四网协同中室内分布系统天线口功率的理论研究

刘靖，刘佳昕

(1 吉林吉大通信设计院股份有限公司， 长春 130012；2 中国移动通信集团吉林有限公司，长春 130000)

四网协同中室内分布系统天线口功率的理论研究

刘靖1，刘佳昕2

(1 吉林吉大通信设计院股份有限公司， 长春 130012；2 中国移动通信集团吉林有限公司，长春 130000)

如何在四网协同中改造现有或新建分布系统是重中之中的问题。主要介绍了四网协同中各系统天线口功率的基本计算方法，在已知各系统边缘场强的前提下，最终确定四网协同的天线口功率，为后续的分布系统设计方案提供了重要依据。

四网协同；分布系统；天线口功率；LTE

室内覆盖系统由信源、传输链路和用户设备组成，其中传输链路又由分布系统和空间链路组成。四网协同建设中的室外覆盖系统建设相对比较独立，每个系统有各自的天馈系统，而室内覆盖系统建设主要在封闭的环境中，需要几套系统合用一套分布系统。如何确定一套分布系统同时满足四网覆盖的需求，是亟待解决的问题，从而再考虑系统干扰、系统容量等的问题。本文分别从理论上计算2G、3G、WLAN及LTE的室内分布系统天线口功率，得出四网协同中的瓶颈，从而给出建设建议。

1 研究思路

四网协同中室分系统建设步骤：

（1） 确立覆盖目标，用户及业务类型；

（2） 根据需要提供的业务，选择分布系统的信源，话音业务用2G和3G网络承载，数据业务用LTE和WLAN网络承载；

（3） 室内分布系统设计；

（4） 网络建设；

（5） 网络的维护与优化。

分布系统设计的好与坏直接关乎到用户感知，可见四网协同建设中室内分布系统设计的重要性。分布系统设计中如何确定各系统的天线口功率和天线点位是设计的重点和难点。天线点位的确定由天线覆盖半径决定。天线口功率的确定需要同时满足各系统导频功率及边缘接收场强的要求。

如图1所示，在已知各系统边缘接收场强及导频功率的情况下，假设天线覆盖半径也已知，通过计算空间传输损耗，得到天线口导频信号；再根据各系统导频功率与总功率的关系，计算得到各系统的天线口总功率。最后根据总功率与天线口总功率的差值得出该系统分布系统最大允许传输损耗，为以后分布系统设计提供依据。

图1 LTE分布系统示意图

1.1 室内边缘接收场强

接收灵敏度是UE能够解调的最小场强，室内满足最小通信质量要求的接收场强称为室内边缘接收场强。室内边缘接收场强可总结成公式（1）表示。

MinRxLev=SensitivityUE+SlowFading+ Interference Margin+OutdoorToIndoor （1)

其中：OutdoorToIndoor是室内到室外的最小隔离度。

由公式（1）可知，室内边缘接收场强与信源的发射功率无关，与UE的接收灵敏度，慢衰落及系统余量有关。

室内边缘接收场不宜设置过高，如果过高，就会引起系统性能的下降，会在室内外覆盖交叠处如窗口、建筑物入口等处接入失败、切换失败及掉话现象。在四网协同建设中，各系统的室内覆盖的边缘接收场强要求均为已知。

1.2 室内分布系统传播模型

室内分布系统传播模型可以采用目前推荐使用的是ITU-R P.1238室内NLOS传播模型进行验证。室内NLOS传播模型见公式（2）。

其中：f为频率；N为距离损耗系数；d为天线覆盖距离；BPL为墙体穿透损耗；LNFmarg为室内链路余量，包括SlowFading和干扰余量。

假设天线覆盖半径为8 m，室内链路余量为5 dB，可以计算各系统的空间传播损耗。

1.3 室内分布系统最大允许传输损耗

室内分布系统最大允许传输损耗可以用以下公式（3）计算。

其中：G1antenna为信号源侧天线增益；G2antenna为UE侧天线增益。

如果已知室内分布单天线覆盖半径，就可以根据室内传播模型计算出空间传播损耗，再基于系统控制信道的发射功率、已知系统边缘接收场强和系统余量就能估算出室内分布系统最大允许传输损耗。

2 各系统室内分布天线口功率的计算

下面分别计算室内分布中各系统的天线口功率，得到各系统的MATL。

2.1 GSM系统室内分布天线口功率的计算

GSM系统在进行功率规划时，是以BCCH功率作为参考功率进行规划的，即P总=PBCCH。已知GSM系统边缘场强要求：PBCCH≥-85 dBm。假设办公室场景，空间传播环境穿越n=1面墙，天线传播距离d=8 m。

