基于WCDMA室内分布系统的设计研究

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摘要
本文介绍了WCDNA室内分布系统在蜂窝移动通信工程中的设计与应用，从室外到室内描述了WCDMA网络的现状，并且介绍了无线信号在传输过程中的衰落现象。

通过对建筑物内从低层到高层电磁环境的描述，分析了室内的“孤岛”、“乒乓”和盲区等现象。

通过对楼内场强进行现场DT测试，归纳出了信号在室内覆盖的薄弱环节，并由此对边缘场强进行了分析，确定了边缘天线的安装位置；在选择覆盖方案的过程中，介绍了各种信号源的使用环境，针对各个场所内的电磁环境、场所的结构、楼层高度等各自不同的特点，业主对覆盖提出的不同要求，确定信号源的类型；对天馈分布系统、光纤分布系统等几种分布方式进行了比较，确定了该覆盖场所所适用的方式：通过一系列的方案组合，对几个不同的方案，根据楼域的结构以及业主的要求进行改进，归纳出了最终所采用的方案，由此确定了天线、元器件、干线放大器等的布放位置。

在室内覆盖完成以后，势必会改变大网原有的覆盖情况，将对大网产生一定的负面影响，本文对信号的泄漏问题进行了分析，通过对边缘场强的计算和楼内的结构，提出了避免泄露的方法：分析了对所选用的宏基站呼损率所可能产生的影响并提出了解决的方法；从质差掉话、弱信号掉话、切换掉话三个方面提出了室内覆盖对基站掉话率产生的影响，并归纳出了产生以上三种掉话的原因以及在工程设计中应该注意的问题。

提出在室内和室外同一导频信号之间会产生切换，原则上规定，进入室内就要用室内的信号，本文针对这个问题，归纳出了切换的控制和实现平滑过渡的方法。

为今后的工作，打下了良好的基础。

关键词：WCDMA；蜂窝移动通信；直放站；室内分布系统
目录
1 绪论 (1)
2室内覆盖背景和意义 (2)
2.1移动通信现状和发展 (2)
2.2室内移动通信网络现状 (2)
2.3室内分布系统常见问题 (3)
2.4建设室内覆盖系统的意义和重要性 (4)
2.5 WCDMA室内覆盖规划建设原则 (5)
3室内分布天线系统 (6)
3.1室内分布天线系统概述 (6)
3.2室内覆盖系统原理 (6)
4 信号覆盖分
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析 (14)
4.1 传播的主要特征 (16)
4.2 信号的传输衰落 (16)
4.3建筑物内电磁环境的分析 (17)
4.4 影响通信的不利效应 (19)
4.5室内覆盖系统对大网影响分析 (20)
4.5.1 对基站呼损率的影响 (20)
4.5.2 对基站掉话率的影响 (20)
4.6 室内、外切换问题的分析 (21)
4.6.1 问题的提出 (21)
4.6.2 切换的控制 (22)
4.6.3 切换区掉话分析 (22)
4.7直放站收、发天线之间的隔离距离 (23)
5沈阳二十一世纪大厦室内覆盖系统方案设计 (25)
5.1 工程概况 (25)
5.1.1沈阳二十一世纪大厦简介 (25)
5.1.2 GSM室内分布覆盖现状 (26)
5.2系统改造思路 (26)
5.2.1 改造设计目的 (26)
5.2.2 改造设计依据 (26)
5.2.3 改造设计原则 (27)
5.3改造设计难点 (27)
5.3.1 天馈系统的合理布置 (27)
5.3.2 内部软切换区域规划 (28)
5.3.3 信号泄露控制 (29)
5.3.4 系统扩容等其他情况分析 (30)
5.4改造设计技术指标 (30)
5.5工程实施方案说明 (30)
5.5.1 有源设备的改造 (30)
5.5.2 施工规范 (31)
5.6改造方案可行性分析 (33)
5.6.1 GSM覆盖分析 (33)
5.6.2 WCDMA覆盖分析 (34)
5.6.3 系统干扰分析 (35)
5.6.4 设备利用率分析 (35)
5.6.5 系统设计成本优势的分析 (35)
6 沈阳二十一世纪大厦GSM兼容WCDMA改造 (37)
6.13G室内覆盖原则 (37)
6.2 信号源和室内分布系统的考虑 (37)
6.3 沈阳二十一世纪大厦室内分布系统示意图 (38)
结论 (56)
致谢 (57)
参考文献 (58)
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1 绪论
本章主要对WCDMA网络和其关键技术做了简单的介绍，并提出了WCDMA网络室内规划的方法和流程。

