室内分布系统天线功率优化方案研究

梁童，赵培，胡凯（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

室内分布系统天线功率优化方案研究

梁童，赵培，胡凯
（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

在室内分布系统设计中，如何能够根据不同场景的覆盖需求选择最佳的方案一直是困扰设计人员的一大难题。本文提出了一种基于覆盖需求的室内分布系统设计优化方案，能够根据不同天线点的实际需求自由进行设计方案优化。该方案已经集成到中国移动设计院自主研发的先进室内设计平台（AIDP）中，本文将AIDP软件的优化结果与业内常用工具的优化结果进行了对比分析，充分验证了该方案在天线功率设置灵活性、优化结果准确性等方面的优势。

室分设计；系统图；无线功率；优化方案

1 引言

目前，大部分的话务量发生在室内环境，因此提升室内通信覆盖的质量成为网络优化的重点。由于室内无线环境较为复杂，尤其是在一些高层建筑或在一些建筑物比较密集的复杂环境下，经常会存在蜂窝阴影区与信号盲区，有时由于受到来自周围不同基站无线电磁波的辐射，使得手机频繁在不同的信道之间切换，产生“乒乓效应”。因此，通过对室内进行覆盖来实现对室内的移动通信网络的常规优化，建立室内分布系统是最常用的优化原则。

传统室内分布系统是目前室内覆盖的重点方式，为保证室内覆盖质量，同时不对室外小区产生干扰，就要求室内分布系统的信号既要尽量均匀的覆盖整个建筑物的内部，同时又不允许产生对楼宇外部的干扰和信号泄露，这就对信号源、器件类型与指标，以及天线的选择都提出了一定的要求，只有满足需求的组合才能够达到覆盖指标。

常规的室内分布系统方案设计时，设计人员往往是根据经验自主选择信源功率、器件以及天线，不但对设计人员的专业水平提出了较高的要求，同时设计人员单凭经验也很难精确合理地做出选择，造成实际效果往往与期望值差距较大，因此，由中国移动设计院自主研发的先进室内设计平台（AIDP）具备了基于覆盖电平需求进行自主优化的优势功能，既能够保证器件及信源功率选择合理性，又能提升设计效率的工具，将大大改进室内分布系统的覆盖。

2 室内分布系统设计图纸

2.1 室分设计图纸分类

实际室内分布系统设计的过程中共包含两种类型：平面图和系统图。

根据地区差异，在平面图设计时主要采用两种模式，第一种是称为集中布放模式，在平面图中只有天线及馈线，不含其它有源及无源器件，所有的有源和无源器件均集中在竖井内，在图纸中没有显示。第二种是分立模式，在平面图楼层内除有天线及馈线外，包含了功分器、耦合器等器件，各个天线通过器件相互交叉连接。

系统图是在平面图基础上产生的，表明了从信源到天线之间器件的连接方式。不管平面图采用集中布放式还是分立式，系统图中都会将信源、器件及天线的连接关系明确表示出来。一般情况下，平面图是根据楼层来绘制的，一般同一幢大楼中有多个楼层，由平面图生成系统图时会有多幅不同的系统图。但由于一幢大楼一般只有一个信源点，在生成多个楼层独立的系统图后，可通过多楼层主干连接功能将系统图连接起来，生成一幅完整的涵盖一个信源点下所有楼层的系统图。

2.2 室分图纸设计流程

进行室分图纸设计时，设计人员绘图的大致流程为：平面图设计→依据平面图生成系统图→根据系统图进行物料统计→将图纸和物料清单交给施工方。

在整个室分系统设计过程中，系统图的结果直接影响方案设计的合理性以及物料统计的结果，因此系统图的准确性成为设计室内覆盖分布系统所必须重视的一个环节。因此，在完成系统图后需要一个重要的环节，即根据天线的覆盖需求对系统图进行优化，以获得合理的器件组合和信源功率值。当存在多个楼层连接到同一个信源的情况时，系统图电平优化需要考虑主干连接的全部楼层，因此也可以称为主干优化。

