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浅析CDMA系统高层室内覆盖和优化-论文浅析CDMA系统高层室内覆盖和优化摘要：随着网络规模不断扩大，用户要求不断提高，高层建筑的室内覆盖和优化日趋重要。本文详细介绍了高层覆盖的解决方案，结合优化中的实际情况对比分析了各种方案的优劣，特别讨论了高层建筑室内导频污染问题的优化。关键词：高层建筑覆盖导频污染分布系统优化1前言随着烟台市建设步伐的加快，愈来愈多的拥有美丽外观的高层住宅楼、写字楼、商厦等相继出现。高耸入云的建筑为城市增添现代气息，成为城市生活中一道生动靓丽的风景线。但是，大量高层建筑拔地而起却给建设和优化精品 CDMA 网络的联通无线优化人员提出了崭新的技术难题。烟台联通结合烟台市的地理环境和高层建筑的分布位置等实际情况，尝试采用不同的方式，基本解决了烟台市高层覆盖的问题。2高层覆盖问题的提出在建网初期，宏蜂窝基站数量有限，覆盖的重点是室外主要街道和公路，室内的覆盖并不是工程和优化工作的重点。同时，由于宏基站数量少，高层建筑室内信号相对单一，导频频污染问题并不突出。但是，目前运营商之间的竞争已经日趋白热化，高层建筑室内的覆盖情况和信号质量已经成为运营商之间竞争的重要砝码。随着网络规模不断扩大和城市建设的不断进行，宏蜂窝基站和高楼大厦的密度的逐渐增加，C 网在室内的覆盖盲区和导频污染等问题同时显现出来。归纳起来，主要存在以下几种问题：2.1盲区问题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，形成了无线信号覆盖的弱场强区甚至盲区。而高层建筑大多位于建筑物密集的市区，建筑群的互相遮挡导致高层建筑的底层部分无线信号衰减严重，电梯、一楼和地下室覆盖普遍较差，大多数高层建筑地下室为覆盖盲区。2.2导频污染问题高层建筑的高层和顶部，收到多个功率近似的信号，信号杂，导频污染严重。高层建筑的顶层存在大量通话质量差、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。2.3阻塞问题大型购物商场、会展中心等高层建筑内，移动用户密度过大，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。3高层覆盖的解决方案通过仔细分析烟台市高层建筑无线环境的特点，结合烟台市区的地形，我们根据不同的实际情况，尝试了多种方式解决高层覆盖和导频污染等问题。根据不同的情况和无线环境类型，我们归纳了以下几种方案：3.1增加宏蜂窝基站或扇区有效的解决高层建筑覆盖问题的同时，应该充分考虑周围的无线环境。对于某个相对孤立的高层建筑，周围建筑物都比较矮，附近覆盖比较差，我们可以考虑在包括高层建筑的整个区域内增加宏蜂窝基站，加强覆盖。这种情况高层建筑距离周围小区比较远，楼体本身覆盖也比较弱。经过空间链路损耗，每个小区信号覆盖到高层建筑顶层后均比较弱，高层建筑顶层无主用小区，因此可以通过增加基站覆盖解决。如果位置合适，甚至可以在高层建筑主体本身增加基站。但是，在这种情况下，通过增加宏蜂窝基站（扇区）解决高层室内覆盖问题时，通常电梯和高层建筑地下室等地点仍然需要直放站和室内分布设备加以解决。但是由于不需要做全楼覆盖，也可以节约大量的资金。如图 1 所示，民航大厦是一座高层建筑，周围建筑物低矮并且密集，覆盖较差，我们在大厦顶部增加基站，并且耦合一路信号到民航大厦电梯和地下室。这种方案对于环境的要求比较严格，而对于城区基站高层建筑密集的地区不适用。民航大厦顶建设基站图 1：高层基站顶部基站示意图3.2 安装上仰天线结合北美 sprint 公司的经验，我们想到了利用宏蜂窝基站上仰天线解决高层建筑群导频污染问题的方案。