通过对目前市场背景、技术能力、用户需求等方面的分析说明了室内网络规划的重要性。

且在本章的最后对论文的主要内容作了简单的概述。

随着移动通信的飞速发展，手机等无线通信设备已经成为人们不可缺少的现代化通信工具，移动通信的业务也从传统的话音扩展到数据，图像，视频等多媒体业务，尤其是即将到来的第三代移动通信技术，将使移动通信的内容更加丰富多彩。

人们也早已不再满足于只有室外的移动通信服务，比如在大型建筑物，尤其是人口密度大，话务量繁忙，如酒店，商务，商贸中心等地区，人们也希望能享受优质高速的室内移动通信业务，这对移动通信系统的性能提出了更高的要求。

为了满足不断增长的用户要求，提高运营商的公众声望，各个运营商在不断扩容的同时，都在追求全服务区的无缝覆盖。

因为移动通信的业务都是通过无线接入技术承载的，无线链路的质量影响着整个网络的质量，同时影响系统的容量和业务的开展。

鉴于移动通信复杂的电波传播特性，解决信道的多径衰落，噪声和干扰等无线射频问题是移动通信技术的关键[1]。

无线射频信号的优化对网络无缝覆盖具有非常重要的意义。

城市向来是移动通信业务热点地区，由于人口密度大，电磁环境恶劣，加之如雨后春笋班的大型建筑的不断涌现，给网络无缝覆盖带来了困难。

无线电波的传播易受地形，建筑结构等因素影响，往往造成大型建筑内信号难以满足要求，无论是现有的GSM还是CDMA系统，其穿透能力都比较弱，尤其是小灵通和3G系统，其信号穿透能力更弱。

因此，室外基站覆盖信号在室内会存在接收不稳定及在地面下范围无法接受的问题。

同时，大量现代化的建筑物由于容量的原因更不能靠室外的基站信号覆盖。

例如，在大型建筑物的底层，地下商场，地下停车场等地区，移动通信信号弱，手机等无线设备无法正常使用，形成了移动通信的盲区和阴影区；在中间楼层，由于来自周围不同基站信号的重叠，产生乒乓效应，手机切换频繁，甚至掉话，严重影响了手机的正常使用；在建筑物的高层，由于受基站天线高度的限制，无法正常覆盖，也是移动通信的盲区。

另外，在有些建筑物内，虽然手机能够正常通话，但是由于用户密度大，基站信道拥挤，手机上线困难。

因此解决好室内信号覆盖，满足用户需求，提高网络覆盖质量，已经变得越来越重要，也成为网络优化的一个重点[2]。

以上所列举的问题都可以采用室内覆盖技术来解决。

1
2室内覆盖背景和意义
2.1 室内移动通信网络现状
室内覆盖问题从广义上来讲，不仅仅是对室内盲区的改善，同时也应包括对室内移动通信话音质量、网络质量、系统容量的改善。

