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第15章室内分布系统
19.1概述
现代都市中建筑物越来越高、越来越多、越来越密集，移动通信的无线电信号在其间受到阻挡而衰减，另外现代建筑多以钢筋混凝土为骨架，再加上全封闭式的外装修，对无线电信号的屏蔽和衰减特别厉害，很难进行正常的通信。
在一些高层建筑物的低层，基站信号通常较弱，存在部分盲区；在某些超高建筑物的高层，又没有覆盖。
在大多数的地下建筑，如地下停车场、地下商场、地铁、隧道等场所，通常都是盲区。
在大中城市的中心区，基站密度都比较大，平均站距小于１ｋｍ，所以通常进入室内的信号通常比较杂乱、不稳定。
特别是在一些没有完全封闭的高层建筑的中、高层，进入室内的信号非常杂乱，近处基站的信号、远处基站的信号通过直射、折射、反射、绕射等方式进入室内，信号忽强忽弱不稳定，同频、邻频干扰严重。
手机在这种环境下使用，未通话时，小区重选频繁，通话过程中频繁切换，话音质量差，掉话现象严重。
在城市的边缘区，基站密度小，站距大，在距基站较远的建筑物内，因建筑材料对电磁波的损耗，移动通信用户在室内的通信也受到了很大的影响和限制。
特别是移动通信的网络覆盖、容量、质量是运营商获取竞争优势的关键因素。
网络覆盖、网络容量、网络质量从根本上体现了移动网络的服务水平，是所有移动网络优化工作的主题，室内覆盖系统正是在这种背景之下产生的。
总之，进行室内覆盖系统建设的直接理由是：
覆盖方面，由于建筑物自身的屏蔽和吸收作用，造成了无线电波较大的传输衰耗，形成了移动信号的弱场强区甚至盲区;
容量方面，建筑物诸如大型购物商场、会议中心，由于移动电话使用密度过大，局部网络容量不能满足用户需求，无线信道发生拥塞现象;
质量方面，建筑物高层空间极易存在无线频率干扰，服务小区信号不稳定，出现乒乓切换效应，话音质量难以保证，并出现掉话现象。
室内覆盖系统为上述问题提供了较佳的解决方案。
其原理是利用室内分布系统将移动基站的信号均匀分布在室内每个角落，从而保证室内区域拥有理想的信号覆盖。
19.2室内分布系统原理
19.2.1室内分布系统组成
室内分布系统（也称为室内覆盖系统）利用分布式天线系统将基站信号尽可能均匀地分布在室内每个角落，满足室内通信需求。
室内分布系统由信号源部分和信号分布系统两部分组成，如下图所示。
根据室内用户数量的多少，信号源可以是微蜂窝基站，也可以是直放站。
图1室内分布/覆盖系统组成
有源馈线式室内分布系统示意图如下：
图2室内覆盖与室内分布系统示意图
19.2.2信号源部分
信源接入方式
室内分布系统的信号源有以下几种接入方式：
（1）宏蜂窝作信源接入信号分布系统；
（2）微蜂窝作信源接入信号分布系统；（3）直放站作信源接入信号分布系统。
（1）宏蜂窝作信源接入信号分布系统
是以宏蜂窝基站作为信号分布系统的信号源。
宏蜂窝作信号源容量大、覆盖范围广、信号质量好、容易实现无源分布、网络优化简单，是室内分布系统最好的接入方式。
但宏蜂窝成本较为昂贵，且需有光纤传输通路，建设周期长。
图宏蜂窝作信源接入信号分布系统示意图
（2）微蜂窝作信源接入信号分布系统
是以微蜂窝基站作为信号分布系统的信号源。
由于微蜂窝本身功率较小，只适用于较小面积的室内覆盖，若要实现较大区域的覆盖，就必须增加微蜂窝功放。
与宏蜂窝相比微蜂窝成本较低、对环境要求不高、施工方便等，所以微蜂窝作信号源使用也较为广泛。
图微蜂窝+功放接入信号分布系统示意图
（3）直放站作信源接入信号分布系统
是利用施主天线空间耦合或利用耦合器件直接耦合存在富余容量的基站信号，再利用直放站设备对接收到的信号进行放大为信号分布系统提供信号源。
直放站以其灵活简易的特点成为解决小容量室内分布系统的重要方式。
直放站不需要基站设备和传输设备，安装简便灵活，设备型号也丰富多样，在移动通信直放站中也扮演着重要的角色。
直放站作信源接入信号分布系统有以下应用方式：
1）通过直放站的施主天线直接从附近基站提取信号
图?
