实现GSM网络无缝覆盖的几种解决方案(图)
2005/6/14 15:24:49
中兴通讯股份有限公司 供稿
无线通信最重要的是给用户提供一个可靠的、完全无缝的覆盖网络。2001年是中国移动的"网优年"，旨在精心构筑日趋完善的现有网络，在年底之前将实现高速公路的基本连续覆盖，东部主要铁路干线覆盖率超过95%；完成对直辖市、省会城市50%以上的三星级宾馆的室内覆盖，50%以上同档次写字楼的室内覆盖，50%以上营业面积超过2万平方米的商场的室内覆盖；完成地铁站台的覆盖；对于国家级旅游景区市内要实现全覆盖。
由于无线电波传播环境的复杂性，加上地形地物的影响以及城市规划和经济的发展，使得覆盖不良的原因有许多，主要有：建筑物材料固有的屏蔽作用，增加了无线信号的穿透损耗，影响了网络的信号接收和通话质量；为提高网络容量增加频率复用而采取缩小基站覆盖半径方式，限制了基站架设高度，造成高层建筑物区域无线信号来自多个小区或地面、墙面的不稳定反射信号，导致频繁切换，严重影响网络覆盖质量；地铁和隧道沿线由于地面的屏蔽、弯道、车厢的阻挡等因素，阻碍了电波的传播；随着经济的发展，高速公路和铁路作为交通枢纽辐射全国区域，其沿线话务量正在逐步提高，因此完善交通干线的覆盖将成为提高网络质量的关键。
一、实现无缝覆盖的几种方式
就目前网络来说，实现无缝覆盖主要要解决以下三种特殊区域的无缝覆盖：建筑物室内覆盖(包括高楼、宾馆、大型购物商场、停车场等建筑物内)、地铁和隧道的室内覆盖以及高速公路和铁路沿线的覆盖。
总的来说，实现以上三种特殊区域的覆盖主要有以下几种方法：
1、宏蜂窝直接覆盖
这是常用的室外覆盖方式，同时又可以通过直接穿透实现最简单的室内覆盖，但是当室内覆盖范围大而复杂或穿透损耗过大时室内覆盖效果较差。
2、微蜂窝直接覆盖
典型应用是对宏蜂窝室外覆盖的补充和一定区域内的室内覆盖，可以灵活选择内置、外置天线，充分发挥安装简便、吸收大话务量的特性，但是覆盖面积有限。
3、信号源+分布式天线系统
可以采用宏蜂窝、微蜂窝和直放站为信号源，利用有源或无源同轴电缆、光纤、泄漏电缆等分布式传输介质对无线信号进行室内分配，是一种极为灵活的覆盖方式，能够很好地满足较大区域室内覆盖以及地铁、隧道的覆盖。
二、建筑物室内无缝覆盖解决方案
建筑物室内覆盖需要考虑的基本因素有：隔墙的阻挡5~20dB、楼层的阻挡20dB以上、家具及其它障碍物的阻挡2~15dB、多径衰落及高层建筑物上的"孤岛效应"和"乒乓效应"。 下面主要介绍目前建筑物室内覆盖的最佳解决方案：信号源+分布式天线系统。
图1 建筑物室内覆盖示意图
如图1所示，信号源如果为微蜂窝MB，则可以直接采用同轴电缆进大楼，或者利用智能大厦预埋的光纤和五类非屏蔽双绞线进大楼；信号源如果为宏蜂窝BTS，可以考虑分别用不同扇区引出信号覆盖多个建筑物，进入大楼方式与微蜂窝相同，宏蜂窝与远地建筑物之间可采用光纤传输方式；信号源如果为直放站RR，在室外宏蜂窝存在富余容量的情况下，通过直放站RR将室外信号引入室内的覆盖盲区。直放站不需要额外的基站设备和传输设备，安装简便灵活。 比较以上三种信号源，采用微蜂窝和宏蜂窝可以吸收话务量，适于话务繁忙的高档服务区的室内覆盖，但建设的设备投入较大、工程周期较长；而直放站将空闲基站的信号引到繁忙基站的室内覆盖区内，实现疏忙，并且直放站容易在短时间内开通，但是应用直放站一定要预先做好频率规划以避免干扰，而且直放站不能解决话务量溢出问题，也不利于网络管理。 实现建筑物室内无缝覆盖的分布式天线系统，主要有三种：