除了对诸如地下室等屏蔽性地方信号的引入外，同时也应对室内高层部分因接受到来自多方向的杂乱不稳定信号引起的容易掉话、断线、切换不成功等方面进行改善。

同时，还应解决室内话务及拥塞问题，因此，建设室内覆盖系统具有良好的社会效应和经济效益。

一方面，室内覆盖的改善对于扩大覆盖，提高质量，提高接通率，减少弱信号断线，提高网络指标，增加业务量有很大的帮助。

另一方面，室内覆盖也作为一种扩容手段，在分担室外话务，增加网络容量，使室内话务在室内吸收，减少同频干扰起很大作用。

同时，室内覆盖的改善，对于提高运营商的形象，为用户提供更好更完美的随时随地通信服务，提高竞争力，增加市场占有率具有很大的意义。

随着移动通信事业的快速发展，信息社会的发展导致大量人群集中于室内进行各种活动，通信无处不在的理念深入人心，人们对室内移动通信网络的要求越来越高。

在一些大型商场、餐厅、会议室等场所，人群密集，移动电话用户相对集中，使移动电话试呼次数明显增多，呼叫接通困难，形成话务“ 热点”。

在许多大型宾馆、写字楼以及交通隧道、地下停车场、电梯等区域，由于建筑物的墙壁阻挡、室内结构等原因造成室内信号覆盖不均匀或覆盖不到，形成话务“盲点”。

高层建筑常常出现“乒乓效应”，造成切换频繁、接通率低、掉话率高、通话质量差等现象。

2.2室内分布系统常见问题
网在大型建筑物中主要存在的问题是盲区、阴影效应、同频干扰、邻频干扰等问题。

盲区是由于建筑群自身的屏蔽和吸收作用，造成了无线电波的空间传输损耗，形成的无线信号覆盖的弱场强区甚至无信号[4]。

移动台在运动中，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。

在G网的网络规划中，相邻小区不能使用相同的频率，而在密集的城市中，基站之间的距离只有一公里左右，甚至是几百米，这势必会引入对其他小区信道的同频或者邻频之间的干扰，导致底噪声的增加，即使室内信号场强达到要求基站和手机也都无法解调信号，无法正常通话。

2
相比之下，CDMA网络存在的问题较多。

CDMA是码分多址(code division multiple access)的英文简写[5]。

所谓码分多址，就是每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里。

在接收机里，信号用相关器加以分离，这种相关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱，反不符合该用户二进制序列的信号就不能被压缩其带宽。

结果只有有用信号的信息才被识别和提取出来。

简单的说，码分多址技术是一种数字扩频技术，采用1.23Mhz的无线载波间隔，多个用户可同时占用1.23Mhz无线载波，同一载波资源内不同用户的不同用户通过分配不同的码区分，相同的载波能在相邻的小区或扇区使用。

扩频技术就是将信息的频谱展宽后进行传输的技术。

其理论基础是；在白噪声干扰
log(1＋S/N)，B为信道带宽，S为信号平均功率，N为噪声平条件下，信道容量C=B×
2
均功率，由此可见，在信道容量C不变的情况下，信道带宽B与信噪比S/N完全可以互相交换，可以通过增大传输系统的带宽在较低信噪比的条件下或得比较满意的传输质量。

CDMA的前向链路有3类控制信道；导频信道，同步信道，寻呼信道。

导频信道，又称导频，它在CDMA前向信道上市不停的发射。

它用于使所有的在基站覆盖区中工作的移动台进行同步和切换。

同步信道所载的信息允许移动台确定系统时间与基站导频偏置，为系统接入做准备，移动台用它来或得初始的时间同步。

寻呼信道，每个基站有一条或n条寻呼信道，当有输入寻呼时，寻呼信道广播移动台的识别码。

CDMA系统中主要问题是导频污染、阻塞和远近效应。

在高层建筑的高层和顶部，电磁环境开放，手机可以收到多个功率近似的信号，信号杂，形成严重导频污染问题，以至于出现大量通话质量差、掉话和主叫困难等问题。

同时，由于导频污染严重，软切换比率升高，造成严重的系统资源浪费。

阻塞主要是在大型购物商场、会展中心等高层建筑内，移动用户密度过大，系统的低噪声过大，造成系统容量暂时减小，个别地点网络容量不能满足用户需求，进而会导致信道或者功率的阻塞现象。

