建筑物穿透损耗及其WCDMA室内覆盖的影响.doc

建筑物穿透损耗及其对WCDMA室内覆盖的影响武 波沈文明 吕江歌 刘晓河中国联合网络通信集团有限公司计划管理部广州杰赛通信设计院【摘 要】文章阐述了建筑物穿透损耗的形成机理和对移动通信网络室内覆盖的影响，结合测试对建筑物穿透损耗与信号频率的关系进行了研究，分析了建筑物穿透损耗的变化规律，并由此提出了解决WCDMA室内覆盖的合理方式。【关键词】穿透损耗室内覆盖WCDMA建筑物穿透损耗是电磁波从室外传播到室内的过程中，因建筑物引起的场强衰减。对于蜂窝制移动通信网 络，室外宏蜂窝基站是实现室外广域覆盖的主要手段， 但由于无线信号在从室外向室内传播时将会有损耗，要 实现室内覆盖必须通过各种方式克服建筑物穿透损耗。 所以，移动通信组网中需要对建筑物穿透损耗进行深入 研究。生穿透损耗，遇到缝隙将发生绕射，最终到达室内的信号将是不同多径的合成体。建筑物的穿透损耗主要由介 质穿透损耗和绕射损耗决定。1.1 介质穿透损耗无线信号穿透介质的损耗主要由入/出射介质时的穿 透损耗和介质内的传播损耗构成。（1）入/出射介质时的穿透损耗无线信号穿透不同介质时，会发生反射和折射现 象，导致进入新介质的功率减小。进入新介质的功率与 原信号功率的比值记作功率传输系数T 。假设电磁波从空 气（介质1）垂直入射非理想介质2（例如墙壁），文献 1根据麦克斯韦方程组进行了计算仿真，结果显示功率1 建筑物穿透损耗的形成机理无线信号从室外传播到室内时，遇到阻挡介质将产收稿日期：2010-06-10传输系数T 与频率f 的关系呈现以下特点：对于固定电导率的介质，随着无线信号频率f 的升 高，界面的功率传输系数T （透射功率）增大，也就是说 高频信号更容易通过介质表面进入介质；当频率f 升高到一定程度后，功率传输系数T （透 射功率）趋于常数（约0.82）；介质2的电导率2越大，T 迅速抬升并趋于常数的 临界频率越高。在800MHz、900MHz、2GHz等移动通信频段，对 于电导率不高的非导体介质，基本上功率传输系数T 都趋 于常数；只有对于电导率接近或大于1S/m的导体介质， 透射功率才随频率的增加而明显增加。由于建筑物常用 材料（干土、石灰石、聚乙烯、石英、橡胶等）的电导 率都小于2×10-2S/m，所以，在移动通信频段中，频率 的变化对透射功率影响不大。（2）介质内的传播损耗 建筑物的组成介质（例如墙壁、门、窗等）都是有损耗的，文献1根据平面电磁场理论进行了计算仿真。 假设电磁波在非理想介质2（例如墙壁）中传播，它在 介质中的衰减常数随着频率升高而增大；但是对于电导 率=10-2S/m的介质（石灰石），当频率大于100MHz 后，衰减常数 保持在6.68dB/m附近；对于电导率小 于10-4S/m的介质（干土、石英等），电磁波在介质中的传输损耗随频率变化很小。（a）（b）图1电磁波在障碍物边缘的绕射示意图（1）其中，v是菲涅尔基尔霍夫（Fresnel-Kirchhoff）1.2 绕射损耗根据惠更斯原理，电磁波在遇到尺寸远大于其波 长的障碍物时，会在障碍物边缘发生绕射，以次级波（secondary wavelets）的形式传播到障碍物的阴影区（如图1（a）所示）。所以，无线信号常会通过建筑物 门、窗和缝隙以绕射方式进入室内。绕射传播会形成损耗，损耗值与障碍物尺寸、位 置、表面材质、形状等多个因素有关。为简化起见，假 设障碍物表面光滑，形状类似刀锋，边缘厚度可以忽略 不计，与无线信号收发两端的位置关系如图1（b）所 示。根据菲涅尔区的有关理论2,3，可以对绕射损耗L (v )进行计算：绕射因子：。利用公式（1），可以得到绕射损耗与绕射因子v 的关系曲线如图2所示。 由图2可见，当障碍物高度相对于收发连线为0时，v =0，对应的绕射损耗为6dB；对于特定的障碍物，无线 信号频率越高，则波长越短，对应的v 越大，导致障碍物阴影区的绕射损耗越大，所以高频信号的绕射能力较弱。2 建筑物穿透损耗的测量方法将发射端和接收端分别置于介质两侧，可以测量介物后仍满足通信要求，利用建筑物室外的信号强度推测室内的覆盖情况等。所以，可通过测量建筑物内部和外 部的信号场强差值，得到该建筑物的穿透损耗。由于无 线信号存在快衰落和慢衰落，信号场强随时间和位置发 生变化，所以建筑物穿透损耗的测量结果需要借助概率 方法进行分析。