?
2）用耦合器从附近基站耦合部分信号通过光纤传送到欲覆盖区的直放站
3）用耦合器从附近基站耦合部分信号通过电缆传送到欲覆盖区的直放站
图?
?
信源选取
室内分布系统的信源的选取应综合权衡系统容量、频率资源、预期收益、投入成本、预期效果等多方面因素才能定夺。
系统容量直接决定室内分布系统的网络质量，如容量太小将直接导致覆盖区内的信道堵塞、呼损率大幅提高、接通困难、掉话严重等一系列的严重问题。
容量太大又会造成本过高和资源的巨大浪费，因此配置合理的室内分布系统的容量非常重要。
以下提供工程设计中的经验值：
²平均每用户忙时话务量：
0.02Erl
²用户呼损率:
2%
²直放站覆盖区域的话务量不超过其施主基站话务量的40%
当直放站覆盖区域的话务量超过其施主基站话务量的40%时，应改换宏蜂窝或微蜂窝基站作信源。
表室内分布系统信源选择的比较
使用基站
使用直放站
1.是否增加容量
根据需要增加容量
不能增加容量
2.信号质量
好
一般
3.对网络的影响
小
控制不好影响很大
4.是否需要传输设备
需要
不需要
5.是否需要重新频率规划
需要
不需要
6.是否需要调整参数
需要
支持
7.是否支持容量动态分配
不支持（容量预分配）
支持
8.是否支持多运营商
不支持
支持
9.安装时间
较长
较短
10.投资
较多
较少
19.2.3信号分布系统组成
信号分布系统主要由信号分/合路器、功率分配器件、馈线、室内天线等组成，是将基站或直放站的信号均匀的覆盖到室内的每个角落。
如下图：
图?
?
信号分布方式
（1）射频无源分布系统
无源系统主要由分/合路器、功分器、耦合器、馈线、天线组成。
无源系统没有有源设备故所以障率低、可靠性高、几乎不需要维护、且容易扩展。
但信号在馈线及各器件中传递时产生的损耗无法得到补偿，因此覆盖范围受信源输出功率影响较大。
信源输出功率大时，无源系统可应用于大型室内覆盖工程，如大型写字楼、商场、会展中心等；信源功率较小时，无源系统仅应于小范围区域覆盖，如小的地下室、超市等。
如下图：
图?
?
（2）射频有源分布系统
有源系统主要由干线放大器、功分器、耦合器、馈线、天线组成。
有源系统中的有源设备可以有效补偿信号在传输中的损耗，从而延伸覆盖范围，受信号源输出功率影响较小。
有源系统广泛应用于各种大中型室内覆盖系统工程。
如下图：
图?
?
（3）光纤分布方式
光纤分布系统是采用光纤作为传输介质，由覆盖端机（主单元、接口单元）、远端覆盖单元、天线、光分/合路器件组成。
由于光纤损耗小，适合于长距离传输，该系统广泛应用于大型写字楼、酒店、地下隧道、居民楼等室内覆盖系统的建设。
如下图：
图?
?
（4）泄露电缆分布方式
信号源通过泄漏电缆传输信号，并通过电缆外导体的一系列开口，在外导体上产生表面电流，从而在电缆开口处横截面上形成电磁场，这些开口就相当于一系列的天线起到信号的发射和接收作用。
它适用于隧道、地铁、长廊等地形。
如下图：
图?
?