3 基于设计图纸的覆盖优化算法

3.1 集中布放模式的主干优化算法

对于采用集中布放模式的平面图，由于平面图中没有器件信息，AIDP软件中针对集中布放模式设计了一键式的主干优化方案，自动生成的系统图已经完善了器件的布放，同时完成了主干优化操作，优化结果可以满足设计人员对天线口功率的要求。需要指出的是，本优化方案可以支持对天线设定不同的目标功率值，从而能够因地制宜的满足同一楼宇或楼层内，不同环境的覆盖需求。

系统图主干优化的主要步骤如下。

3.1.1 第1步

根据设计人员对不同天线功率的需求，完成天线输出功率设置后，将天线（含馈线）作为1级节点，并按照功率与损耗值（包括馈线损耗及插入损耗）之和的差异将全部节点进行分组合并。分组时将相邻节点的功率差值低于2 dB的分为一组，流程图如图1所示。

图1 第1级节点合并流程图

参考图1的方式对节点进行合并分组，分组的详细步骤如下：

（1）对第1级节点序列A（节点为a1，a2，…an）依据天线功率与损耗和的大小进行从小到大排序，计算各序列A各节点间功率差矩阵delA（dela12，dela13，… dela1n，…dela (n-1）n）。

（2）依据设定的门限（2 dB）对序列A进行分割，则dela1k≤2 dB且dela1(k+1)＞2 dB时，在节点k及节点（k+1）处将序列A分割成2部分。

(3）完成分割后，序列A被分割成m个子序列：A1，A2，…Am。其中序列A的元素个数等于A1，A2，…Am各序列元素个数之和。

(4）计算各子序列A1，A2，…Am的元素个数n1， n2，…nm。

(5）依据各子序列的元素个数由下表选取合适的功分器组合类型进行节点合并，形成下一级节点序列B。

(6）若合并后序列B仅有一个元素，则主干优化工作结束，否则转到下一步。

3.1.2 第2步

在上一步合并第1级节点的并生成第2级序列B的基础上继续合并连接各节点，直至汇聚到一个P连接点。

在每一级节点的连接器件进行选择时，节点间功率差小于门限值时采用功分器进行连接，其余节点需要采用耦合器进行连接，并根据功率的差异选择合适的耦合度，进行耦合器连接的流程图如图2所示。基本流程是通过计算相邻节点的功率差值，将该值与预设门限值进行对比，若高于门限值则选择耦合器作为连接器件，并根据功率差选择合适的耦合度。

3.2 分立模式的主干优化算法

分立模式下，在平面图中除天线、馈线外，还包括功分器、耦合器等器件。平层内主连接点（P连接点）与器件间及器件到天线间路由已确定，即馈线长度及损耗已确定。因此，进行主干优化是调整器件的方式包括：

图2 第2级以后使用耦合器进行节点连接的流程图

（1) 二功分与耦合互换；

（2) 耦合器耦合度调整；

（3) 耦合器的耦合端与输出端之间的变换。

以上方式可以分为更换器件和不更换器件两种，不更换器件的主干优化是对耦合器的耦合度进行调整，这种方式不需要对平面图的结构进行改变，但优化效果较差，很多情况下不能保证天线的功率值达到预定的指标，因此，需要采用更换器件的优化方式。

主干电平优化的整体步骤，根据天线功率及与天线连接的馈线的损耗之和得到最后一级节点的功率值，采用3.1节的优化方式逐级进行器件优化。

3.3 多系统合路方式下的主干电平优化

目前，多系统合路建设越来越普遍，尤其是铁塔公司成立后，室分设计图纸较多的包含了移动、电信和联通在内的多个频段的不同移动通信系统，这就加大了主干优化的难度。

在进行多系统主干优化设计时，按照系统分别设置天线目标电平值。在每一级节点合并进行器件选择时，继续参照3.1节的方案，如果不同系统间存在矛盾，将优先保证频段较高或者对目标功率要求最高的系统的覆盖，其它系统的天线电平值尽量保证在预设的范围内。

4 覆盖优化效果分析

4.1 AIDP软件优化效果

本节以E频段TD-LTE系统的室内分布系统设计为例对优化算法的效果进行说明。在完成平面图设计后，其天线点及信源的位置均已确定。根据平面图的设计方案选择自动生成系统图命令，生成的系统图会自动进行电平计算，如3图（a）所示。