1、无源同轴分布式天线系统
信号源发出的射频信号经过同轴电缆、耦合器、功分器和室内天线，均匀地分配到覆盖区域的每一个角落。其优点为系统造价低，由于本身为无源系统，所以可靠性高和系统产生互调干扰产物甚低；缺点是因为信号在传输过程中无增益，所以在能量估算问题上需要精确计算，才能完成预计覆盖区域，因此设计修改麻烦、设计与施工技术含量较高。
2、有源同轴分布式天线系统
在无源同轴分布式天线系统的基础上增加放大器，即实现了有源同轴分布式天线系统，并且可以同时使用多级放大器。其优点为设计与施工简单方便，信号强度动态可调，系统具有良好的可扩展性，是一种极为灵活的通用室内覆盖系统；缺点是因为系统涉及到多个有源器件，互调产物多，可靠性低，需要实时监控和维护。
3、光纤分布式天线系统
光纤分布式天线系统利用单模光纤将射频信号传输到建筑物内部各个地方，通常光纤和同轴电缆结合使用，在建筑物纵平面上采用光纤传输，横平面上进入楼层以后采用同轴电缆传输；有时也利用光纤实现信号在不同建筑物间的传输，进入建筑物以后采用同轴电缆传输；如果为智能大厦设计室内无缝覆盖，可以充分利用其预埋的光纤和五类非屏蔽双绞线实现室内覆盖，通过电光转换单元在纵平面上采用光纤传输，再通过光电转换单元在横平面上采用五类非屏蔽双绞线传输信号。因此光纤分布式天线系统是用于大面积、远距离复杂区域的室内覆盖。
三、地铁和隧道的无缝覆盖解决方案
前地铁和隧道的无缝覆盖由于弯道多、环境封闭，主要通过信号源+分布式天线系统来实现，根据信号源的不同，有两种覆盖方式：微蜂窝方式和宏蜂窝+直放站方式。根据站厅、站台和隧道等覆盖区域的不同，分布式天线系统可以分别采用同轴分布式天线系统、泄漏电缆等方式。首先比较两种信号源方式的优劣势：
1、信号源为微蜂窝：能显著提高网络容量，单位面积内吸收更高的话务；体积小，壁挂式安装方便灵活，不需要特别安置空间；同一站址的微蜂窝还可以通过级联方式节约传输链路，中兴微蜂窝设备最多可实现三级级联捆绑；通过操作维护平台能实现双向信息交流的远程监控和操作维护，从而简化了系统运营过程中的故障告警和维护程序，降低了运营成本；可靠性高，当某一个微蜂窝出现故障时，只会影响到该微蜂窝以及与之级联的最多两个微蜂窝所覆盖区域的通信。
2、信号源为宏蜂窝+直放站：这种方式通过专门为地铁建设的几个大容量的宏蜂窝，再由直放站将信号引入到地铁内部，很好地解决了仅用直放站引入信号不能提高网络容量的问题，而且直放站的安装简便灵活；但是宏蜂窝设备投入较大、建设周期较长，并且需要占用一定的室内面积用于放置；宏蜂窝近端信号输出电平较大，必须采取措施才能实现均匀的室内分布，但是会影响传输距离；可靠性低，当直放站通过星型或链型连接在宏蜂窝上时，一旦该宏蜂窝出现故障，将影响所有与之相连的直放站所覆盖的区域的无线通信；不易监控管理和日常维护，直放站作为有源器件，一般只具备上行告警功能，因此监控设备无法远程实现对直放站的故障定位和维护操作。
其次考虑不同的覆盖采用不同的分布天线系统。如图2所示：
站厅区域的覆盖：站厅一般采用同轴分布式系统作为信号源的延伸，最后由天线阵列将信号均匀地辐射到站厅的每一个角落，此覆盖方式与前面介绍的建筑物室内覆盖方式完全一样，此处不再赘述。
