損耗較小，高端用戶比重較大。需要考慮一定數(shù)量用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求；

（2）大型購物商場。穿透損耗小，層間穿透損耗較大，用戶業(yè)務(wù)主要考慮語音業(yè)務(wù)，高峰時段的話務(wù)密度較大；

（3）會展中心、會議中心、室內(nèi)體育場館。室內(nèi)無線傳播條件比較理想，信號為視距傳輸，能量以直達(dá)徑為主，與室外的隔離度比較高，用戶的話務(wù)主要以事件為觸發(fā)，有大量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)覆蓋需求；

（4）民航機(jī)場、火車站。傳播環(huán)境比較簡單，信號視距傳輸，能量以直達(dá)徑為主。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在總的業(yè)務(wù)中占的比重相對較高，其中候機(jī)大廳、VIP候機(jī)廳要保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的覆蓋；

（5）賓館酒店。該場景穿透損耗較大，高端用戶比重較大，語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量相對較大；

（6）娛樂場所。室內(nèi)面積小，高端用戶多，話務(wù)需求不高，場所數(shù)量眾多且分布不集中；

（7）地下停車場。封閉情況很好。雖然高端用戶比重較大，但話務(wù)量較小，且以語音業(yè)務(wù)為主。

2、室內(nèi)分布的業(yè)務(wù)模型

2.1　語音業(yè)務(wù)

語音業(yè)務(wù)是3G的最基本業(yè)務(wù)，所以不同室內(nèi)場景下的語音業(yè)務(wù)滲透率同室外一樣，均設(shè)定為100%。表1分別給出了不同場景室內(nèi)語音業(yè)務(wù)的單用戶話務(wù)量及話務(wù)量密度（結(jié)合用戶密度，以1000m2為基本單位）。考慮到體育館／民航機(jī)場在特殊時段，語音話務(wù)量會出現(xiàn)高峰，因此其單用戶話務(wù)量按室外密集一類的最高值給出；相較而言，商場超市、賓館酒店、娛樂場所的話務(wù)量稍低，按室外一般城區(qū)給出；而地下停車場的話務(wù)量則按照室外的交通干線給出。

表1　室內(nèi)覆蓋的語音業(yè)務(wù)模型

2.2　可視電話

表2是可視電話的單用戶話務(wù)量及話務(wù)量密度，其單用戶行為特征均參考語音業(yè)務(wù)。

表2　室內(nèi)覆蓋的可視電話業(yè)務(wù)模型

2.3　數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

室內(nèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特征如下。

（1）業(yè)務(wù)滲透率：在室內(nèi)有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的場景，其滲透率在30%～50%之間，而室外場景最高為50%；

（2）單用戶吞吐量：室外密集一類的單用戶平均吞吐量為每忙時0.81 kbit/s，而室內(nèi)的各種場景中，只有娛樂場所按此值定義，其它場景考慮較高的數(shù)據(jù)需求，均按其3倍取值。另外，對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其上下行流量的比例為1:4；

（3）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)各類承載的比例為PS64：PS128:PS384=6:3:1。

表3　室內(nèi)覆蓋的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型

2.4　規(guī)模估算

根據(jù)混合業(yè)務(wù)話務(wù)量Campbell計(jì)算方法，估算典型場景下的載波需求，如表4所示。

表4　典型場景下的載波需求估算

2.5　室內(nèi)傳播模型

選取下述室內(nèi)傳播模型：

Ploss=Plosssm+201lg(d)+FAF+8(dB)

其中：

Ploss：路徑損耗（dB）；

Plosssm：距天線1m處的路徑衰減（dB），參考值為38.4dB；

d：距離（m）；

FAF：環(huán)境損耗附加值（dB），和建筑物類型、建筑結(jié)構(gòu)、所用材料等相關(guān)。

8dB：室內(nèi)環(huán)境下的衰落余量，包括空間衰落效應(yīng)和時間衰落效應(yīng)引起的衰落。

3、典型場景的室內(nèi)分布系統(tǒng)

