tdscdma室内覆盖优化及案例分析.doc
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1、摘 要解决室内覆盖的主要方法是建设室内覆盖分布系统,室内分布系统的基本原理是将室外信号通过有线方式引入到室内,再通过小型天线将信号发送出去,从而提高室内覆盖水平。TD-SCDMA是3G三大主流技术之一,TD-SCDMA室内分布系统是TD-SCDMA整个网络建设的重点之一。本文介绍了TD-SCDMA室内覆盖的一些设计原则及要点,分析TD-SCDMA室内分布系统设计的特点,并总结出一些优化的方法和技巧。关键词:TD-SCDMA;室内覆盖;优化目 录前 言41 设计基础51.1 TD-SCDMA简介51.1.1 TD-SCDMA标准的现状61.1.2 TD-SCDMA标准的后续发展61.2室内覆盖的
2、意义72 TD-SCDMA室内分布系统92.1室内分布系统的组成92.1.1信号源92.1.2室内布线和分布系统102.1.3元器件和天线102.2室内分布系统的分类112.3室内分布系统的规划112.3.1室内分布系统的一般规划原则112.3.2 TD-SCDMA与其他系统共用室内分布系统112.3.3 TD-SCDMA室内分布系统的规划流程132.4室内分布系统的目的132.5覆盖方案142.5.1室内传播模型142.5.2室内覆盖场强预测方法142.5.3天线功率需求及布放原则152.5.4 TD-SCDMA室内覆盖信号源功率参考153 TD-SCDMA室内优化163.1 TD-SCDM
3、A室内分布系统的优化流程163.2 TD-SCDMA室内分布系统常见问题及解决方案163.2.1信号覆盖问题163.2.2数据业务问题173.2.3切换问题173.2.4掉话问题173.2.5外泄问题183.2.6干扰问题183.2.7信源问题183.2.8干放问题204 TD-SCDMA的室内覆盖案例分析20总 结22致 谢23参考文献24前 言近年来,随着移动通信的快速发展,移动电话已逐渐成为人民群众日常生活中广泛使用的一种现代化通信工具,同时广大移动用户对移动通信服务质量的要求也越来越高,他们已不再单单满足于良好的室外移动通信服务,而且也要求在室内(特别是星级酒店、大型商场、高级写字楼等
4、)能享受优质的移动通信服务。而现代建筑由于多以钢筋混凝土为骨架,再加上全封闭式的外装修,对无线电信号的屏蔽衰减特别厉害,使通话质量严重下降。具体影响如下,在大型建筑的低层、地下商场、地下停车场等环境下,基站接收信号十分微弱,导致手机无法正常使用,形成了信号覆盖的盲区;在大型建筑的中间楼层,由于手机可以接收到周围多个不同基站的信号,使基站信号发生重叠,产生乒乓效应,严重影响了手机的正常使用;在大型建筑的高层部分,进入室内的无线信号非常杂乱,既有附近几个基站的信号,也有不远处基站的信号通过直射、折射、反射、绕射等方式进入室内,导致室内接收信号忽强忽弱极为不稳定,同频、邻频干扰十分严重。手机在这种环
5、境下使用,在空闲状态时小区重选频繁,在通话过程中频繁进行切换,话音质量受到极大影响,容易产生掉话现象。另外,在有些建筑物内,虽然手机能够正常通话,但是用户密度太大,信道十分拥挤,手机上线困难。因此,如何解决好室内信号的覆盖问题,满足广大用户的需求,提高网络质量,已变得越来越重要,也成为网络优化工作的一个重点。为解决以上所说的室内信号覆盖不理想的问题,目前最有效的解决方法是在建筑物内安装室内覆盖分布系统。就是将基站的信号通过有线方式直接引入到室内的每一个区域,再通过小型天线将基站信号发送出去,从而达到消除室内覆盖盲区、抑制干扰的目的,为楼内的移动通信用户提供稳定、可靠的室内信号,使用户在室内也能
6、享受高质量的移动通信服务。1 设计基础1.1 TD-SCDMA简介TD-SCDMA,即Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access,时分同步的码分多址技术,是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一,它得到了CWTS及3GPP的全面支持。是集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体,系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术。它采用了智能天线、联合检测、接力切换、同步CDMA、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术。TD-SCDMA为TDD模式,在应用范围内有其自身的特点:一是终