由公式（2），当f=900 MHz时，N取33，BPL取9 dB，LNFmarg取5 dB，则L900≈ 73 dB；当f=1800 MHz时，N取30，BPL取15 dB，LNFmarg取5 dB，则L1800≈ 85 dB。

假设G1antenna=G2antenna=2 dBi，则天线口功率P'，当f=900 MHz时，P'900≥-12 dBm；当f=1800 MHz时，P'1800≥0 dBm.。

由于GSM双通道设备单通道机顶功率可达到46 dBm，单小区最小配置2载频，则每载波功率最大为43 dBm。由公式（3），当f=900 MHz时，MATL900=43-(-12)= 55 dB；当f=1800 MHz时，MATL1800=43-0=43 dB。

2.2 3G系统室内分布天线口功率的计算

2．2．1 TD-SCDMA系统室内分布天线口功率的计算

TD-SCDMA室分系统在进行功率规划时，是以P-CCPCH功率作为参考进行规划的。

以某厂家设备为例，单通道单小区3载频RRU，TS0最大发射功率为5W，即37 dBm。

TS0时隙组成为：2个码道P-CCPCH、1个码道FPACH、4个码道S-CCPCH和2个码道PICH，则单载频单码道功率为PBRU=37-10lg3-10lg9≈23 dBm，故PP-CCPCH=23+3=26 dBm。

从总功率角度，推导的P-CCPCH功率还要满足链路上下行平衡的要求。UE最大发射功率为24 dBm，考虑系统余量，取定TD-SCDMA室分双码道P-CCPCH功率最大为26 dBm。

已知TD-SCDMA系统边缘场强要求：PP-CCPCH≥-85 dBm。

假设办公室场景，空间传播环境穿越n=1面墙，天线传播距离d=8 m。

由公式（2），当f=2100 MHz时，N取30，BPL取15 dB，LNFmarg取5 dB，则LTD-SCDMA≈ 86 dB。

假设G1antenna=G2antenna=2 dBi，则天线口功率P'P-CCPCH≥1 dBm。那么天线口总功率P'TD-SCDMA≥12 dBm。

由公式（3），MATLTD-SCDMA=37-12=25 dB。

2．2．2 FDD系统室内分布天线口功率的计算

3G 基站（Node B）功率分配：（最大总功率 20 W）

（1） 导频信道功率占总功率10%（2 W）；

（2） 主同步、从同步信道及其它控制信道占总功率10% （2 W）；

（3） 业务信道占总功率80%（16 W）。

3G FDD系统功率规划时，是以Ec功率作为参考功率进行规划的。

已知3G FDD系统边缘场强要求：PEc≥-85 dBm。

假设办公室场景，空间传播环境穿越n=1面墙，天线传播距离d=8 m。

由公式（2），当f=2100 MHz时，N取30，BPL取15 dB，LNFmarg取5 dB，则LWC≈ 86 dB。

假 设G1antenna=G2antenna=2 dBi， 则 天 线口 功率P'Ec≥1 dBm。那么天线口总功率P'WC≥11 dBm。

由公式（3），MATLWC=43-11=32 dB。

2.3 WLAN系统室内分布系统天线口功率的计算

WLAN系统属于以太网技术的无线延伸，空口采用802.11协议。802.11协议所处网络层面：主要工作在ISO协议的最低两层上，并在物理层上进行了一些改动，加入了高速数字传输的特性和连接的稳定性。WLAN系统的无线数据分组，不同于普通IP数据分组，分组头和数据分组均可变。WLAN系统发射功率即为频点功率。

已知WLAN系统边缘场强要求：PWLAN≥-75 dBm。

假设办公室场景，空间传播环境穿越n=1面墙，天线传播距离d=8 m。

由公式（2），当f=2400 MHz时，N取30，BPL取14 dB，LNFmarg取5 dB，则LWLAN≈ 86 dB。

假设G1antenna=G2antenna=2 dBi，则天线口总功率P'WLAN≥11 dBm。

已知WLAN系统单AP输出功率为500 mw，由公式（3），MATLWLAN=27-11=16 dB。

2.4 LTE系统室内分布系统天线口功率的计算

LTE无论是TDD还是FDD，功率规划方法相似。通过设置单RE的功率，即CRS，来达到上下行链路能够达到平衡，公共信道和业务信道能够达到平衡，既能够保证覆盖，又能够降低干扰，保证容量和覆盖平衡。另外，尽量使TypeA符号和TypeB符号上的数据RE功率相等，那么TypeA和TypeB符号上的总功率才能尽量相等，功率利用率尽量高。

CRS与单通道发射功率由如下关系：

以TD-LTE室内分布为例，LTE带宽20 MHz，需要RB的数量为100，即NRB=100；在E频段应用的情况下单path的功率可以设置为20 W，即PsingleAntenna= 43 dBm；并且在单path的情况，PB设置为0。