3.1　概述

在信源選擇上，根據(jù)不同話務(wù)需求和覆蓋場景選擇不同信源，信源的選擇要求如表5所示。

表5　信源選擇總體要求

對于具體的覆蓋場景，在總體原則的指導(dǎo)下，需要從系統(tǒng)容量和功率需求的角度確定信源的規(guī)模選型和天線的布置方法。

容量確定方法：首先，通過室內(nèi)分布的業(yè)務(wù)模型和場景特性，確定對信道數(shù)的需求，再根據(jù)信源的能力，確定需要信源的規(guī)模。功率確定方法：首先要計(jì)算單層覆蓋所需的吸頂天線數(shù)量及其布放方法，然后計(jì)算滿足單層覆蓋所需的功率，再根據(jù)信源設(shè)備的功率推算其可以覆蓋的樓層數(shù)，進(jìn)而可知要滿足整個大樓覆蓋所需的信源的規(guī)模。從容量和功率需求的角度，綜合考慮，確定最終的方案。

3.2　寫字樓

首先，根據(jù)計(jì)算，當(dāng)寫字樓吸頂天線入口處PCCPCH兩碼道功率為5dBm，分布天線增益為3dRi，覆蓋邊緣接收電平取-85dBm時，根據(jù)傳播模型，其單天線覆蓋半徑為19m，對于單層尺寸為50×50m的寫字樓，只需要用3～4個吸頂天線即可解決，但是考慮寫字樓高端客戶較多，對通信的質(zhì)量要求較高。在寫字樓環(huán)境下，按照小天線，多功率的要求，將天線半徑控制在10m左右，這樣，覆蓋樓層需要8個吸頂天線才能完成覆蓋。

考慮到寫字樓內(nèi)話務(wù)量較大，并且，考慮寫字樓遠(yuǎn)期話務(wù)量的發(fā)展，方便擴(kuò)容，采用易于擴(kuò)容的BBU+RRU方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋。

假設(shè)天線的位置方位圖和通道功率需求分布圖如圖1所示，饋線采用1/2饋線，根據(jù)天線入口要求、饋線損耗、以及器件的耦合損耗等可反推出樓層入口處單載波PCCPCH信道功率應(yīng)為17dBm左右。若室內(nèi)信源采用2W/3載波的單通道信源，該信源每通道的最大輸出功率為33dBm，RRU單通道單載波PCCPCH最大功率為：

圖1　天線的位置方位/通道功率需求分布圖

33-10lg3-10lg5+3=24（dBm）

這樣，從功率分析的角度出發(fā)，單RRU信源至少可以覆蓋3個樓層（24-10lg3＞17），整個寫字樓的全覆蓋需要9個RRU。從載波需求表看出，整個大樓需要8個載波，9個RRU可以提供27個載波，滿足需求，系統(tǒng)受限于功率。

綜合考慮覆蓋和容量的需求，對于該典型尺寸的寫字樓，需要采用9臺單通道RRU信源設(shè)備。在光纖資源充足的情況下，可以在每對BBU和RRU之間直連光纖，在光纖資源不足的情況下，RRU可以級聯(lián)，級聯(lián)的級數(shù)不同廠家有不同的性能。

3.3　商場超市

3.3.1　BBU+RRU

假設(shè)該寫字樓長150m，寬100m，共6層。通過規(guī)模估算，該大樓需3個頻點(diǎn)即可完成覆蓋，只需要1臺RRU（2W/3載波/單通道）即可。從功率角度考慮，根據(jù)計(jì)算，當(dāng)商場超市吸頂天線入口處PCCPCH兩碼道功率為5dBm，分布天線增益為3dBi，覆蓋邊緣接收電平取-85dBm時，其單天線覆蓋半徑為20m，對于單層尺寸為150m×100m的商場超市，需要用12個吸頂天線解決。因單層結(jié)構(gòu)面積較大，所以層內(nèi)采用7/8饋線；若要求覆蓋天線入口處功率達(dá)到5dBm左右，則單通道單載波PCCPCH信道樓層入口處功率需求為20dBm。

圖2　天線功率需求分布圖

若用一個RRU（2W/3載波／單通道）進(jìn)行6層大樓的覆蓋，則到達(dá)樓層入口單載波的PCCPCH功率為：

33-10lg6-10lg3-10lg5+3=16.47＜20dBm

所以，用單RRU實(shí)現(xiàn)全大樓覆蓋是不現(xiàn)實(shí)的，從功率需求的角度分析，若單通道覆蓋2層樓，需采用3臺RRU（2W/3載波／單通道）才能實(shí)現(xiàn)全覆蓋。

33-10lg2-10lg3-10lg5+3=21dBm＞20dBm

主路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：信源設(shè)備采用3臺RRU（2W/3載波/單通道）。