图3 自动生成系统图后的电平计算结果

从图3（a）上可以看出，按照预设的信源功率33 dBm，根据设计方案进行电平计算的结果，每个天线点位的功率值都在15 dBm以上，甚至部分天线的功率值高达25 dBm，远远超过了室分系统的建设要求。采用第三章的优化算法，首先对天线目标电平值及电平范围进行设定，可对不同的天线设置不同的目标值，如将图3中A16和A17的目标值设为19 dBm，范围为16～22 dBm，其余天线的目标值设置为12 dBm，范围为10～15 dBm。以此目标进行电平优化，优化后的结果图3（b）所示。

可以看出， A16和A17两面天线的天线口功率值为19.4 dBm和19 dBm，基本满足19 dBm的最佳目标值要求。其余天线的功率值均在12～12.3 dBm之间，只有一面天线的功率值为13.3 dBm，与目标值存在1.3 dBm的差异，但也在目标范围10～15 dBm之间，且较为接近目标值。

4.2 与业内软件优化效果对比分析

目前，业内常用的天越设计工具也具备了电平优化的功能。但与AIDP相比，天越的电平优化目标值不能对不同的天线进行区别设置，因此，系统图的天线目标值必须一致，对于需要提升功率以满足覆盖要求的天线点，只能通过人工的方式进行计算修改，合理性和准确性有待商榷。

将相同的平面图分别利用AIDP和天越软件生成对应的系统图，并进行电平优化功能进行优化计算，由于天越软件只能对所有天线设定同一目标值，因此同时将天线的目标功率值设置为12 dBm，优化结果如图4所示。

图4 电平优化效果

表1总结了AIDP软件与天越软件的电平优化结果，从结果可以看出，AIDP软件的优化结果均值为11.99 dBm，方差0.832，基本接近12 dBm，但天越软件均值为12.32 dBm，方差0.943，整体来看AIDP软件的优化结果接近目标值，且与目标值的差异较少。但天越软件的优化结果与最优值差异较大，且存在高于14 dBm的较差数据。综合分析可以看出，AIDP软件的电平优化方案相比天越软件具备明显的优势。时，AIDP工具还提供了系统图到平面图的一键同步功能，优化完成的系统图可自动同步到平面图，极大的节省了设计人员的工作量，在保证设计质量的基础上提升了工作效率，满足了设计人员的需求。

表1 AIDP与天越软件优化准确度对比

5 总结及建议

本文中所提出的基于覆盖要求对设计图纸进行优化的方案已应用于中国移动设计院自主研发的先进室内设计平台（AIDP）中，该方案可根据楼宇内不同天线的覆盖需求自由地对天线功率进行设置，并可以基于设置值对信源功率及器件进行合理的优化配置，达到最优组合。该优化方案相比业内其它软件具备明显的优势。同

[1] 高泽华，高峰，林海涛. 室内分布系统规划与设计-GSM/ TD-SCDMA/TD-LTE/WLAN[M]. 北京：人民邮电出版社，2013.

[2] 吴为. 无线室内分布系统实战必读[M]. 北京：机械工业出版社，2012.

[3] 王超. 移动通信室内分布系统设计研究[J]. 邮电设计技术，2004.

[4] 韩洁. 移动通信室内分布系统设计探讨[J]. 电子世界，2013.

Research of antenna power optimization scheme for indoor distribution system

LIANG Tong, ZHAO Pei, HU Kai
(China Mobile Group Design Institute Ltd. Co., Beijing, 100080, China)

In the indoor distribution system design, how to choose the best solution according to the coverage requirements of different scenarios has been a big problem for designers.This paper presents an optimization scheme of indoor distribution system design based on coverage requirement, which can be designed according to the actual requirements of different antenna points.This scheme has been integrated into the advanced interior design platform (AIDP) which is developed by China Mobile Group Design Institute Ltd. Co.In this paper, the optimization results of AIDP and other tools are compared and analyzed, and the advantages of the proposed scheme in terms of the fl exibility of power setting and the accuracy of the optimization results are verif i ed.

design of indoor distributed system; system diagram; antenna power; optimization scheme

TN929.5

A

1008-5599（2017）01-0069-05

2016-05-20