高层建筑室内信号覆盖策略分析

崔洁

(江苏建筑职业技术学院交通工程学院 江苏徐州 221116)

由于我国的城镇化水平的不断提高，城镇的高层建筑不断增多，密集的高层建筑成为了城镇化的标志，但愈发密集的高层建筑给建筑室内信号覆盖带来了“灾难”[1]。在高层建筑物室内区域，信号覆盖不全面致使有些区域信号强度较弱甚至出现无信号的盲区，室内的客户在使用网络信号时，往往会有通话质量不佳、上网数据传输差甚至不能正常使用等不良体验。高层建筑室内区域的网络信号存在乒乓效应、孤岛效应等现象，这是造成不良体验的主要因素。提高网络信号覆盖的全面性、消除网络覆盖盲区、提高区域网络信号强度，满足室内客户使用网络信号的诉求，提升用户满意度，是网络信号优化的焦点，也是当前亟须解决的关键问题[2-4]。

传统的高层建筑室内信号覆盖仅能实现水平方向的网络信号覆盖，不能兼顾垂直方向的网络信号覆盖，导致高层建筑的高层区域网络信号覆盖不佳，网络信号的立体覆盖效果较差。研究能够实现信号立体覆盖的高层建筑室内信号覆盖策略具有理论意义和实际意义。

1 高层建筑物内电磁环境特点

随着城镇化水平的不断提高，城镇中的高层建筑不断增多，愈发密集的高层建筑导致的室内网络信号覆盖不全面、区域网络信号强度不稳定的问题也越来越突出。网络覆盖存在盲区以及导频污染问题造成了高层建筑室内电磁环境越发的恶劣。其主要原因有两个：首先，愈发密集的高层建筑要想增加网络信号覆盖范围，就要不断增加宏蜂窝的数量，这将导致高层建筑周围存在多个基站，建筑高层区域基本无法正常通话，产生严重的“孤岛效应”；其次，周围存在多个基站，是由邻区设置的参数，这将对本区基站造成干扰，致使该区网络信号切换异常，形成“导频污染”。

1.1 高层建筑物内电磁波传播特征

现代高层建筑室内移动通信广泛使用VHF 和UHF频段。从高层建筑室内移动信道的电磁波传播上看，有直射波、多径反射波、绕射波、散射波和穿透波这5种。具体特征见表1。

表1 高层建筑室内电磁波传播特征

1.2 高层建筑物内信号的传输衰落

无线信号在高层建筑物内的传播，实质上是能量在空气介质中以一定速度传播的过程，次过程与无线信号的能量以及空气介质相关联。由上文分析可知，高层建筑物内的信号传播主要依靠直射波,但信号的多径反射是不能忽视的。信号的多径反射是影响信号质量的主要因素之一。因此，需要考虑吸收、自由空间损耗和多路径衰落即瑞利衰落这3 种基本衰落类型，具体特征见表2。

表2 高层建筑室内三种基本衰落特征

1.3 高层建筑物内的电磁环境描述

高层建筑根据电磁环境的特点，可以分为3 个区域，分别是底层区域、中层区域和高层区域。

（1）底层区域，周围存在较多的建筑物（如商铺、底层住宅、公共设施等），致使底层区域信号强度较弱甚至出现无信号的盲区（如电梯间、地下车库）。（2）中层区域，靠近室外的窗户地带，由于接收到多个室外信号导致信号严重重叠，乒乓效应十分严重，导致无线信号较差。（3）高层区域由于存在多个基站，导致覆盖盲区和导频污染等问题的出现，造成高层区域电磁环境恶化，从而产生严重的“孤岛效应”。

2 影响信号质量的主要因素

2.1 盲区现象

高层建筑自身可以屏蔽或吸收无线电波，这将导致无线信号能量的衰减甚至消失，形成了无线信号覆盖的弱区乃至盲区。由上文分析可知，高层建筑的底层区域由于周围建筑物较多，无线电波被屏蔽或吸收严重，电梯、地下车库等地方经常会出现信号盲区。

2.2 导频污染

高层建筑的高层区域，存在多个基站，多个相似信号的相互干扰，导无线信号背景噪声将被提高，导致无线信号较差。

2.3 阻塞问题

高层建筑内，如果在一定区域范围内，大量客户集中使用网络信号，这将导致出现信道阻塞的现象，会伴有有通话质量不佳、上网数据传输差甚至掉线等不良体验，网络容量将不能满足用户对网络信号质量及信号正常接入的需求。

3 网络信号覆盖需求

3.1 网络容量需求

网络信号覆盖其实是一张共享无线网络，使用的客户希望在高层建筑室内的任何地方都能得到如同有线网络的响应速度，又能保障最实际想要的移动性。一般情况下，技术人员主要关注如何提供足够的覆盖区域，而忽略了扩充的网络容量的问题，网络容量不充足往往是数据传输差、通话信号质量不佳的关键因素。