在密集城市环境中，通过对高层建筑群附近基站天线改造，使其发射的信号成为高层建筑顶层的主导信号，解决导频污染问题1016浅析CDMA系统高层室内覆盖和优化图 2：上仰天线覆盖高层示意图如图 2 所示，对宏基站天线进行改造，使用原有天线（蓝色）覆盖地面、低层建筑物和高层建筑物下部，从小区耦合出一路信号并使用较低增益、水平和垂直波束较窄的天线（红色）覆盖高层建筑群。该方案的优点是充分利用现有基站设备和站址资源，上、下层覆盖区域的相邻关系基本相同，易于控制和优化调整。对于覆盖高层建筑，这种方法虽然容易实现，但仍然存在一定的限制。首先，这种方法对于基站的位置要求很严格。安装特殊天线的基站必须位于高层建筑附近，发射信号才能足够强，可以成为主用导频。如果基站距离高层过远则强度不够，还会造成越区覆盖。其次，这种方法对于天线的要求很高，必须选用特殊类型的天线，必须严格控制上仰天线的背瓣和旁瓣，避免造成越区覆盖。尤其是对于烟台这样多山临海的市区地形，稍有不慎将造成越区覆盖，发挥负面影响，导致无线环境恶化。最后，采用上仰天线虽然可以有效的高层建筑室内部分，但是仍然无法覆盖高层建筑的电梯。对于比较重要的建筑物，还另外需要增加室内分布覆盖电梯和地下室。所以，这种方法只适用于高大建筑比较稀疏的地区，而且控制不好会导致导频污染严重，在烟台我们没有大量使用。3.3安装分布系统图 3：室内分布示意图分布系统室解决室内覆盖、改善室内无线环境的一种成熟的方案。随着联通深度覆盖的要求不断提高，室内安装分布系统已经成为一种必不可少的优化手段被广泛应用。从覆盖规模上看，分布系统包括室内分布和小区分布两种，但是道理基本相同。为了解决高层覆盖，这两种方式我们均有所尝试。分布系统是利用天线分布系统将无线信号均匀分布在每个角落，从而保证特殊区域拥有理想的信号覆盖。通过分布系统的建设，可以较为全面地改善建筑物内的通话质量，扩大覆盖范围，提高接通率，开辟出高质量的室内移动通信区域；同时，使用微蜂窝作为分布系统的信号源，可以分担室外宏蜂窝话务，扩大网络容量，从整体上提高移动网络的服务水平。4高层室内分布系统信号源的选择和优化无线传播特性是移动通信系统设计的最基本因素。所以，在设计室内分布系统时，必须深入了解各种建筑材料的路径损耗。不同的建筑类型、规模、构造和材料都有很大的不同。此外，楼层基站的传播取决于楼梯、电梯等结构。在设计室内分布系统的时候，为了掌握各个建筑的特点，有时需要进行现场测试和传播预测。此外，完成高层建筑室内分布设计前，一个至关重要的问题是必须预先设计好使用什么类型的信号源。信号源的选择将直接影响设计方案的制定，以及分布系统完成后的效果。有很多条件会制约我们对信号源的选择。如光缆可否引入、楼顶是否可以施工、设备是否可以安装等外界因素是我们无法驾驭和控制的。单纯从工程优化人员的角度看，影响高层建筑室内分布信号源选择的主要有以下几个方面的因素：高层建筑室内的信号强度和质量高层建筑周边的无线环境对高层建筑室内分布覆盖范围用户量的预测高层建筑周边基站扇区的邻区添加情况周围建筑物的密集程度4.1射频直放站如果高层建筑室内的主要问题是信号弱，而且覆盖范围内没有大量的话务量需求，如高层电梯、高层餐厅、高层公寓等，可以使用无线直放站做室内分布信号源。我们知道，如果接收放大的信号复杂、存在多路软切换，不但会浪费 CE 和功率等系统资源，而且会引入导频污染。因此，在选择无线直放站信源时应重点考虑放大信号是否单一，尽量不要接收两扇区中间的信号或强度比较接近的信号作为信号源放大。我们在选择无线直放站接收信号源的时候，在信号质量和信号强度之间更加看重信号的质量。同时，尽量选用方向性比较好的天线作为接收天线。大多数高层建筑顶层信号比较杂，导频污染严重，无线环境恶劣。有些室内分布在设计和安装时，为了方便直接放大顶层信号而不考虑顶层信号质量。为了确保放大信号的质量，我们经常需要将接收天线放在比较低的位置，尽量保证接收信号不存在多路软切换。