站台区域的覆盖：站台形状一般为长条形，完全可以和隧道一起考虑采用泄漏电缆方式覆盖，但也可以考虑采用同轴分布式天线系统来实现对站台的覆盖。
隧道区域的覆盖：国际上对地铁隧道一般采用泄漏电缆进行覆盖。泄漏射频电缆在输送信号的同时也发射、接收信号，其特点是均匀场强，可以适应弯道使用；同时泄漏电缆具有较宽的工作频段，非常适合多频段分布系统使用。
图2 地铁和隧道室内覆盖示意图
四、高速公路和铁路沿线的无缝覆盖解决方案
高速公路和铁路沿线覆盖的网络特性主要有以下几点：
1、低话务量
高速公路沿线的小区覆盖范围一般都比较大、话务量较小，在满足覆盖要求的情况下站点尽量少，这样有利于节省投资，也便于以后维护；先用天线高、发射功率大的基站进行大范围覆盖，再在盲区和弯曲复杂地区增设微蜂窝。重点是解决覆盖。
2、带状连续覆盖
这与大中城市或平原农村的覆盖有着较大区别，故公路的覆盖多采用双向小区；在穿过城镇，旅游点的地区也综合采用三向、全向小区；在网络拓扑结构上可考虑链型连接，以节省传输链路。如图3所示。
图3 高速公路的带状连续覆盖示意图
3、用户高速移动
要对切换参数加以精心设置；同时也要考虑汽车的穿透损耗对覆盖半径的影响，留出较大的余量。
4、地形地貌复杂
高速公路和铁路所经过的地形往往复杂多变，有平原、高山、树林、隧道等，还要穿过乡村和城镇，所以对其无线网络的规划一定要在充分勘查的基础上具体对待各段公路，灵活组网；在无线网络投入运行后，还要全面进行路测，发现问题，及时加以调整和改进。
在实现高速公路和铁路无缝覆盖的过程中，对于基站类型的选择一般有以下几点考虑：
在能实现大范围覆盖的地方尽量采用宏蜂窝：如平原地区、城镇，还可以安装塔顶放大器扩大覆盖范围；在山区道路的弯道处建站，如果弯道两端道路较直，一个基站能实现较远距离的覆盖，可选用宏蜂窝双向站、或单小区两方向发射站；如果建站条件不好，设备机房选择困难，可以考虑使用室外型宏蜂窝，也可以采用微蜂窝+双向放大器。
在能达到覆盖要求时尽量采用全向站：不靠近城镇的公路和铁路区段的话务量较低，尽量采用简单、经济的全向站。
实现近距离覆盖或补充盲区用微蜂窝：如果出现连续弯道，宏蜂窝无法覆盖很远，可选用微蜂窝覆盖作为补充；如果缺少宏蜂窝的建站条件，也可以用微蜂窝代替，微蜂窝基站外接高增益天线和BOOSTER，也可以实现大范围覆盖。微蜂窝基站具有安装方便、经济实用、对环境要求比较低等特点。
针对山区的有阻挡地区，可以考虑使用直放站：在山区建站，可在宏蜂窝中嵌微蜂窝，或者使用直放站，解决信号的不连续性。
除此之外，其它需要考虑的因素还有：为高速移动预留恶化量；注意山体对信号的反射；时间色散的影响；最大定时提前量的影响；对隧道覆盖的考虑；对无线参数的调整等。
对高速公路和铁路的无缝覆盖一般应遵循如下几个基本原则：
●站距考虑：公路覆盖的小区半径一般比较大。
●天线考虑：天线安装的高度比较高；使用窄波瓣的高增益天线；天线的主瓣沿公路方向形成覆盖,不使用下倾或小角度下倾。
●馈线系统：采用低损耗馈缆；使用塔放改善上行链路；使用双向放大器BOOSTER，同时改善上、下行链路；使用中兴特有的免馈线微型基站。