阻塞也室内网络优化工作中遇到的比较普遍的问题。

由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是在随机的变化，若各用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离基站近信号强，离基站远信号弱。

通信系统的非线性则进一步加重，出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。

因为CDMA是一个自干扰系统，所有用户共同使用同一频率，所以“远近效应”问题更加突出。

2.3建设室内覆盖系统的意义和重要性
3
用户方面，随着移动通信工具的普及，室内吸收了大部分的话务量。

根据DoCoMO(日本电报电话公司的手机公司)的最新统计，室内场所吸收了将近70%的话务量，这些场所主要是办公楼、车站和家庭等。

从目前的ZG/2.5G网络运营经验可知，移动用户的6既也分布在室内。

市场方面，2G的无缝室内覆盖，已经让用户有了切身的感受，如果3G 还达不到2G的覆盖水平，那么用户对其使用的热情会迅速冷却。

根据已经运营3G国
家的经验，以及从我国国情出发，3G业务将首先在具有市场潜力的地方得到应用，如大城市的中心区、商业区或者机场、宾馆、地铁等这样的人流密集区域。

务方面，3G会带来丰富多彩的业务应用，如视频电话、游戏、MMS、Web等，而这些业务需要高容量和高QoS的保障;由于室内的环境更加舒适(相对于室外)，在室内处于等待状态和通话状态的用户居多，因此室内使用3G业务将成为主流。

技术方面，在室内环境下拥有较高的数据业务，而室内站点可以吸收室外站点的话务量;高楼层干扰容易导致话音质量下降和容量减少，而室内站可以降低容量减少的损失;室外宏站正交性的下降可以导致容量下降，而室内站能够提供更高的正交性，提高室外宏站的小区容量，降低小区的呼吸效应。

就以上几方面而言，室内覆盖对3G来讲有着举足轻重的作用，而且在现有网络覆盖情况已经比较完善的情况下，只有3G具有更完善的网络覆盖，这样用户才会考虑使用3G网络。

对运营商而言，通过建设3G室内分布，可以争夺室内话务量，开拓新的话务量。

(据DoCoM。

的统计，在实施了室内覆盖的建筑物内话务量增大了1.43倍。

)此外，室内覆盖还可以分散过密地区的话务量，从而减轻室外基站的压力，降低室外基站的数目和配置。

从网络容量来看，室内覆盖也降低了室外系统的负荷，由于3G自干扰的特性，也就降低了室外网络整体干扰水平，从而提高了整个系统的容量。

因此室内覆盖对于3G网络的建设具有至关重要的作用随着通信网络的不断的完善，用户对服务质量的要求也随之提高，人们希望在任何时候、任何地点都能通话。

但是在一些公共场所人员流动比较大，业务量较多，通话频率比较高，由于建筑物的密封性较好，楼层较多，面积较大，结构以及周围环境的复杂多变，造成周围基站在室内的穿透能力较差，在室内很多地方信号很弱，高层切换频繁，通话时断时续，这样给手机用户造成极大的不便，话务量的损失不仅减少了话费收入，更重要的是降低了运营商的形象。