根据经验，我们常常把接收天线安装在三楼或四楼的位置，这个高度接收电平强，信号比较“干净”，比较适合作为无线直放站的信号源。采用无线直放站作为室内分布信号源，施工简单，容易开通。如果信号源选择的好，射频直放站与室内分布配合完成全楼覆盖效果也会很好。但是，如果接收信号选择不好或者安装隔离度不够，会对施主基站造成影响，甚至产生自激，导致大面积投诉。4.2光纤直放站对于用户量比较高、话务比较密集，高层信号比较复杂的热点地区，如大型写字楼、宾馆、商场等，采用无线直放站作为室内分布信号源则不够明智。话务量增加无线直放站的上行功率将明显增加，从而给放大小区引入明显背景噪声，对小区的覆盖范围和通话效果造成严重影响。同时，在信号比较杂、接收电平高的情况下，增加一路射频信号不会对解决导频污染起到明显的效果，反而可能使导频污染更加严重。因此，我们必须考虑采用光直放站或微蜂窝作为室内分布的信号源。在基站密集的城区，采用光纤直放站比采用微蜂窝（FOM 或 LD）作为高层建筑室内分布信号源，效果更加理想。建网初期，我们认为在市区话务量和用户数分布密集的高层建筑内应该普遍采用微蜂窝作为室内分布信号源。但开通一批市区微蜂窝后，我们发现问题随之出现了。首先，我们在城区采用 283、201 双载波覆盖，而微蜂窝只配置单载波（283）。在采用微蜂窝作为室内分布信号源时，占用二载波（201）通话向室内切换时很容易发生掉话。浅析CDMA系统高层室内覆盖和优化这个问题在目前二载波话务量不高的情况下还不甚明显，随着话务量的逐渐增加，此类掉话现象将日趋频繁。多数室内高层建筑分布的话务量均不高，不需要采用双载波覆盖。而如果单纯为了避免掉话将微蜂窝改造为二载波需要增加大量的投资，造成不必要的浪费。其次，目前 C 网基站只能配置 20 个邻区，在密集的市区，每个扇区 20 个邻区常常不够，邻区资源非常紧张。烟台属于丘陵地区，烟台市区北环东海、南倚塔山，市区北低南高、东西地势起伏不平。虽然我们非常谨慎的设计并调整了基站的位置以及天线的挂高和方位，但仍然不可避免的存在越区覆盖现象。而高层建筑室内，周边基站均位于视距范围内。有的高层建筑室内最多同时可以接收到10路以上不同扇区的信号。这种情况下，如果采用微蜂窝做室内分布信号源，需要与周边基站填写大量邻区关系。为了增加必要的邻区关系，常常需要牺牲部分有用的邻区，网络出现由于邻区不足而导致的掉话。采用光直放站则可以有效的缓解邻区紧张的问题。在安装光纤直放站时，北电厂家建议光纤直放站放大反向扇区，而我们采用同向扇区信号作为光纤直放站的信号源。放大同方向扇区信号，不必增加邻区的设置，避免为了添加微蜂窝邻区而删掉原来有用邻区。扇区 C扇区1扇A光纤放大A扇区信号图 4：采用光纤直放站做市内分布信号源示意图如图 4 所示，BTS1 的扇区 A 朝向光纤直放站方向，不需要特别的增加扇区 A 的邻区。如果放大扇区 B 或扇区 C 的信号，则需要给扇区 B 或 C 添加大量邻区，在基站密集的城区，20 个邻区远远不够，势必导致掉话。4.3微蜂窝安装光纤直放站并不会增加系统容量。所以，在话务密集地区的大型的商场、会议中心、购物中心等场所采用光直放站则无法满足容量需求。这些地点必须采用微蜂窝作为信号源。为了避免掉话，吸收话务量，我们还在特别重要的大楼室内开通了双载波覆盖。图 5：微蜂窝作为室内分布信号源示意图 由于密集城区基站扇区的邻区非常紧张，在邻区设置上，我们采用添加单向邻区的方法。我们把测试点选在高层建筑的顶层，并且靠近各方向的窗口。并将测试得出信号分成两类：Ec/Io-10dB 的信号和 Ec/Io-10dB 的扇区（如 BTS1、BTS2）与微蜂窝做双向邻区；将 Ec/IoBTS3 的邻区，保证 BTS3 的信号不会对微蜂窝信号造成强干扰。