3.3.2　微蜂窩+無線光纖分布系統(tǒng)（WFDS）方案

容量分析可以看出，本大樓從容量角度只需要3個載波即可，信源可以考慮微蜂窩，從功率的角度出發(fā)，微蜂窩+干放+傳統(tǒng)室內(nèi)分布的才能滿足功率的需求。

WFDS是北京東方信聯(lián)開發(fā)的第三代室內(nèi)無線信號分布覆蓋系統(tǒng)，其系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)型WFDS應(yīng)用方案中主單元與擴(kuò)展單元（EH）之間采用光纖實(shí)現(xiàn)分布傳輸，在擴(kuò)展單元與遠(yuǎn)端天線單元采用五類線或CATV電纜實(shí)現(xiàn)中頻分布傳輸。

圖3　WFDS原理圖

標(biāo)準(zhǔn)型WFDS由主單元、擴(kuò)展、遠(yuǎn)端單元組成，主單元和擴(kuò)展單元用光纖連接，擴(kuò)展單元與遠(yuǎn)端單元之間用五類線連接。標(biāo)準(zhǔn)型WFDS最大的連接模式為1:4:32，即一個主單元最多可按4個擴(kuò)展單元，每個擴(kuò)展單元最多連接8個RAU，所以一個主單元最多帶4個擴(kuò)展單元、32個遠(yuǎn)端接入單元。

單層天線的布局和BBU+RRU方案的一致，在平層，天線分為3路，每一個遠(yuǎn)端天線單元帶一路，每層需3個遠(yuǎn)端單元。

圖4　WFDS主路路由與天線分布圖

3.4　會展中心

對于會展中心，通常長度在數(shù)百米，寬度在數(shù)十米左右，高度為3～5層，又分成若干個展廳和大小型會議室，單個展廳的典型場景是100m×100m。以該場景的單個展廳進(jìn)行規(guī)模估算，一個展廳只需3個頻點(diǎn)即可完成覆蓋，只需要1臺RRU（2W/3載波／單通道）即可。

從功率角度考慮，對于會展中心一般樓層較高，比較開闊，可以考慮將天線入口處PCCPCH兩碼道功率提高到7dBm，采用定向板狀天線增益為7dBi，覆蓋邊緣接收電平取-85dBm時，天線覆蓋半徑為45m，對于單層尺寸為100m×100m的會展中心，從4個角落往展廳中部發(fā)射需用4個天線完成覆蓋。

圖5　天線功率需求分布圖

同商場超市場景相同，因采用的是（2W/3載波/單通道）RRU設(shè)備，所以，單載波PCCPCH信道功率可達(dá)24dBm。最長饋線估計(jì)不會超過100m，加上功分器的分配損耗，單天線最大饋線損耗加分路損耗不超過20 dB，單天線單載波PCCPCH信道入口功率可達(dá)7dBm。

綜上，對于該場景的一個展廳，選用3載波單通道的RRU設(shè)備即可解決其覆蓋和容量的需求。對于更大規(guī)模的會展中心，可以根據(jù)展廳進(jìn)行分區(qū)，每一分區(qū)由一RRU實(shí)現(xiàn)覆蓋，設(shè)計(jì)方法同上。

3.5　室內(nèi)體育場館

室內(nèi)體育場館內(nèi)部比較空曠，屋頂較高，一般可達(dá)10 m，所以在此種場景下可以適當(dāng)提高天線口輸出功率，以便減少天線數(shù)量，降低施工難度。現(xiàn)假設(shè)每載波每時隙支持8個語音用戶，根據(jù)計(jì)算，若采用6載波設(shè)備，則需要1臺RRU。從覆蓋方面，我們考慮PCCPCH信道天線入口功率為7dBm時，其覆蓋邊長為89m，滿足該80m×80m面積體育館的覆蓋。

綜上，可以選用2W/6載波／單通道的RRU設(shè)備作為該場景的信源，采用在場館屋頂中央安裝一個吸頂天線的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。

3.6　賓館酒店

對于單層面積為60m×17m，共有20層，每層有25間客房的賓館，假設(shè)對于此種場景，每載波每時隙可同時提供8個語音用戶，通過計(jì)算，要滿足該建筑物內(nèi)用戶的通話需求，只需配置1臺RRU（3載波/RRU），信源可以采用微蜂窩、宏蜂窩。我們考慮單載波單天線PCCPCH入口功率為5dBm，根據(jù)室內(nèi)傳播模型估算覆蓋半徑為10m，對于下面典型樓層結(jié)構(gòu)可做如下設(shè)計(jì)。