由公式(4），得到CRS的功率最大可以设置为12.2 dBm。

DL_RS_Power=PsingleAntenna+10×lg(1+PB)-10× lg(12×NRB)=43+0-30.8=12.2 dBm

已知LTE系统边缘场强要求：PRSRP≥-105 dBm。

假设办公室场景，空间传播环境穿越n=1面墙，天线传播距离d=8 m。

由公式（2），当f=2400 MHz时，N取30，BPL取14 dB，LNFmarg取5 dB，则LLTE≈ 86 dB。

假设G1antenna=G2antenna=2 dBi，则天线口功率P'RSRP≥-19 dBm。那么根据公式（4），得到天线口总功率P'LTE= 10.8 dBm

由公式（3），MATLLTE=43-11=32 dB。

3 四网协同中室内分布系统天线口功率瓶颈分析

根据上述计算，可总结出表1所示。

如果四个系统或更多系统要建设在一个分布系统中，WLAN系统和其他系统隔离度优先考虑，如果是合路方式建设WLAN，如高校覆盖场景下，WLAN系统最大允许传输损耗最小不允许和其他合路一起前端合路，会影响其他系统覆盖效果。

除了满足各系统最大允许传输损耗，还需要满足国家关于《电磁辐射防护规定》（GB 8702-1988）中相关内容。《电磁辐射防护规定》规定中对于一个辐射体发射几种频率或存在多个辐射体时，其电磁辐射场的场量参数在任意连续6 min内的平均值之和，应满足公式（5）：

式中：Aij第i个辐射体j频段辐射的发射水平；Bij对应于j泼动的电磁辐射所规定的照射限值。

另外《电磁辐射防护规定》规定中对于输出功率等于和小于15 W的移动式无线电通讯设备免于管理。

在四网协调室分系统建设中，研究一面天线满足公式（5）即可满足《电磁辐射防护规定》要求。即i=1，j指四网系统，Bij均为规定中的15 W（约41.8 dBm），则根据四网天线口功率，一面天线口电磁辐射为：

从上面的计算结果可以看出，一面天线口发射满足电磁辐射要求。

现在建设单位在四网协同室分建设中最大的瓶颈问题是：

表1 四网协同中室内分布系统参数表

由于四网协同中室内分布系统公用一套分布系统，在没有LTE的时候，往往都是在满足一种制式的室内分布结构中合路多种其他制式，需要大量的改造；再加上容量的测算，扩容的整改；满足各制式隔离度的要求的改造；已经经过了几年建设的原有分布系统已经千疮百孔了，这个时候再合路LTE信号，以上阐述的工作需要重新做一遍，关键是原有分布系统能否再经得起改造。

4 四网协同中室内分布系统建设的建议

在满足覆盖，容量及隔离度的要求下，由表 3可以看出，在相同覆盖半径的前提下，MATL大小为：

MATLWLAN＜ MATLTD-SCDMA＜MATLLTE(WC)＜MATLGSM

在新建两套分布系统的时候，WLAN系统与GSM系统合路，并且GSM系统信源总功率要减小，再合路LTE信号；另外一条系统在满足TD-SCDMA覆盖的同时，合路LTE信号。

如果是合路原有的分布系统，新建一套的话，需要先改造原有系统。满足最小MATL系统要求，降低较大MATL系统信源总功率；新建的一套分布系统一定要匹配改造后的原有系统。

只是简单合路现有分布系统，需要改造原有系统。满足最小MATL系统要求，降低较大MATL系统信源总功率。

另外，LTE可以和FDD 3G系统直接合路使用。

5 总结

本文系统的介绍了四网协同中室内分布系统通过边缘场强，链路测算，导出天线口功率，再结合信源总功率，从而得到各系统最大允许传输损耗（MATL）。MATL可以为以后的室分设计，及后续的改造设计提供理论依据。一个合理的室内设计是需要满足每个系统的每条传输损耗都要小于各自系统的MATL，并且通过控制各信源总功率，达到每一个天线每一种制式的覆盖半径相同。

The oretical study on the export power of antenna port in the indoor distribution system of the four network collaboration

LIU Jing1, LIU Jia-xin2
(1 Jilin Jlu Communication Design Institute Co., Ltd., Changchun 130012, China; 2 China Mobile Group Jilin Co., Ltd., Changchun 130000, China)

How to rebuild the current and new indoor distribution system in the four network collaboration surrounds is our focus. This paper mainly introduces the basic calculation method of the antenna port power of the four network collaboration system. With the known edge f eld intensity, ultimately get the power of antenna port of the four network coordination system, which provides a important theory basis for the design of indoor distribution system ..

four network collaboration; distribution system; export power of antenna port; LTE

TN929.5

A

1008-5599（2014）10-0048-05

2014-09-02