表几种信号分布方式的比较
信号分布方式
优点
缺点
1.无源天馈分布方式
成本低、无源器件，故障率低、无需供电，安装方便、无噪声累积、宽频带
系统设计较为复杂、信号损耗较大时需加干放
2.有源分布方式
设计简单，布线灵活，场强均匀
频段窄，多系统兼容困难；需要供电，故障率高、有噪声积累，造价高
3.光纤分布方式
传输距离远，布线方便，性和传输质量好。
造价高
4.泄漏电缆分布方式
场强分布均匀，可靠性高；频段宽，多系统兼容性好。
造价高，覆盖半径小。
确定了室内分布系统的信源的接入方式和信号的分布方式即完成室内分布系统的组网方案。
19.3室内分布系统的技术要求
19.3.1系统技术指标
前向/反向业务信道误侦率：
FER=1%（EB/No=6~7dB）
信道编码：
9.6Kb/S
话音激活系数：
40%
小区负载：
50%
无线信道呼损率：
2%
每用户忙时话务量：
0.02Erl
覆盖区内无线接通率要求在无线覆盖区内95%的位置，99%的时间移动台可接入网络。
话务量吸收：
楼内90%以上的话务量由微蜂窝承担
覆盖区域：
楼内95%以上的面积由分布系统覆盖
导频Ec/Io最低门限：
-12dB
场强强度：
95%以上的区域场强应≥-85dBm（电梯为-85dBm，地下停车场边缘场强≥-90dBm
统计指标：
掉话率＜1%，呼叫建立成功率＞95%
兼容性：
分布系统应能同时支持CDMA、GSM900、DCS1800；
19.3.2天馈线及无源器件技术指标
频率范围要求：
800~2500MHz
天线类型：
全向天线和定向天线，垂直极化；
天线适用频段：
800~2500MHz；
系统中所有无源器件适用频段：
800~2500MHz；
光缆性能要求参见通信行业标准；
分布系统应有完善的单机及系统远程、本端告警功能。
19.4室内分布系统的相关技术
19.4.1室内电磁传播模型
在室内电磁波传播受响的因素很多，在有限的空间内环境变化大，墙、顶、地、人和室内物体等都会引起电磁的反射、折射、散射和吸收，电磁场分布十分复杂，电波传播模型相应多种多样。
本文着重介绍在测试的基础上总结出来的三种传播模型，可供移动通信室内覆盖预测参考用。
1）室内小尺度路径损耗
d
d0
室内小尺度路径损耗是指短距离、短时间内快速衰落（衰落深度达20∽40dB），其传播模型表达式为：
PL（d）=PL（d0）+10·n·log（）+Xδ（dB）（式1）
式中：
PL（d）表示路径d的总损耗值；
PL（d0）表示近地参考距离（d0=3∽10λ）时，自由空间衷减值；
Xδ表示标准偏差δ（3∽14）的正态随机变量。
2）室内路径损耗因子模型
d
d0
这一模型灵活性很强，预测路径损耗与测量值的标准偏差为4dB，衰减因子模型表达式为：
PL（d）=PL（d0）+10·nＳＦ·log（ ）+FAF（dB）（式2）
式中：
nＳＦ表示同层损耗因子（1.6∽3.3）;
FAF表示不同层路径损耗附加值（10∽20dB）。
3）室内自由空间路径损耗附加因子模型
d
d0
在室内可以认为是自由空间受限的传播路径，这一模型灵活性很强，预测路径损耗与测量值的标准偏差为4dB，其传播模型表达式为：
PL（d）=PL（d0）+20log（ ）+β×d（dB） （式3）
式中：
β路径损耗因子（-0.2∽1.6dB/m）。
4）室内场强预测举例
由于式1中Xδ与δ正态随机变量关系式复杂，因此，实际工程采用式2和式3较多，本文举出二例供工程设计参考用。
例1：
假设本工程为某一宾馆的室内分布系统工程，天线输入口功率Pt=5dBm，吸顶天线增益为Gm=2.1dBi，同层预测距离d=15米，d0
15
1
设定为1米。
PL（d0）=31.5dB（f=900MHz），采用2式，其中nＳＦ为2.8代入式2得:
PL（15m）=PL（1m）+10×2.8log（ ）+0
=31.5+32.9
=64.4dB
预测出距离信号源15米处的场强（设衰减储备R为10dB）：
PdBm=Pt+Gm-PL（15m）-R
=5dBm+2.1dB-64.4dB-10dB
=-67.3dBm
例2：
假定本工程室内分布系统工程同例1即：
Pt=5dBm；Gm=2.1dBi；d=15米；d0＝1米；
15
1