同时，不在数据库中添加BTS3-微蜂窝的邻区，不占用数据库中 BTS3 的邻区关系。在我们实际优化中采用这种设置，由于在高层室内 BTS3 的信号相对较弱，通过提高微蜂窝的覆盖电平，保证基本不会占用 BTS3 的信号，也就不会出现 Ec/Io恶化并导致掉话，所以覆盖效果比较理想。微蜂窝覆盖范围有限，所以不会影响 BTS3 的通话质量。正如 4.2 中我们所分析，这种微蜂窝只能应用于话务量需求高的高层建筑，如果市区大批量的开通微蜂窝，势必导致邻区资源不足，高层通话质量恶化，甚至会影响宏基站的优化。5高层覆盖导频污染问题的优化5.1导频污染的主要特点和常用的解决方法CDMA 系统的前向信道主要包括导频、同步、接入、前向业务信道等四种类型的信道。导频信号本身不包含基带信息，由基站连续不断的发射，向手机终端提供时间和相位参考。手机通过对由 Ec/Io 标识的信噪比进行测试，找到最强的服务小区。术语“导频污染（pilot pollution）”表示大量相同强度的导频信号同时存在，这些导频信号的强度均足够被解调出来，也能够相互竞争并成为服务导频。这些导频相互竞争成为服务导频，导致手机终端的主用导频高速轮换。手机的 RAKE 接收机只能同时解调三路信号，其他无法解调的信号则成为干扰源。因此，导频污染的主要问题是覆盖区域内没有主导频。一般认为，一个覆盖点有超过三个导频信号强度相差不多（电平相差小于 5dB），并且 Ec/Io 大于-13dB，FER 大于 5，则认为是导频污染地区。多个导频 Ec/Io 大于系统设置的 T_ADD，手机频繁上报 PSMM 消息。业务信道的占用增加，通话质量下降，浪费系统资源。导频污染大多出现在几个基站可以同时位于直线视距范围内的地点，高层建筑顶层室内恰恰属于这种地点。拨打测试和室内路测得出的结果显示，在导频污染区制造或恢复主用导频可以在提升通话质量上起到明显的效果。架设室内分布是产生主用导频最有效的优化手段。然而，我们必须同时重点注意室内分布引入的信号对原信号的影响。如果不经过详细的测试和科学的规划，室内分布引入的信号可能会变成新的干扰信号，而对解决导频污染问题毫无帮助。对于 GSM网络，我们在架设和调试室内分布时重点需要考虑信号强度和频点规划，而对于 CDMA 网络，我们不但需要重点考虑强度和 PN 规划，还要充分考虑基站的分布情况和邻区关系。根据 CDMA 系统的原理，得出公式：浅析CDMA系统高层室内覆盖和优化浅析CDMA系统高层室内覆盖和优化Ec/Io主用导频码片功率/接收总功率功率谱密度主用导频功率/接收总功率（包括非主用导频功率和噪声功率总和）一般来讲，解决导频污染的主要方法是：提高Ec，降低Io，产生主用导频信号。具体来说，我们通常的解决方案主要有：控制无线环境从而减少导频越区覆盖；降低不需要的导频功率；调整周围扇区的发射功率来调节导频信号的强度；调整周围小区基站的天线的物理参数（方位角、俯仰角、天线类型等）,减少导频重叠的数目；采取增加基站等方法在导频污染区产生主导频，缓解导频污染。5.2高层建筑室内导频污染及其优化的特殊性高层建筑顶层的导频污染具有一定的特殊性，要解决高层建筑的导频污染，我们必须充分认识到这种特殊性。以下是在优化前对高层建筑室内进行测试得到的 Ec/Io 和 Rx 效果图：图 6：高层建筑室内 Ec/Io 效果图图 7：高层建筑室内 Rx 效果图以上测试效果图具有一定的代表性，我们可以看到，虽然高层建筑室内接收电平能够保持在-65dBm 以上，但是 Ec/Io 非常差，掉话较多。根据经验，我们对高层建筑室内信号的普遍特点进行简单总结。首先是信号多。高层建筑由于顶层位置比较高，很难控制周围的无线环境。视距范围内基站非常多，甚至几公里、甚至十几公里以外的基站天线上旁瓣信号均可以覆盖过来。正是由于信号多，造成高层室内导频污染非常严重。其次是信号强。