7、端的移动速度受现有DSP运算速度的限制只能做到240km/h;二是基站覆盖半径在15km以内时频谱利用率和系统容量可达最佳,在用户容量不是很大的区域,基站最大覆盖可达3040km。所以,TD-SCDMA适合在城市和城郊使用,在城市和城郊这两个不足均不影响实际使用。因在城市和城郊,车速一般都小于200km/h,城市和城郊人口密度高,因容量的原因,小区半径一般都在15km以内。而在农村及大区全覆盖时,用WCDMA FDD方式也是合适的,因此TDD和FDD模式是互为补充的。TDD模式是基于在无线信道时域里的周期地重复TDMA帧结构实现的。这个帧结构被再分为几个时隙。在TDD模式下,可以方便地实现上/
8、下行链路间地灵活切换。这一模式的突出的优势是,在上/下行链路间的时隙分配可以被一个灵活的转换点改变,以满足不同的业务要求。这样,运用TD-SCDMA这一技术,通过灵活地改变上/下行链路的转换点就可以实现所有3G对称和非对称业务。合适的TD-SCDMA时域操作模式可自行解决所有对称和非对称业务以及任何混合业务的上/下行链路资源分配的问题。TD-SCDMA的无线传输方案综合了FDMA,TDMA和CDMA等基本传输方法。通过与联合检测相结合,它在传输容量方面表现非凡。通过引进智能天线,容量还可以进一步提高。智能天线凭借其定向性降低了小区间频率复用所产生的干扰,并通过更高的频率复用率来提供更高的话务量
9、。基于高度的业务灵活性,TD-SCDMA无线网络可以通过无线网络控制器(RNC)连接到交换网络,如同三代移动通信中对电路和包交换业务所定义的那样。TD-SCDMA所呈现的先进的移动无线系统是针对所有无线环境下对称和非对称的3G业务所设计的,它运行在不成对的射频频谱上。TD-SCDMA传输方向的时域自适应资源分配可取得独立于对称业务负载关系的频谱分配的最佳利用率。因此,TD-SCDMA通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率,可支持速率从8Kbps到2Mbps的语音、互联网等所有的3G业务。根据ITU的要求和原邮电部的准备,我国于1998年6月底向国际电联提交了我国对IMT2000无线传输技术(R
10、TT)的建议(TD-SCDMA)。2000年5月5日,国际电联正式公布了第三代移动通信标准,我国提交的TD-SCDMA已正式成为ITU第三代移动通信标准IMT 2000建议的一个组成部分。我国自主知识产权的TD-SCDMA、欧洲WCDMA和美国CDMA2000成为3G时代最主流的技术。1.1.1 TD-SCDMA标准的现状自2001年3月3GPPR4发布后,TD-SCDMA标准规范的实质性工作主要在3GPP体系下完成。在R4标准发布之后的两年多时间里,大唐与其他众多的业界运营商、设备制造商一起,又经过无数次会议讨论、邮件组讨论,通过提交的大量文稿,对TD-SCDMA标准规范的物理层处理、高层协
11、议栈消息、网络和接口信令消息、射频指标和参数、一致性测试等部分的内容进行了一次次的修订和完善,使得到目前为止的TD-SCDMAR4规范达到了相当稳定和成熟的程度。 在3GPP的体系框架下,经过融合完善后,由于双工方式的差别,TD-SCDMA的所有技术特点和优势得以在空中接口的物理层体现。物理层技术的差别是TD-SCDMA与WCDMA最主要的差别所在。在核心网方面,TD-SCDMA与WCDMA采用完全相同的标准规范,包括核心网与无线接入网之间采用相同的lu接口;在空中接口高层协议栈上,TD-SCDMA与WCDMA二者也完全相同。这些共同之处保证了两个系统之间的无缝漫游、切换、业务支持的一致性、Q