因此，做好室内覆盖系统是移动通信运营商急需解决的一项重要工作。

室内信号的改善可扩大无线覆盖范围，改善通话质量，提高接通率，减少弱信号引起的断线、掉话，增加业务量。

用户在建筑物内使用移动电话的机会日益增加，室内覆
4
盖系统可有效吸收话务量，从而运营商能较快地回收投资。

为用户提供更好的室内网络服务质量，必将赢得更多的用户，树立运营商良好的服务形象。

室内无线网络的建设呈现迅猛的发展势头，并已成为今后各运营商进行网络优化的重点。

2.4 WCDMA室内覆盖规划建设原则
WCDMA系统与GSM在使用频段、编码技术等方面有所不同，故WCDMA室内覆盖有一些新特点。

WCDMA室内覆盖需对覆盖、容量、质量进行统一规划，而GSM系统只需考虑室内场强信号水平满足用户接入电平要求，网络质量可通过后期频率规划进行调整。

由于各种业务链路损耗不同，WCDMA系统还要考虑用户的业务需求，根据业务发展预测进行室内覆盖规划。

在进行室内分布时，站点规划与室外规划要协调统一。

另外，WCDMA室内覆盖还要重点考虑和GSM系统、PHS系统及集群系统之间的相互干扰问题。

WCDMA室内覆盖规划需遵守以下几个原则。

第一是统一性原则。

包括室内室外站点规划、设计的统一，在建设室内覆盖时要考虑室外信号的影响，同时也要考虑到室内覆盖对室外干扰水平的提升。

第二是差异性原则。

由于网络建设受到投资的限制，不可能盲目地加大室内覆盖，要以用户满意度为衡量标准，制定不同的质量目标。

有的地方能够接受覆盖盲点的情况下，可以在建设策略和建设阶段上进行调整。

第三是经济性原则。

对于一个特定的建筑物而言，室内覆盖解决方案可能有多种的选择，不能单纯地为了追求技术上的完善盲目扩大投资，但是也同样不能为了节省投资而选择并不适合的室内覆盖方案。

3室内分布天线系统
3.1 室内分布天线系统概述
室内分布天线系统是室内覆盖系统的重要组成部分，通过在建筑物内各个区域布放线缆及安装天线(或泄漏电缆)，使信号均匀地分布在各区域，消除信号盲点。

室内分布天线系统支持射频信号的透明传输，并使射频信号按规定的路径(传输介质)分配、发射和接收。

从而有效地解决热点、盲点、切换等问题，实现任何时候、任何人、任何地方的移动通信。

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室内天线分布系统应用非常广泛，大型酒店、宾馆、大型商场、高层写字楼、大型餐馆、娱乐场所、会议中心、隧道、地铁、地下停车场、机场等场所都可以应用。

同时，繁华街区、高速公路也可用该系统加以解决。

3.2 室内覆盖系统原理
室内覆盖系统的使用的最主要的设备是直放站，直放站实际上就是一个双工放大器，通过放大基站的上下行链路信号来提高链路余量。

直放站的用途有两方面；一是在不需要扩大网络容量的前提下扩大网络覆盖，提高容量的利用率；二是在信号穿透不到的地方精心信号覆盖。

直放站可以扩大服务范围，消除覆盖盲区，如高山，建筑，树林等阻挡物而形成的信号盲区；在郊区增强场强，扩大郊区的覆盖范围；沿高速公路架设，增加覆盖效率；解决室内覆盖，如大型建筑物内的信号盲区、地下商城、地铁、隧道等信号盲区；将空闲基站的信号引到繁忙基站的覆盖区内，实现疏忙；覆盖其他因屏蔽不能使信号直接穿透的区域等。

直放站可以分为室外型直放站和室内型直放站，室外型直放站又分为室外型无线宽带射频式直放站、室外型无线载波选频式直放站、室外型光纤直放站、室外移频直放站四类。

室内型直放站分为室内型无线宽带直放站和室内型无线选频直放站两类。

对设备的选择主要依据是工程现场的电磁环境、建筑地形结构以及工程规模，从其性能、造价、可行性作最合理的选择[6]。

直放站的有其自身的工作流程，选取符合规范要求的合格产品，加上正确的设计是确保大城市直放站的正确引入的重要因素，以图3.1直放站工程实施流程图为线索介绍如何正确设计及安装调试直放站。

首先是现场勘察及电平测试，在进行现场勘察前，我们必须对网络有一个全面的了解。

主要是全网各基站位置、使用频率及拟装直放站位置。

勘察时必须了解的内容有；周围环境及电波传播环境，用TEMS或其他测试手机测试所能收到的所有信号电平，并通过当地最新的基站频率分布图和基站情况表示各信号的方向、所在基站名、小区号、载波数、跳频方式等。