Pl（d0）=31.5dB（f=900MHz）；采用3式，其中β为0.6dB/m，代入式3得:
PL（15m）=PL（1m）+20log（ ）+0.6×15
=31.5+23.5+9
=64dB
预测出距离信号源15米处的场强：
PdBm=Pt+Gm-PL（15m）-R
=5dBm+2.1dB-64dB-10dB
=-66.9dBm
上述二例用式2和式3预测出覆盖区（15m）场强相差不大，但是由于室内传播非常复杂，预测出的场强和实际测量值存在一定偏差，工程设计时需用实测值对传播模型进行修正。
19.4.2室内分布系统的噪声分析
在无源分布系统中由于无源器件不会给系统带来噪声增量所以系统的总噪声就等白噪声加上基站设备的噪声系数。
在有源分布系统中由于电子器件存在热噪声，直放站在正常工作时不可避免会有噪声电平输出，其输出的噪声电平为：
PREP-Noise=10log（K、T、B）+FREP+GREP（dB值）
（1）
PREP-Noise——直放站上行输出噪声电平
其中：
K——波尔兹曼常数（1.38×10-23）
T——噪声温度，可取295℃（绝对温度）
B——CDMA载波信号带宽，1.23MHz
FREP——直放站噪声系数（dB）
GREP——直放站上行增益（dB）
直放站上行输出的噪声电平PREP-Noise经过上行路径损耗后发送到基站，在基站接收机输入端注入直放站的噪声，引入到基站的噪声电平为
PREP-INj=PREP-Noise–Ld（dB值）
（2）
其中：
Ld为从直放站上行输出端口到基站接收端口的路径损耗（dB）
由于直放站噪声的引入，在基站输入端的总输入噪声将是基站噪声与引入的直放站噪声之和，如下式所示：
PBTS-Noise-Tolal=PBTS-Noise+PREP-INj（线性值）（3）
其中：
PBTS-Noise=10log（K、T、B）+FBTS，为基站输入端噪声电平（dB值）（4）
FBts为基站的噪声系数（dB）
PBTS-Noise+PREP-INjPBTS-Noise
ΔFBTS-rise=10log[]（dB）
由上式可知，直放站的引入，将使基站接收机输入端的噪声电平增加，这种噪声增量用dB值表示为：
10
PBTS-Noise（dB）
10
10
PREP-INj（dB）
10
+
10
PBTS-Noise（dB）
10
=10log[]（5）
将PBTS-Noise和PREP-INj代入上式，则在基站输入端由直放站引入的噪声增量为：
FREP-FBTS+GREP-Ld
10
ΔFBTS-rise=10log[1+10]（dB）（6）
Nrise
10
=10log[1+10]（dB）（8）
Nrise=（FREP-FBTS）+（GREP-Ld）（dB）
Nrise我们定义为噪声增量因子，由上式可知：
噪声增量因子Nrise=直放站与基站的噪声系数差+上行增益与路径损耗差
（FREP-FBTS）+（GREP-Ld）
10
ΔFREP-rise=10log[1+10]（9）
噪声增量因子Nrise可以≥0或≤0，其数值越大，引起基站的噪声增量就越大，对基站的影响就越大；其数值越小，对基站的影响就越小。
在工程设计中，直放站和基站的噪声系数是已知的常数，因此噪声增量因子的变量是直放站上行增益GREP和直放站与基站间的路径损耗。
一旦直放站安装完毕，进入开通调试时，上行路径损耗中值在短时间内会是相对稳定的值，此时上行增益的大小决定噪声增量因子，显然上行增益越大，噪声增量因子越大；上行增益越小，噪声增量因子越小。
在实际工程中我们会注意到，如果将上行增益调得太小会减小直放站的上行覆盖范围。
直放站与基站级联工作的系统里，直放站的上行覆盖距离是与噪声增量因子的四个参数有关，直放站噪声系数FREP、基站噪声系数FBTS、直放站上行增益GREP、以及直放站到基站间的路径损耗Ld。
应用级联放大器噪声系数的分析方法，可以求解出当直放站与基站级联工作时，在直放站输入端也会产生噪声增量，直放站级联系统的输入端等效噪声系数，要高于直放站本机的噪声系数，在直放站上行输入端引入的噪声增量同样可用噪声增量因子Nrise来表征，如下式所示
Nrise
10
=10log[1+10]
ΔFREP-rise--------直放站上行输入端的噪声增量。
图?