12、oS的保证等,也保证了TD-SCDMA和WCDMA在标准技术的后续发展上保持相当的一致性。 2006年1月20日被定为中国的国家通信标准。 1.1.2 TD-SCDMA标准的后续发展在3G技术和系统蓬勃发展之际,不论是各个设备制造商、运营商,还是各个研究机构、政府、ITU,都已经开始对3G以后的技术发展方向展开研究。在ITU认定的几个技术发展方向中,包含了智能天线技术和TDD时分双工技术,认为这两种技术都是以后技术发展的趋势,而智能天线和TDD时分双工这两项技术,在目前的TD-SCDMA标准体系中已经得到了很好的体现和应用,从这一点中,也能够看到TD-SCDMA标准的技术有相当的发展前途。另外
13、,在R4之后的3GPP版本发布中,TD-SCDMA标准也不同程度地引入了新的技术特性,用以进一步提高系统的性能,其中主要包括:通过空中接口实现基站之间的同步,作为基站同步的另一个备用方案,尤其适用于紧急情况下对于通信网可靠性的保证;终端定位功能,可以通过智能天线,利用信号到达角对终端用户位置定位,以便更好地提供基于位置的服务;高速下行分组接入,采用混合自动重传、自适应调制编码,实现高速率下行分组业务支持;多天线输入输出技术(MIMO),采用基站和终端多天线技术和信号处理,提高无线系统性能;上行增强技术,采用自适应调制和编码、混合ARQ技术、对专用/共享资源的快速分配以及相应的物理层和高层信令支
14、持的机制,增强上行信道和业务能力。在政府和运营商的全力支持下,TD-SCDMA产业联盟和产业链已基本建立起来,产品的开发也得到进一步的推动,越来越多的设备制造商纷纷投入到TD-SCDMA产品的开发阵营中来。随着设备开发、现场试验的大规模开展,TD-SCDMA标准也必将得到进一步的验证和加强。1.2室内覆盖的意义随着移动通信的迅速发展和普及,城市规模的不断扩大,摩天大楼和地下设施的大量涌现,室内吸收了大部分的话务量。NTTDoCoMo的3G商用网络的最新业务统计数据显示(图1),在3G网络中室外的业务量(语音和数据)仅占整个网络业务的30.3%,而室内业务占整个网络业务的69.7%,这些场所主要
15、是办公楼、车站和家庭等(图2)。室外业务30.3室内业务69.7图1购物广场 4娱乐场所 4地下室 6餐厅 6家庭25车站26办公室29图2针对现在许多大城市高楼密集和建筑物内的移动用户较多的现状,单依靠室外宏蜂窝基站对其覆盖已经不能满足网络覆盖、容量和质量的要求。主要存在以下一些问题。(1)覆盖方面:3G工作在超短波频段,而且电波的绕射能力差,穿透损耗较大,导致网络的深层次覆盖存在着缺陷,产生信号的弱区或盲区,如在建筑物电梯间、地下停车场和地铁等。(2)容量方面:一些建筑物如超市、会议中心等,由于用户密度过大,CDMA网络用户底部噪声大大抬高,GSM拥塞严重,导致容量有限。(3)质量方面:由
16、于频率干扰、导频污染和乒乓效应等导致小区的信号不稳定,话音质量难以保证,甚至发生掉话。对运营商而言,大量使用室内覆盖系统,可以争夺室内的话务量,开拓新的话务量。据DoCoMo的统计,实施室内覆盖的建筑物内话务量增大了1.43倍。同时室内覆盖还可以用于分散过密地区的网络压力,解决高端用户密集城区覆盖问题,减少室外基站的数量和配置,降低室外网络的整体干扰水平,从而提高整个系统的容量,更好地满足用户对质量的要求,其性能的好坏将直接影响到运营商的客户体验及其收益,是其取得成功的关键因素之一。与3G其他制式的系统一样,TD-SCDMA在布网的过程中也无法回避室内覆盖的问题。同样受限于IMT-2000频段
17、无线电波的传播特性和建筑物的材质,仅仅室外的宏蜂窝基站无法保证充分覆盖,不可避免产生盲区。解决问题的最有效方法是引入室内分布系统。2 TD-SCDMA室内分布系统室内分布系统即针对建筑物内的移动用户,解决其通信网络覆盖的一种方案。利用室内分布系统将基站信号均匀地覆盖到室内盲区,以保证室内区域都拥有理想的信号覆盖。2.1室内分布系统的组成室内分布系统主要由三部分组成:信号源设备(微蜂窝、宏峰窝基站或室内直放站);室内布线及其相关设备(同轴电缆、光缆、泄漏电缆、电端机、光端机等);干线放大器、功分器、耦合器、室内天线等设备。在TD-SCDMA的室内分布系统的设计和建设过程中,应该根据覆盖的目标、服