本文采取以下的建筑物穿透损耗测量方 法：（1）距离目标楼宇一段距离设置信号发射源，该距 离不应过远以保证在楼宇室内的信号场强能够被准确检 测到，也不应过近导致楼宇周边不同方向的信号场强差 异过大。（2）测试楼宇周围的室外信号场强，按照地理位置 均匀采样，将测试结果平均后作为室外信号场强基准值 Rx_outdoor 。（3）测试楼宇室内各处的信号场强，按照地理位置 均匀采样且测试采样点遍布整个室内区域。（4）分析室内各采样点的场强值分布，将90%测试 值可高于的场强作为室内信号场强基准值Rx _indoor 。（5）计算室内外信号场强基准值的差值=Rx _outdoor -Rx_indoor ，记为建筑物的穿透损耗。上述方法中对室内信号的场强按照90%可通率记取 了代表值，主要原因是目前在室外基站的链路预算分析 中，仅根据室外信号衰落特性记取了衰落余量以保证室 外信号满足可通率要求；而建筑物室内的信号衰落分布 特性更加突出，如果不在建筑物穿透损耗测量中记取可 通率，仅按照室内信号场强平均值计算穿透损耗将无法 保证室内的可通率。图2绕射损耗与绕射因子v的关系曲线质的穿透损耗，文献3,4给出了一些建筑物常见介质的穿透损耗测试结果，见表1：表1 建筑物常见介质的穿透损耗测试中需要注意避免反射、绕射的影响，介质的尺寸应足够大且周边无其他障碍物；为减少空间传播距离 引起的误差，收发端距离不能过远；考虑到无线信号入 射角不同会带来影响，测试中应令收发两端处于介质的 法线方向。上述方法得到的介质穿透损耗主要是无线信号从空 气进入介质、再从介质进入空气的功率传输损耗，以及 在空气、介质内的传播衰减损耗。由于从室外传播到室 内的无线信号是由穿透介质的信号与经绕射到达介质背 后阴影区的信号的合成，并且建筑物穿透损耗是多个相 关介质引发损耗的综合，所以按照上述方法测试得到的 介质损耗并不是建筑物的穿透损耗。建筑物穿透损耗在移动通信网络规划设计中的主要 作用是分析无线信号从室外进入室内时的信号强度衰减情况，如用于确定室外基站布局以保证其信号经过建筑3 建筑物穿透损耗与频率的关系按照上述的方法，我们在西安根据不同类型楼宇 的实际比例选择了79栋典型楼宇，分别对900MHz、1800MHz、2GHz频段进行了穿透损耗测试，其中 900MHz、1800MHz分别利用现有GSM900、GSM1800 网络进行了接收电平测试，2GHz利用WCDMA网进行了 导频码域功率（RSCP）测试。2GHz的建筑物穿透损耗 与900MHz、1800MHz的建筑物穿透损耗对比情况分别 见图3、图4：材料类型有非金属窗的 混凝土墙无窗的混 凝土墙混凝土 楼板金属 楼梯厚玻璃木墙损耗（dB）710201055104筑物常用材料，频率的变化对透射功率影响不大；在介质内的传输损耗则随着频率升高而增大。对于绕射的多 径分量，绕射产生的损耗随无线信号频率升高呈增大趋 势。所以，对于常见的建筑物，由于门窗占比大，将会 以绕射多径分量为主；以常见砖石材料构筑的建筑物， 穿透介质路径的损耗也主要随频率升高而增大；只有采 用金属等导体构筑的、门窗少、封闭性强的建筑物，绕 射分量强度弱，穿透介质分量在介质表面的功率传输损 耗随频率变化明显，其建筑物穿透损耗才会随频率增加 而减小。这与本文及文献5的测试结果相符，除了金属 墙仓库这种特殊的建筑物以外，大多数建筑物的穿透损 耗随频率增加而增大。图3 2GHz穿透损耗与900MHz穿透损耗对比图4 建筑物穿透损耗对WCDMA网室内覆盖的影响对于WCDMA网，要实现室内覆盖，必须通过各种 方式克服建筑物穿透损耗。其中一种方式是增强室外宏 蜂窝基站的信号强度，使室外信号在到达室内后场强仍 然足以达到信号正常解调的最低要求。为增强信号强 度，通常需要缩小基站站距、增加基站数量，使基站贴 近建筑物，从而减少信号在室外传播过程中的损耗。站 点增加意味着网络建设成本提升，同时也增加了基站间 相互干扰、越区覆盖的风险，尤其是对采用同频复用方 式的WCDMA网络，站点设置过密将给网络优化增加难 度，带来通信质量恶化的风险。另一种克服建筑物穿透 损耗的方式是在室内建设分布式天馈系统，令室内天线 发出的无线信号不经过建筑物外墙而直接覆盖目标区 域。这种方式虽然不需要为建筑物穿透损耗增加室外基 站密度，但是需要在目标建筑物内布设天线和信号源， 建设成本和工程协调难度将随目标建筑物数量增加而 增加。