图1绘制出ΔFBTS-rise、ΔFREP-rise与噪声增量因子Nrise的曲线。
从图中可见，基站噪声增量与噪声因子Nrise成正比，而直放站的噪声增量与噪声增量因子成反比。
当基站覆盖区引入直放站后，基站和直放站的噪声系数均增加一个噪声增量，分别为
基站总噪声系数FBTS-Total=FBTS+△FBTS-rise
Nrise
10
+10log[1+10]
=FBTS
直放站级联总噪声系数FREP-Total=FREP+△FREP-rise
Nrise
10
+10log[1+10]
=FREP
当Nrise=0时，基站和直放站的噪声系数均在原有数值上增加了3dB，对上行覆盖范围的影响是相同的。
当Nrise＜0时，基站的噪声增量将＜3dB，当Nrise越小，对基站的噪声影响就越小，例如，当Nrise=-10dB时，△FBTS-rise只有0.4dB，这时对基站的覆盖范围不会有影响。
但是当Nrise越小时，对直放站的噪声影响就越大。
当Nrise=-10dB时，直放站的噪声系数将增加10.4dB，这意味着直放站的覆盖距离要缩短1倍以上。
当Nrise＞0时，基站的噪声增量将＞3dB，直放站的噪声增量将＜3dB，Nrise越大，基站的覆盖范围距离越小，而直放站的覆盖距离就越大。
综上所述，在由基站和直放站级联组成的无线接入系统里，如果要扩大直放站的覆盖范围，基站将不可避免承受直放站带来的噪声影响，特别在CDMA系统里，如果希望一个基站带多台直放站时，这种影响将会更大。
为了能更好地达到基站和直放站的覆盖效果，在网络规划设计阶段需将基站和直放站的设计放在一起考虑，需要合理分配噪声增量，在预测上行覆盖距离时，需要考虑噪声增量对覆盖距离的影响。
只有合理分配基站和直放站的噪声增量，才能取得基站和直放站双赢的覆盖效果。
19.4.3室内分布系统的上下行平衡
BTS下行发射功率：
PTb
手机发射功率：
PM
BTS噪声系数：
NFb
手机噪声系数：
NFM
等效输入噪声电平：
PNb=[K·T·B]dB+NFb
等效输入噪声电平：
PNM=[K·T·B]dB+NFM
BTS上行接收信号电平：
PRb=PM-LP
手机下行接收信号电平：
PRM=PTb-LP
上行载噪比：
C/N上=
=[PRb]dB-[PNb]dB
=PM-LP-[K·T·B]dB-NFb
下行载噪比：
C/N下=
=[PRM]dB-[PNM]Db
=PTb-LP-[K·T·B]dB-NFM
上下行平衡条件：
C/N上=C/N下
PM-LP-[K·T·B]dB-NFb=PTb-LP-[K·T·B]dB-NFM
PM-NFb=PTb-NFM或PTb+NFb=PM+NFM
基站发射功率+基站噪声系数=手机发射功率+手机噪声系数
基站与直放站级联系统噪声系数NF与传输损耗Ld直放机增益G的关系
NF2-1
G1
基站接收到直放站噪声电平：
PNb=[K·T·B]dB+G+NFr-Ld
基站与直放站级联系统噪声系数：
NF=NF1+
NF=10log[NF1+]dB
设直放站本机噪声系数：
NFr=5dB、基站噪声系数：
NFb=5dB
BTS下行发射功率：
PTb
手机发射功率：
PM
BTS噪声系数：
NFb
手机噪声系数：
NFM
等效输入噪声电平：
PNb=[K·T·B]dB+NFb
等效输入噪声电平：
PNM=[K·T·B]dB+NFM
BTS上行接收信号电平：
PRb=PM-LP
手机下行接收信号电平：
PRM=PTb-LP
上行载噪比：
C/N上=PRb/PNb
=[PRb]dB-[PNb]dB
=PM-LP-[K·T·B]dB-NFb
下行载噪比：
C/N下=PRM/PNM
=[PRM]dB-[PNM]dB
=PTb-LP-[K·T·B]dB-NFM
上下行平衡条件：
C/N上=C/N下
PM-LP-[K·T·B]dB-NFb=PTb-LP-[K·T·B]dB-NFM
PM-NFb=PTb-NFM或PTb+NFb=PM+NFM
基站发射功率+基站噪声系数=手机发射功率+手机噪声系数
19.5CDMA与GSM共用信号分布系统的组网
目前，国内许多城市都已不同程度地建设了一批GSM室内分布系统，而CDMA网络建设较晚，室内分布系统的数量较少。
因此借助原来GSM网络的室内分布系统资源解决CDMA网络的室内覆盖是在短时间建设成广覆盖的CDMA网络的一种行之有效的方法。
在新建设的室内分布系统中若GSM网络和CDMA网络同时建设不仅业主难于协调还会造成巨大的资源浪费。
因此CDMA与GSM共用信号分布系统的组网是实现GSM和CDMA双网覆盖的有效方法。
在全国得到广泛应用。
19.5.1信源合路
通过双频合路器把CDMA信号和GSM信号和为一路接入同一天馈系统，实现CDMA与GSM的双网覆盖。
如下图所示：
图
19.5.2分布系统中放大单元合路
在分布系统中若无源分布系统无法满足覆盖要求需加信号放大设备时，要对分别放大的信号进行合路。
如下图：
图
在分布系统中的应用如下图：
图
19.6多系统共用信号分布系统组网
随着地铁、大型展馆、大型建筑群的出现室内分布系统也出现新
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