移动通信室内分布天线位置选择对其覆盖性能的影响

文 段萌 中国移动通信集团设计院有限公司北京分公司

现代化城市的快速发展导致城市的移动通信的无线传播环境复杂，尤其是很多高层建筑内各种材料对电磁波的穿透损耗较大，单一室外站点覆盖不能满足室内移动通信的需求，因此又产生了作为延伸覆盖的室内分布系统，本文在分析GSM及室分原理基础上，对现网部分区域的室内覆盖的测试分析，说明其室内覆盖中分布天线位置设计选择的重要性。

GSM网络是目前提供移动通信服务的主要网络，在高楼林立的大、中城市GSM网络主要由解决室外覆盖的室外宏站和补充室外覆盖不足、解决深度覆盖的室内分布系统组成，GSM网络发展到今天容量受限，可通过合理地重复利用这种不可多得的载频是增加网络容量，但通过现有网络运行发现部分室内分布系统的载频容量较低，如何有效利用网络载频资源提升其载频利用率？

本文结合对部分区域实际现网CQT呼叫拨打测试数据结果和移动通信原理的深入分析，给出室内分布系统种天线位置的设计选择的对网络质量及总体网络资源利用率的影响，以此证明传统的室内分布天线位置的选择设计方法改进的必要性，供实际工作参考。

GSM网络及其室内分布工作的原理

GSM网络是典型的第2代移动网络之一，由于其成熟的技术发展使其成为移动运营商承担手机客户业务的主选网络，其网络结构如下图1所示，由核心网、无线接入网组成，其核心网包括承载语音业务的MSC移动交换机和承载数据业务的SGSN设备组成，而无线网络由控制管理无线网络资源的BSC基站控制器、BTS基站设备和手机终端设备组成。

随着现代化城市的快速发展，大中城市愈来愈多大型高层建筑，且建筑物内的各种材料对电磁波的传播损耗较大 导致室外站点覆盖不能满足室内移动通信需求，因此现代通常采用如图2所示的室内分布系统。室内分布系统通常由信源、功分器、合路器、馈线、分布天线组成。室内天线小覆盖区域位置及其大小是影响该室内通信质量的主要因素之一，通常室内小区的覆盖通过上下行无线链路的预算预测其覆盖范围的大小，即手机所在的位置区域上下行的接收信号强度的大小是否在接收门限以上，而接收信号强度Prx大小由天线发送功率Ptx的大小减去各种损耗，包括路径损耗、天馈线损耗等其它损耗：

Prx = Ptx-路径损耗-其它各种损耗

通常室内无线信号的传输衰耗近似采用自由空间损耗公式，同时考虑到室内部分电波传播需穿越部分墙壁或楼层，其传输损耗公式如下：

其中：

f：使用频率，单位MHz

d：辐射天线和手机之间的距离，单位km

K：电波穿越的楼层数

Fk：楼层间的损耗，单位dB

P：电波穿越的墙壁数

Wk：墙壁损耗，单位dB

高层建筑内各种材料墙壁构成的障碍物及其相对位置的变化导致其无线传播环境较为复杂，下面是不同的墙壁材料对电波传播的统计经验值：

由上表可以看出，其金属的穿透损耗达到25dB，而水泥墙根据具体材料的不同其穿透损耗15～30dB。

图2 室内分布系统示意图

一般室内分布天线位置选择设计状况及实际测试结果分析

下面是某市区内一具有室内分布系统的高楼内第5层楼的室内分布信号及CQT呼叫拨打测试结果及其分析，该楼内的小区的CELLID为20926（BCCH35）：

第5层楼道内天线出口功率及其楼道内的实际接收信号强度如图3所示，由6个室内分布天线，且天线的出口功率包括位于0509房间大门外的天线出口功率都达到了大约-20dBm，其楼道内的接收信号强度最小也达到了-55dBm，根据相关电磁环保对人身健康影响规定其室内信号覆盖设计不能再增大了，否则引起人身健康问题。

由图3可知紧邻0509房间大门外有输出功率达-20dBm的天线，下面通过开门、关门测试结果对比分析，该天线对室内通信作用和室内移动业务的影响

0509房间开门测试结果分析：

由图4和图5可以看出，当开门测试时，扫频仪测量的各个BCCH载频的信号强度和手机测量的各个BCCH载频的信号强度大小一致反映出：

绝大多数时间室内信号远强于其邻区信号，手机开机时就选择驻留到室内小区，手机呼叫过程中，当手机处在个别位置时短暂的时间内信号虽然变弱，略低于其邻区，但由于切换控制参数中与时域相关的参数控制，并无切换到室外小区，充分利用室内小区资源。

0509房间关门测试结果分析：

当对位于图3中右上角的第5层楼内的0509房间关门测试，从图6中所示位置开机测试时的小区先选择到室内20926小区(BCCH35)但随着手机位置的移动，呼叫拨打中切换到BCCH526小区和BCCH28小区，所测室内BCCH35、BCCH526小区和BCCH28小区信号强度如下：

由图7可知，在关门情况下扫频仪测量的各个BCCH载频的信号强度和手机测量的各个BCCH载频的信号强度大小一致反映出：

测量的室内20926小区(BCCH35)接收信号强度基本上大于-80dBm，满足室内设计规范要求，根据根据相关电磁环保对人身健康影响规定其室内信号覆盖设计不能再增大了，否则引起人身健康问题。

在室内部分区域其室外邻区信号强度大，手机开机时虽然选择驻留到室内小区，随着手机位置移动，室内信号渐弱，手机呼叫过程中切换到其邻区，后来随着手机位置的移动即使室内小区的信号再次较强，由于切换控制参数的设置，也无切换回到室内小区通话。

0509房间的大门是金属门，通过实际测试对天线辐射到室内的穿透损耗达大约25dB。由上可知，尽管0509房间门外楼道内的布放有分布天线，且其发送功率已达到电磁环保的要求的上限，考虑到绿色电磁环保人身健康不能再加大其发送功率，但实际高层建筑内绝大多数的移动用户关门的情况下使用移动网络服务的，该天线的覆盖对于吸纳室内的业务量影响不大，进而引起室内资源不能充分利用，这种传统的天线位置布放设计有待于进一步改进，其分布天线应延伸到房间内，仅限于在楼道内或弱电井、楼梯内、电梯内规划设计布放设计天线不能真正提升整个移动网络的资源利用率。

图3 第5层楼道内分布天线出口功率及楼道内覆盖测试结果示意图

图4 0509房间开门CQT测试时的小区选择及切换状况示意图

图5 0509房间开门测试时扫频仪测的各个小区BCCH信号强度示意图

图6 0509房间关门且从位置2开机测试时的小区选择及切换状况示意图

图7 0509房间关门开机测试时手机测的各个小区BCCH信号强度示意图

结论

总之，天线位置的设计是室内分布系统设计中的主要内容之一，而传统的室内分布系统设计中为了覆盖房间内的移动业务区域通常将天线布放位置的选取通常都将天线位置布放到楼道这种方式，不能充分吸纳室内移动业务，室内移动业务占整个移动网络业务的70%，由此可见，为提升整体网络资源的利用率传统的室分设计中天线的布放位置的选区设计方式有待于改进。