18、务的类型、工程成本等方面的要求综合考虑,选取适当的信号源、元器件和传输介质等。2.1.1信号源通常可以选作为室内覆盖的信号源有宏蜂窝基站,微蜂窝基站和直放站等。(1)宏蜂窝基站直接采用室外的宏蜂窝基站作为信号源。在密集城区为了深度覆盖而采用该方式时,需要留出15dB20dB的穿透损耗余量,这部分的余量直接导致小区的半径缩小,站点数量增加。但是即便如此,室内覆盖的效果仍然较差,存在大量的覆盖盲区,另外严重的导频污染使用户接收多个强干扰,3G业务在室内达不到预期的使用效果。最重要的是其网络容量有限,接通率低。基站的发射功率很大一部分消耗在穿透损耗上,影响了系统的容量。它适用于建筑物的电磁密闭性较差
19、或建筑物较为稀疏而且话务量较低的场景。(2)微蜂窝基站采用独立的微蜂窝基站作为信号源,可以独立承载话务量,并且可以分担宏蜂窝小区的话务量。该方式虽然需要传输和供电设备,但是实施简单,无需机房资源,更重要的是能够提供更多的网络资源,信号稳定干净,抑制导频污染,可以灵活结合具体室内分布系统来实现室内覆盖。因此,该方式通常应用于面积较大或者人流比较大、话务量比较高的室内覆盖,如大型购物广场、候机厅等,但是建设的成本比较高。(3)直放站采用直放站作为信号源,分为空间直放站和光纤直放站两种。它只是通过直放站收发系统将室外的宏基站的信号引入到室内,共享基站的基带处理能力,并不增加系统的容量,适合在话务量不
20、高的室内环境中。稳定、信号质量好的信号源,可以使用空间直放站作为信号源,但是易受到周围的无线环境影响及宏基站的稳定性限制。相比之下光纤直放站能够解决以上的问题,但要受到光纤条件限制。直放站的优点是投资省、安装方便快捷,可以很快地解决信号弱和盲区问题。缺点是通过定向天线难以取得单一纯净的信号,系统的话音质量相对于蜂窝系统较差,且易造成对其他基站的干扰。直放站作为一种实现无线覆盖的辅助技术手段可以利用较少的投资和较短的周期,迅速扩大无线覆盖范围和解决盲区覆盖。对于TD-SCDMA系统,由于采用TDD模式上下行处于同一个频点的不同时隙,所以对其的发射端和接收端的隔离度、上下行发射的定时、与室外基站的
21、同步方面有较高的要求。直放站在放大转发上行信号过程中会增加信号的传输时延,对于信号质量有可能产生负面影响。对于TD-SCDMA系统中直放站的使用有待进一步研究。2.1.2室内布线和分布系统传输介质和分布系统作为室内覆盖系统的重要组成部分,主要有同轴电缆,光纤和泄漏电缆三种。(1)同轴电缆同轴电缆是最为常用的材料,其优点是性能稳定、造价便宜、设计方案灵活、易于维护和进行线路调整、工作频段合适、可以兼容多种制式的系统,但覆盖范围受同轴电缆的传输损耗的限制,传输保密性差。大型同轴电缆室内分布系统通常需要多个干线放大器作为信号的放大接力。(2)光纤光纤的路损较小,不加干线放大器也可以将信号送到多个区域
22、,保证足够的信号强度,性能稳定可靠,传输容量较大,易于设计和安装,可兼容多种移动通信系统。但是在建设的过程中需要增加专门的电转光,光转电设备,且依赖于远端供电。在TD-SCDMA室内分布系统中还有一个问题是光电互换时存在时延,需要在使用中引起注意。(3)泄漏电缆由导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波;外界的电磁场也可以通过槽孔感应到泄漏电缆内部并送到接收端。泄漏电缆提供的是功率低、辐射均匀的“雾状”覆盖。优点是信号强度均匀,缺点是较高的电缆传输损耗,需要较强的信号输入;安装技术要求较高,每隔1m就要求装一个挂钩,悬挂起来时电缆不能
23、贴着墙面,而且至少要与墙面保持2cm的距离,不但影响美观,而且价格是普通电缆的2倍。它多用于一些特殊场景下,因为普通天线无法实现较好的覆盖,如竖井,隧道,地铁等。2.1.3元器件和天线除了信号源,传输介质和分布系统之外,室内分布系统还需要功分器,耦合器,干线放大器和天线等器件。(1)功分器和耦合器主要有无源和有源(功分器和耦合器)两种器件,工作频段合适可以兼容多种制式的系统。采用无源器件的系统设备性能稳定,安全性高,维护简单,信号经过功分器,耦合器和线路损耗后,到达天线处的强度不同,覆盖的效果也不同。而有源系统的信号到达末端时被放大器放大,达到理想的强度,保证覆盖效果。例如一些大型商场,就需要
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