●传输考虑：E1用于可以解决传输的地区；在没有传输的情况下或者传输代价比较大的情况下，首选微波解决；公路沿线在有光纤传输设备的情况下，直接利用光纤进行BTS组网；有条件时可以利用卫星实现传输。
●电源考虑：尽量要求电源稳定；蓄电池容量适度增大；有条件的地方可设车载柴油发电机。
●组网配置考虑：公路的小区设置一般为链型或者链型+树型配置。
由于无线电波传播环境的复杂性，加上地形地物的影响以及城市规划和经济的发展，使得覆盖不良的原因有许多，主要有：建筑物材料固有的屏蔽作用，增加了无线信号的穿透损耗，影响了网络的信号接收和通话质量；为提高网络容量增加频率复用而采取缩小基站覆盖半径方式，限制了基站架设高度，造成高层建筑物区域无线信号来自多个小区或地面、墙面的不稳定反射信号，导致频繁切换，严重影响网络覆盖质量；地铁和隧道沿线由于地面的屏蔽、弯道、车厢的阻挡等因素，阻碍了电波的传播；随着经济的发展，高速公路和铁路作为交通枢纽辐射全国区域，其沿线话务量正在逐步提高，因此完善交通干线的覆盖将成为提高网络质量的关键。
一、实现无缝覆盖的几种方式
就目前网络来说，实现无缝覆盖主要要解决以下三种特殊区域的无缝覆盖：建筑物室内覆盖(包括高楼、宾馆、大型购物商场、停车场等建筑物内)、地铁和隧道的室内覆盖以及高速公路和铁路沿线的覆盖。
总的来说，实现以上三种特殊区域的覆盖主要有以下几种方法：
1、宏蜂窝直接覆盖
这是常用的室外覆盖方式，同时又可以通过直接穿透实现最简单的室内覆盖，但是当室内覆盖范围大而复杂或穿透损耗过大时室内覆盖效果较差。
2、微蜂窝直接覆盖
典型应用是对宏蜂窝室外覆盖的补充和一定区域内的室内覆盖，可以灵活选择内置、外置天线，充分发挥安装简便、吸收大话务量的特性，但是覆盖面积有限。
3、信号源+分布式天线系统
可以采用宏蜂窝、微蜂窝和直放站为信号源，利用有源或无源同轴电缆、光纤、泄漏电缆等分布式传输介质对无线信号进行室内分配，是一种极为灵活的覆盖方式，能够很好地满足较大区域室内覆盖以及地铁、隧道的覆盖。
二、建筑物室内无缝覆盖解决方案
建筑物室内覆盖需要考虑的基本因素有：隔墙的阻挡5~20dB、楼层的阻挡20dB以上、家具及其它障碍物的阻挡2~15dB、多径衰落及高层建筑物上的"孤岛效应"和"乒乓效应"。 下面主要介绍目前建筑物室内覆盖的最佳解决方案：信号源+分布式天线系统。
如图1所示，信号源如果为微蜂窝MB，则可以直接采用同轴电缆进大楼，或者利用智能大厦预埋的光纤和五类非屏蔽双绞线进大楼；信号源如果为宏蜂窝BTS，可以考虑分别用不同扇区引出信号覆盖多个建筑物，进入大楼方式与微蜂窝相同，宏蜂窝与远地建筑物之间可采用光纤传输方式；信号源如果为直放站RR，在室外宏蜂窝存在富余容量的情况下，通过直放站RR将室外信号引入室内的覆盖盲区。直放站不需要额外的基站设备和传输设备，安装简便灵活。 比较以上三种信号源，采用微蜂窝和宏蜂窝可以吸收话务量，适于话务繁忙的高档服务区的室内覆盖，但建设的设备投入较大、工程周期较长；而直放站将空闲基站的信号引到繁忙基站的室内覆盖区内，实现疏忙，并且直放站容易在短时间内开通，但是应用直放站一定要预先做好频率规划以避免干扰，而且直放站不能解决话务量溢出问题，也不利于网络管理。 实现建筑物室内无缝覆盖的分布式天线系统，主要有三种：
1、无源同轴分布式天线系统