另外，调研一个高层建筑覆盖区域内的潜在使用客户的数量，以及他们使用无线网络的习惯和方式，通过调研数据来进一步确定该高层建筑覆盖区域内的网络容量。根据得到网络容量、潜在使用客户数量以及覆盖区域，来设计部署接入点数量。

3.2 网络质量需求

高层建筑物存在各种临近基站的信号干扰，信号覆盖不全面致使有些区域信号强度较弱甚至出现无信号的盲区，使用客户数据传输、通话信号质量都得不到很好的保障，无法满足使用客户基本的通信需求。主要原因如下。

（1）对于高层建筑物的中部区域，虽然距离底层区域有一定高度，底层区域周围多个基站的信号依然可以到达中部区域。由于到达中部区域的路径不长，不同基站到达中部区域的信号强度较好，这些信号彼此覆盖重叠，导致系统频繁切换，产生严重的“兵兵效应”，通话质量、上网数据传输将无法保障。因此，必须要控制高层建筑周围基站的覆盖范围，减小越区覆盖的产生。

（2）高层建筑物周围的多基站也会严重影响高层区域的电磁环境（同频、邻频干扰），被干扰的电磁环境不利于网络信号的传输，甚至出现通话断断续续、上网速度慢甚至中断，这种严重的“孤岛效应”会造成网络信号覆盖的盲区。因此，必须要控制高层建筑周围基站的过覆盖情况，减小对其他小区的信号干扰。

3.3 网络移动和安全需求

潜在使用客户终端在SSID不变的情况下，将和新的接入点重新建立新的连接，与此同时，断开与原来接入点之间的连接，经过校验后，终端设备就可以进行发送和接收帧。

网络的安全问题是用户在使用网络信号时比较关心的问题，也是我们在设计时要必须考虑的因素。网络在设计完成时，不能急于投产使用，要对设计好的网络进行用户隔离、MAC地址过滤以及加密认证等相关测试，对新设计的网络进行详细的安全性能评估并加以验证。符合网络的安全性能要求后，方可投入使用。

4 信号覆盖策略

目前，解决高层建筑内信号覆盖问题通常采用以下3种解决方案。

4.1 室内分布系统

高层建筑物周围的基站将信号发射到建筑物的室内，室内任意位置均有满足用户需求的信号强度以及容量，如图1所示。高层建筑内存在电梯、地下停车场等信号覆盖死角区域，通过室内分布系统，电梯、地下停车场等室内场景也能具有很好的信号覆盖。由于室内分布系统需要在室内布置较多的RRU 模块来解决信号覆盖不到的盲区问题，造成建设周期与投资成本较大，并且无法改善临窗区域的信号覆盖问题，这限制了该系统的大范围推广。

图1 室内分布系统图

4.2 室外分布系统

通过在高层建筑物周边已有基站（或街区附近的树木、路灯、广告牌等构件）上加装天线，加强对高层建筑进行信号的覆盖，如图2所示。室外分布系统在改善高层建筑信号覆盖的同时，还不影响住宅小区或城市街区的美观。但在树木、路灯、广告牌等构件上加装天线，存在一定的技术难点，并且由于早期城市布局或市政工程施工等原因影响，将导致无法在街区两旁的树木、路灯、广告牌等构件上加装天线。此外，天线安装位置、天线安装高度以及天线需要覆盖的区域，都是影响天线参数设置的重要因素，是需要精准设置的。另外，天线参数设置受外界环境影响较大，不仅造成后期维护工作量大，也不能保证高层建筑内信号覆盖的稳定性。

图2 室外分布系统图

4.3 宏蜂窝覆盖

选择高层建筑物周边已有的基站，通过重新调整周边已有基站的参数（如方向角、下倾角），来进行覆盖区域的重新分配，如图3 所示。宏蜂窝覆盖可以根据已有基站的具体情况，根据高层建筑室内信号覆盖问题，有针对性地调整的基站天线参数，从而实现改善信号覆盖范围与强度，同时兼顾改善信号干扰[5-6]。宏蜂窝覆盖要合理安排周边已有基站的覆盖方案，严禁产生越区覆盖影响网络质量的现象。

图3 宏蜂窝覆盖图

天线波束赋形技术可以获得具有指向性的辐射方向图，是控制宏蜂窝覆盖的有效方法之一。相比于传统的室内分布式天线覆盖方法，阵列天线和三维波束赋形技术可以在不添加额外辅助设施的情况下，实现网络信号的立体覆盖，具有良好的应用前景。传统的贴片天线、微带天线、SIW 天线、喇叭天线等都可以组成阵列天线，其中，微带天线具有小型化，易于集成，成本低等优点而得到广泛应用与阵列天线的设计中。