對于單個樓層，單載波PCCPCH信道入口功率需求為12dBm，因采用3載波設(shè)備，所以單載波PCCPCH功率為24dBm，所以每通道至少可以覆蓋5個樓層，電梯覆蓋由處于電梯門口的吸頂天線兼顧。

該處所需資源較少，可以采用直放站進(jìn)行覆蓋。單樓層天線布置和分區(qū)和RRU方案一致，所不同的在于信源部分。

圖6　天線功率需求分布圖

3.7　娛樂場所

和賓館場景相比，娛樂場所用戶密度更大，高端用戶相對較多。通過計(jì)算，在50m×50m×5層規(guī)模的一個娛樂場所，計(jì)算需要2個載波，需要采用1臺RRU設(shè)備（3載波）。

從覆蓋方面，因覆蓋面積不大，采用多天線，小功率的覆蓋策略，單天線覆蓋半徑約為17m，以15m為標(biāo)準(zhǔn)，單層需4個天線完成覆蓋，單層入口功率約13dBm。

圖7　天線分布圖與功率需求分布圖

信源也可以選擇微蜂窩、直放站，從信源出來，可以通過功分器到各層。

3.8　地下停車場

若地下停車場在某大廈下，且該大廈需要進(jìn)行室內(nèi)分布系統(tǒng)，則須和大廈地上部分一并考慮，采用同一套分布系統(tǒng)解決。

若地下停車場為一單獨(dú)的場景，由于其內(nèi)部話務(wù)量可忽略不計(jì)，而且功率需求也不大，為節(jié)約成本，可以考慮采用直放站解決。

3.9　電梯

若某建筑物需要進(jìn)行室內(nèi)覆蓋，根據(jù)其樓層結(jié)構(gòu)分析，有必要而且可以在電梯口安裝吸頂天線時，利用每層安裝于電梯門口的吸頂天線兼顧電梯和樓層的覆蓋；

另外一種方式是采用壁掛天線，天線口功率采用0～5 dBm，板狀定向天線增益為7dBi，邊緣場強(qiáng)為-85dBm，那么每一個天線的覆蓋距離在15m左右，即5層樓的高度。也就是在電梯覆蓋中，每5層樓需要架設(shè)一個板狀天線。

建筑物本身不需要覆蓋，只需對其中電梯進(jìn)行覆蓋，此種情況下，為節(jié)省成本，建議采用直放站作信源。在這種情況下，如果需要覆蓋的井道較多，一臺直放站提供的功率不足的話，可考慮在井道內(nèi)采用7/8饋線。

另外一種方案是采用東方信聯(lián)的WFDS系統(tǒng)方案，將五類網(wǎng)線附在電梯數(shù)據(jù)線上面，遠(yuǎn)端單元和天線放置在電梯轎箱頂部，遠(yuǎn)端單元（RAU）和天線隨電梯移動，天線口輸出功率可控制在5dBm以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)電梯的良好覆蓋。

圖8　WFDS電梯覆蓋示意圖

4、小結(jié)

本文通過對室內(nèi)分布的場景進(jìn)行分類研究后，建議TD-SCDMA室內(nèi)分布規(guī)劃可以遵循如下的思路。

確定TD-SCDMA系統(tǒng)室內(nèi)話務(wù)模型，話務(wù)模型是室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)和信源選型的依據(jù)。當(dāng)前，對3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模型在國內(nèi)尚沒有現(xiàn)網(wǎng)參考值，本文中的業(yè)務(wù)模型也是當(dāng)前大多數(shù)廠家推薦的業(yè)務(wù)模型，需要在以后的工作中進(jìn)行修正。

室內(nèi)分布天線端口功率在0～5dBm左右，根據(jù)小功率多天線的策略，天線覆蓋半徑在10m左右。可以根據(jù)不同的場景需求，提高天線出口功率，提高天線覆蓋半徑，降低成本。

結(jié)合室內(nèi)話務(wù)模型和天線半徑，從功率和容量的角度，確定場景的容量需求和功率需求。具體方法為：根據(jù)場景話務(wù)模型，確定容量需求-＞確定單天線入口PCCPCH信道功率（單載波）——確定覆蓋半徑——確定單個樓層需要天線個數(shù)——確定天線安裝位置和走線方法——進(jìn)行單層功率預(yù)算，計(jì)算單層入口功率需求——確定整個建筑需要的設(shè)備數(shù)量和主路走線方法。