信号源发出的射频信号经过同轴电缆、耦合器、功分器和室内天线，均匀地分配到覆盖区域的每一个角落。其优点为系统造价低，由于本身为无源系统，所以可靠性高和系统产生互调干扰产物甚低；缺点是因为信号在传输过程中无增益，所以在能量估算问题上需要精确计算，才能完成预计覆盖区域，因此设计修改麻烦、设计与施工技术含量较高。
2、有源同轴分布式天线系统
在无源同轴分布式天线系统的基础上增加放大器，即实现了有源同轴分布式天线系统，并且可以同时使用多级放大器。其优点为设计与施工简单方便，信号强度动态可调，系统具有良好的可扩展性，是一种极为灵活的通用室内覆盖系统；缺点是因为系统涉及到多个有源器件，互调产物多，可靠性低，需要实时监控和维护。
3、光纤分布式天线系统
光纤分布式天线系统利用单模光纤将射频信号传输到建筑物内部各个地方，通常光纤和同轴电缆结合使用，在建筑物纵平面上采用光纤传输，横平面上进入楼层以后采用同轴电缆传输；有时也利用光纤实现信号在不同建筑物间的传输，进入建筑物以后采用同轴电缆传输；如果为智能大厦设计室内无缝覆盖，可以充分利用其预埋的光纤和五类非屏蔽双绞线实现室内覆盖，通过电光转换单元在纵平面上采用光纤传输，再通过光电转换单元在横平面上采用五类非屏蔽双绞线传输信号。因此光纤分布式天线系统是用于大面积、远距离复杂区域的室内覆盖。
三、地铁和隧道的无缝覆盖解决方案
前地铁和隧道的无缝覆盖由于弯道多、环境封闭，主要通过信号源+分布式天线系统来实现，根据信号源的不同，有两种覆盖方式：微蜂窝方式和宏蜂窝+直放站方式。根据站厅、站台和隧道等覆盖区域的不同，分布式天线系统可以分别采用同轴分布式天线系统、泄漏电缆等方式。首先比较两种信号源方式的优劣势：
1、信号源为微蜂窝：能显著提高网络容量，单位面积内吸收更高的话务；体积小，壁挂式安装方便灵活，不需要特别安置空间；同一站址的微蜂窝还可以通过级联方式节约传输链路，中兴微蜂窝设备最多可实现三级级联捆绑；通过操作维护平台能实现双向信息交流的远程监控和操作维护，从而简化了系统运营过程中的故障告警和维护程序，降低了运营成本；可靠性高，当某一个微蜂窝出现故障时，只会影响到该微蜂窝以及与之级联的最多两个微蜂窝所覆盖区域的通信。
2、信号源为宏蜂窝+直放站：这种方式通过专门为地铁建设的几个大容量的宏蜂窝，再由直放站将信号引入到地铁内部，很好地解决了仅用直放站引入信号不能提高网络容量的问题，而且直放站的安装简便灵活；但是宏蜂窝设备投入较大、建设周期较长，并且需要占用一定的室内面积用于放置；宏蜂窝近端信号输出电平较大，必须采取措施才能实现均匀的室内分布，但是会影响传输距离；可靠性低，当直放站通过星型或链型连接在宏蜂窝上时，一旦该宏蜂窝出现故障，将影响所有与之相连的直放站所覆盖的区域的无线通信；不易监控管理和日常维护，直放站作为有源器件，一般只具备上行告警功能，因此监控设备无法远程实现对直放站的故障定位和维护操作。
其次考虑不同的覆盖采用不同的分布天线系统。如图2所示：
站厅区域的覆盖：站厅一般采用同轴分布式系统作为信号源的延伸，最后由天线阵列将信号均匀地辐射到站厅的每一个角落，此覆盖方式与前面介绍的建筑物室内覆盖方式完全一样，此处不再赘述。
站台区域的覆盖：站台形状一般为长条形，完全可以和隧道一起考虑采用泄漏电缆方式覆盖，但也可以考虑采用同轴分布式天线系统来实现对站台的覆盖。