确定直放站要求覆盖范围，测试可能引起干扰程度。

选取施主小区和安装地点，在清楚了解以上内容后，就可以选取施主小区和安装地点，对于室外直放站，一般选取信号最强(一般要大于-75dbm)、基站在目视范围内(直射波)、且周围基站信号较弱的基站小区做施主小区；若原定安装地点无法选取到较理想的施主小区，天线又无法找到合适的安装位置，则需要考虑另选地点。

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图3.1直放站工程实施流程图
直放站的选择是工程方案设计的重点，它不但影响工程的覆盖效果，而且还影响到整个工程的造价。

所以说，工程的前期勘测是合理选择直放站基础，合理的方案布局也能影响到设备的选择，下面就分析几种常见的方案系统。

3.2.1 有源天线分布系统
室内覆盖有源天线分布系统即使用小直径同轴电缆作为信号传输路径，利用多个小功率放大器对线路损耗进行补偿，再经天线对室内各区域进行覆盖，从而克服了无源天线分布系统因布线距离过长而线路损耗过大的问题。

由于干线放大器、线路放大器等均需提供电源，所以称为有源天线分布系统。

干线放大器是有源天线分布系统的重要组成部分，它用于室内分布系统中补偿无源器件的插入损耗和馈线的传输损耗，用于室内传输干线的功率放大[7]，可有效的补偿GSM 微蜂窝分布干线的信号损耗。

对设备要求苛刻，杂波要低，噪声系数要小。

在上下行支路应具有低电平告警功能，可以实时监控上下行通路是否正常，可以选择监控模块，实现系统远程监控和本地监控。

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干线放大器通过馈线，耦合器接受基站下行信号，经过双工器将下行信号送监控功放进行宽频段放大，再经过低损耗高隔离度双工器送至天线分布系统，用户的上行信号经分布天线系统经双工器送至监控低噪放进行宽频带放大，将放大的上行信号经过双工器再通过馈线，耦合器送至基站，从而实现整个系统的分布。

3.2.2 光纤天线分布系统
室内覆盖光纤天线分布系统即把基站或微蜂窝直接耦合的信号转换为光信号，利用光纤传输到建筑物的各个区域，再把光信号转换为电信号，经放大器放大后通过天线对室内各区域进行覆盖，从而克服了无源天线分布系统因布线距离过长而线路损耗过大的问题。

该系统适用于布线困难且垂直布线距离太长的大型建筑物的室内覆盖。

系统有四个单元组成：主机单元、光纤、光功分和合路器单元、远端单元。

主机单元完成与基站信号的电平适配，以及下行RF信号的光调制功能和上行光信号的光电转换功能。

光纤用于信号传输。

光功分和合路器完成光信号的分路和合路。

远端单元对上下行信号进行电光或者光电转换和射频功率放大。

室内覆盖光纤天线分布系统原理如图3.3。

光纤分布系统由基站一侧的近端机及覆盖区的远端机两部分组成。

基站的下行射频信号通过耦合器进入光近端机，经过双工器送至光模块进行光调制，转换成相应的下行信号，再经过光纤传输至远端机。

光远端机的光模块将信号转换成相应的下行射频信号，再经过功率放大器放大后，经双工器输出送至市内分布系统天线，对覆盖区进行覆盖。

手机的上行射频信号由室内分布系统天线接收送至光远端机，经低噪放放大器放大后，经光模块进行光解调，通过光纤传输至光近端机。

光远端机将信号传送至基站，完成上下行链路的畅通。

可不考虑信号长距离传输衰减问题，无须在建筑物内安放长距离的电缆，安装方便；缺点是因光电器件较为昂贵而使系统的总造价太高，同时光纤可弯曲性差，易折断，给施工造成一定难度。

3.2.3无源天线分布系统
室内覆盖无源天线[8]分布系统即；基站或微蜂窝信号源通过耦合器、功分器、接头
8。