相比之下，一般室内分布系统较室外基站的平均 单站成本低，但是单套室内分布系统只能解决个别楼宇 的室内覆盖；而对于穿透损耗小的楼宇，单个室外基站 可以覆盖多个楼宇室内及周边区域室外，效果同样可保 证。根据我们在西安的测试，在WCDMA工作频段，所选择测试的楼宇的穿透损耗分布情况如图5所示：图42GHz穿透损耗与1800MHz穿透损耗对比图从上述测试结果来看，多数建筑物的穿透损耗随着频率升高而逐渐增大，其中个别建筑物的穿透损耗 随频率升高而减小，2GHz频段的穿透损耗平均值比 1800MHz、900MHz分别大0.35dB和3.12dB。文献 5也对教学楼、住宅、仓库（金属墙体）三栋楼宇在900MHz、11.4GHz、22.8 GHz频段分别进行了穿透 损耗测试，按照90%的通过率，教学楼在900MHz、 11.4GHz、22.8 GHz频段的穿透损耗依次是28.5dB、35dB和52dB，住宅的穿透损耗依次是13dB、18dB和20.5dB，仓库（金属墙体）的穿透损耗依次是31dB、21.5dB和22.5dB。 根据本文第1节的分析，室外达到室内的信号是穿透介质路径分量和绕射路径分量的合成体，最终的信号可能 是穿透介质的路径分量为主，也可能是从缝隙绕射进来的 路径分量为主，主要由各路径分量强度决定。在移动通信 频段内，对于穿透介质的多径分量，介质表面的功率传输 损耗随频率升高呈减小趋势，尤其对于电导率接近或大 于1S/m的导体介质，介质表面的功率传输损耗随频率的增加而明显减小，但是对于电导率小于2×10-2S/m的建 参考文献 1郭山红,孙锦涛,谢仁宏,等. 电磁波穿透墙体的衰减特性J. 强激光与粒子束,2009,21(1).2Parsons J.D. The Mobile Radio Propagation Channel(Second Edition)M. John Wiley & Sons,2000. 3叶银法,等. WCDMA系统工程手册M. 北京: 机械工业出版社,2006.4上海市无线电协会. 移动通信多系统室内综合覆盖M. 上海: 上海科学技术出版社,2007.5Allen K.C,DeMinco N, Hoffman J.R,等. Building Penetration Loss Measurements at 900MHz, 11.4GHz and 28.8GHzD. U.S.Department of Commerce Ronald H. Brown Secretary, 1994. 图5测试楼宇2GHz穿透损耗（90%可通）分布图由图5可见：（1）所测试楼宇的穿透损耗约90%在24dB以下；（2）在24dB以下，楼宇的穿透损耗变化比较平 缓；在24dB以上，楼宇的穿透损耗变化较为陡峭。考虑到这些楼宇可以采用室外基站和室内分布系 统两种方式覆盖，如果室外基站的设计穿透损耗值选取 在上述拐点（24dB）以下，将可能会有超过10%的楼 宇需要建设室内分布系统，并且每减少1dB，无法覆盖 的楼宇增加量要比拐点之上对应的楼宇多；反之，如果 室外基站的设计穿透损耗值选取在上述拐点以上，每增 加1dB仅能覆盖少量楼宇。所以，从经济效益合理性来 讲，选择上述拐点（24dB）作为测试地区WCDMA室外 基站设计的穿透损耗取值最为合理。按照该取值建设网 络，可以利用室外基站穿透覆盖90%以上楼宇，仅余少 量穿透损耗大且远离室外基站的楼宇需要建设室内分布系统。 【作者简介】 武波：工程师，现工作于中国联通集团公司计划管理部综合规划处，长期从事移动网规划、建设、项目管理 工作，负责联通集团公司三年滚动规 划相关管理工作。沈文明：毕业于南京理工大学电光学院，广州杰赛通信设计院总工程师， 主要从事移动通信规划设计与研究工 作。5 结论由于WCDMA以提供数据业务为主，而数据业务更加 集中在室内，所以WCDMA的室内覆盖尤为重要。而从干 扰抑制方面考虑，WCDMA不适合采取过密的站点布局解 决室内覆盖；同时，WCDMA工作频段高于GSM和CDMA 网络，这将导致多数楼宇的WCDMA信号建筑物穿透损耗 高于2G信号。所以，WCDMA更加依赖于室内分布系统 和室外基站的配合以实现良好的室内覆盖效果，达到最佳 的经济效益。本文研究得到的建筑物穿透损耗规律有助于 合理选择这两种覆盖方式，对于以完善室内覆盖为目的的WCDMA工程建设具有很好的指导意义。吕江歌：毕业于西安邮电学院通信工程专业，现任广州杰赛通信规划设计 院项目经理，主要从事移动通信室内 覆盖规划与设计。