隧道区域的覆盖：国际上对地铁隧道一般采用泄漏电缆进行覆盖。泄漏射频电缆在输送信号的同时也发射、接收信号，其特点是均匀场强，可以适应弯道使用；同时泄漏电缆具有较宽的工作频段，非常适合多频段分布系统使用。
四、高速公路和铁路沿线的无缝覆盖解决方案
高速公路和铁路沿线覆盖的网络特性主要有以下几点：
1、低话务量
高速公路沿线的小区覆盖范围一般都比较大、话务量较小，在满足覆盖要求的情况下站点尽量少，这样有利于节省投资，也便于以后维护；先用天线高、发射功率大的基站进行大范围覆盖，再在盲区和弯曲复杂地区增设微蜂窝。重点是解决覆盖。
2、带状连续覆盖
这与大中城市或平原农村的覆盖有着较大区别，故公路的覆盖多采用双向小区；在穿过城镇，旅游点的地区也综合采用三向、全向小区；在网络拓扑结构上可考虑链型连接，以节省传输链路。如图3所示。
3、用户高速移动
要对切换参数加以精心设置；同时也要考虑汽车的穿透损耗对覆盖半径的影响，留出较大的余量。
4、地形地貌复杂
高速公路和铁路所经过的地形往往复杂多变，有平原、高山、树林、隧道等，还要穿过乡村和城镇，所以对其无线网络的规划一定要在充分勘查的基础上具体对待各段公路，灵活组网；在无线网络投入运行后，还要全面进行路测，发现问题，及时加以调整和改进。
在实现高速公路和铁路无缝覆盖的过程中，对于基站类型的选择一般有以下几点考虑：
在能实现大范围覆盖的地方尽量采用宏蜂窝：如平原地区、城镇，还可以安装塔顶放大器扩大覆盖范围；在山区道路的弯道处建站，如果弯道两端道路较直，一个基站能实现较远距离的覆盖，可选用宏蜂窝双向站、或单小区两方向发射站；如果建站条件不好，设备机房选择困难，可以考虑使用室外型宏蜂窝，也可以采用微蜂窝+双向放大器。
在能达到覆盖要求时尽量采用全向站：不靠近城镇的公路和铁路区段的话务量较低，尽量采用简单、经济的全向站。
实现近距离覆盖或补充盲区用微蜂窝：如果出现连续弯道，宏蜂窝无法覆盖很远，可选用微蜂窝覆盖作为补充；如果缺少宏蜂窝的建站条件，也可以用微蜂窝代替，微蜂窝基站外接高增益天线和BOOSTER，也可以实现大范围覆盖。微蜂窝基站具有安装方便、经济实用、对环境要求比较低等特点。
针对山区的有阻挡地区，可以考虑使用直放站：在山区建站，可在宏蜂窝中嵌微蜂窝，或者使用直放站，解决信号的不连续性。
除此之外，其它需要考虑的因素还有：为高速移动预留恶化量；注意山体对信号的反射；时间色散的影响；最大定时提前量的影响；对隧道覆盖的考虑；对无线参数的调整等。
对高速公路和铁路的无缝覆盖一般应遵循如下几个基本原则：
●站距考虑：公路覆盖的小区半径一般比较大。
●天线考虑：天线安装的高度比较高；使用窄波瓣的高增益天线；天线的主瓣沿公路方向形成覆盖,不使用下倾或小角度下倾。
●馈线系统：采用低损耗馈缆；使用塔放改善上行链路；使用双向放大器BOOSTER，同时改善上、下行链路；使用中兴特有的免馈线微型基站。
●传输考虑：E1用于可以解决传输的地区；在没有传输的情况下或者传输代价比较大的情况下，首选微波解决；公路沿线在有光纤传输设备的情况下，直接利用光纤进行BTS组网；有条件时可以利用卫星实现传输。
●电源考虑：尽量要求电源稳定；蓄电池容量适度增大；有条件的地方可设车载柴油发电机。
●组网配置考虑：公路的小区设置一般为链型或者链型+树型配置。
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