高层建筑顶层位于基站密集的城区高处，周围基站天线主瓣和旁瓣信号覆盖到高层建筑，并且几乎没有遮挡。由于宏基站天线空间衰耗小，到达高层顶层的电平比较强，一般每路信号均在75 至65dB 之间，有的甚至大于60dB。认识到这两点特殊性，对于处理高层建筑的 C 网导频污染问题很有帮助。由于涉及的基站过多，高层信号过强，单纯调节周边基站的天线俯仰、方位和功率降来确定高层建筑内的主用导频，也就是通过降低 Io 提升 Ec/Io，效果不明显，常常事倍功半，无法根本解决高层建筑导频污染问题。而且，为了优化高层覆盖而过度调节周边基站的天线（如过分下压天线俯仰角）会严重影响地面优化的成果，导致街道等地面覆盖减弱。所以，大多数高层建筑需要架设室内分布系统解决导频污染问题。室内分布信号的引入相当于放大一路信号成为主用导频，而放大信号的强度，将直接影响到室内信号的质量。所以调整其他基站的功率的同时，必须保证室内分布系统放大的信号强度超过其他各路信号强度，也就是通过提高 Ec 提升Ec/Io。根据以上理论，如果市区基站设置过为密集，信号叠加严重，势必导致大量地区存在导频污染问题。高层建筑大多位于人口和基站密集的城区，导频污染问题也会更加严重。所以，为了避免导频污染，前期合理规划 C 网站址设置比优化调整基站覆盖更为重要。烟台联通在网络规划的时候就充分考虑市区可能出现的导频污染问题，所以没有完全按照 G 网基站的分布安装 C 网基站。虽然我们市区 C 网站站址没有 G 网基站密度大，但是布局和高度比较合理。即便如此，也不可避免的发现部分高层建筑顶层室内存在导频污染问题。根据我们的经验和测试情况，在高层建筑未开通室内分布前，顶层接收室外信号总功率在60dB 以上（尤其是在窗户附近）。为了保证顶层主用室内分布系统信号，我们必须将室内分布天线发射的信号调整到40dB 以上。特别是在靠近窗口附近，必须保证室内分布系统发射的信号强度可以覆盖到顶层窗口处。所以，我们在设计室内分布系统干放的安装和功率的分配时，必须充分考虑顶层的覆盖信号强度。同时，对于使用光纤直放站作为信源的室内分布系统，我们需要适当调整放大扇区的搜索窗设置；对于使用微蜂窝作为信源的室内分布系统，我们需要调整周围的邻区设置。5.3防止高层分布信号的泄漏加强顶层信号强度的同时，不能因为过于重视顶层的覆盖而忽视了高层室内信号的泄漏对地面小区和街道覆盖情况的影响。泄漏到地面的高层室内信号会造成地面无线环境（Ec/Io）恶化，造成掉话。所以，在优化高层覆盖时我们必须控制室内分布的信号泄漏问题。“两害相权取其轻”，既要保证高层覆盖，又要避免泄漏，需要我们反复的调整优化。根据无线信号空间衰减公式和我们的经验，8 层以上的信号到达地面达到85dB 以下，一般不会参与市区地面信号的软切换。但 8 楼以及 8 楼以下的信号如果过强，常常会泄漏到地面上，加入活动导频集，参与软切换。如果在地面主用室内分布的信号，容易发生掉话现浅析CDMA系统高层室内覆盖和优化象，需要特别注意。6小区分布系统的优化安装小区分布是解决密集型住宅楼群的常用方法。对于高层住宅群，这种方法同样有效。密集型高层住宅小区由于楼群密集，信号衰减严重，建筑群内信号较弱。如果采用常规方法，在每个高层住宅楼内都安装室内分布系统，虽然效果理想，但是设备成本高，投资规模过于庞大。这种情况，我们采用安装小区分布的方法解决高层住宅群。与室内分布的道理相同，安装高层小区分布的目的是将信号放大，并均匀的分布到各个楼体。为了覆盖高层住宅小区均配有地下停车场和电梯，我们需要从小区分布耦合出天线加以解决。小区分布的信源可以是射频直放站、光直放站、微蜂窝，选择方法与室内分布基本相同。由于小区分布面积大，需要的系统容量大，所以如果条件允许，应该尽量不使用射频直放站。与室内分布相比较，高层住宅区的小区分布的优化更加容易。首先，从