WLAN室內覆蓋系統合路PHS室內分布系統的技術分析

WLAN室內覆蓋系統合路PHS室內分布系統的技術分析
 
 摘要：本文通過對WLAN與PHS室內覆蓋系統的合路分析，對目前中國電信WLAN數據業務的發展提供一個解決思路。
 關鍵詞：合路方式   增益   干擾     隔離度    技術指標
 1.前言
 近年來，隨著移動通信的快速發展，移動電話已逐漸成為人民群眾日常生活中廣泛使用的一種現代化通信工具，同時廣大移動用戶對移動通信服務質量的要求也越來越高，他們已不再單單滿足于良好的室外移動通信服務，而且也要求在室內（特別是星級酒店、大型商場、高級寫字樓等）能享受優質的移動通信服務。
 以前室內覆蓋主要依靠室外現有的網絡覆蓋的延伸方式。如直放站方式、室外大功率基站方式、天線架高方式等。但是這樣的解決方式帶來以下問題：
由于穿透損耗大，室內覆蓋效果差，存在大量覆蓋盲區;
采用直放站方式時，對源信號電平要求高，并且交調干擾和同鄰頻干擾都比較嚴重，通話質量難于保證，控制不好會影響整網的質量;
采用直放站和室外基站沒有根本解決容量問題，網絡容量有限，接通率低;
天線架設太高會帶來越區覆蓋，影響整網質量;
室外小區增加頻率時，頻率規劃困難，網絡容量增長困難。
 因此，如何解決好室內信號的覆蓋問題，滿足廣大用戶的需求，提高網絡質量，已變得越來越重要，也成為網絡優化工作的一個重點。為解決以上所述的室內信號覆蓋不理想的問題，目前有效的解決方法是在建筑物內安裝室內覆蓋分布系統。就是將基站的信號通過有線/無線方式直接引入到室內的每一個區域，再通過小型天線將基站信號發送出去，從而達到消除室內覆蓋盲區、抑制干擾的目的，為樓內的移動通信用戶提供穩定、可靠的室內信號，使用戶在室內也能享受高質量的移動通信服務。
 隨著中國電信股份公司“e家行”業務及WLAN數據工程的建設發展，WLAN與PHS室內覆蓋雙網合路技術逐步得到應用和發展。PHS與WLAN系統合路的技術優勢在于能降低網絡建設成本，減少工程安裝量，縮短工程建設周期，提高網絡建設質量等方面。本文主要針對雙網合路的關鍵技術點進行基本分析。
1.合路技術與原理
1.1概念
 雙網合路的技術思路，是將WLAN的無線射頻信號通過合路器饋入PHS室內分布系統，各頻段信號共用天饋系統進行覆蓋，如圖1所示。在天饋系統無源器件無法滿足合路頻段要求，或由于天線安裝位置不合理導致無法達到預定信號覆蓋強度等情況下，可對原有天饋系統進行擴頻或結構改造，以實現雙網（PHS、WLAN）或多網（如PHS、CDMA、WLAN）合路。圖1說明，P網、C網和WLAN之間并不存在直接的相互關系，只是通過合路單元（多頻合路器）實現射頻信號共用天饋傳輸。

1．2各系統頻率資源的規劃
 對于室內覆蓋系統，根據不同的實際情況，為了達到室內覆蓋效果和改善網絡運行指標，需要對室內分布信號頻率進行很好的規劃。對于不同的系統，其頻率規劃具有各自的特點。
 (1)PHS室內分布的頻率規劃
 對于室內覆蓋系統，根據不同的實際情況，為了達到室內覆蓋效果和改善網絡運行指標需要對室內分布信號頻率進行很好的規劃。
室內覆蓋系統與室外信號同頻
優勢－ 節省頻點。
缺點－ 室內分布系統的基站失去上行分集增益，上行的靈敏度下降，室內分布系統的基站容易受到室外基站的干擾，基站的干擾規避率，掉話率指標相對較差。
 因此，對于具體工程，具體情況，采用同頻室內分布系統，必須考慮室外基站對室內基站的干擾問題。
室內覆蓋系統單獨使用頻點
 優勢－:室內與室外基站間不會產生TCH干擾，基站的干擾規避率，掉話率指標相對較好。
 缺點－:占用較多的頻點。
 因此，在頻率資源相對比較寬余的地區，室內分布系統可以使用單獨的頻點。
考慮因素
 如果建筑物內部來自室外的干擾較少，室內系統與室外網絡一般可以考慮使用同頻方案；
 如果建筑物內部來自室外的干擾較大，室內系統可以考慮單獨使用頻點。網絡建設的不同時期應考慮采用不同的方案
 (2)WLAN頻點規劃
 無線網絡部署和維護往往是無線網絡考慮的主要問題，傳統的無線AP由于無法實現通過軟硬件的協同工作來精準地感知周圍的無線環境，雖然2.4G～2.483G之間的802.11標準的無線頻點有13個，但由于設計為相互重疊，所以只有3個不重疊頻點(一般設計工作在1、6、11這三個完全不重疊的頻點)，這樣使得頻點配置工程十分復雜，即使購買WLAN無線頻點規劃軟件也無法合理地通過人為的方式配置部署在樓宇各空間位置的頻點。
1.3．WLAN系統合路PHS系統鏈路損耗余量問題：
 由于WLAN系統是基于已有的PHS室內分布系統進行布放的，就要考慮到現有的PHS室內分布系統的鏈路損耗是否符合WLAN系統要求。當PHS系統上下行損耗滿足要求時，是否意味著就一定滿足WLAN系統上下行損耗的要求呢？為此我們要進行比較計算：
1.3.1WLAN系統上下行鏈路計算：
AP接受靈敏度 :               PrAP>=  -75 dBm
WLAN干放的上下行放大增益：    Gt =15 dBm
1W WLAN干放輸出功率      PtAP =30 dBm  （在此計算中我們取1W干放）
筆記本網卡發射功率為10mW約為:     PtComputer =10 dBm
筆記本網卡接收靈敏度：        PtAP >=  -75 dBm
筆記本到吸頂天線之間的空間損耗為     M =30 dBm 
因此我們可以計算出上行所允許的鏈路損耗為：
LUP = PtComputer –PrAP–M + Gt
    =10 dBm-（-75 dBm）-30 dBm+15 dBm<=70 dBm
LDOWN= PtAP - PtAP–M
     =30 dBm - （-75 dBm）-30 dBm<=75 dBm
 從計算可以看出WLAN 系統是一個上行受限系統，從干放到天線口處的鏈路損耗需要控制在70 dBm 以內。
1.3.2、 PHS系統上下行鏈路計算：
 小靈通手機接收電平我們取26dBμV,換算得 PrPHS > = -81dBm
 小靈通手機發射電平10Mw,  約為PtPHS= 10 dBm
 小靈通基站接收靈敏度為7dBuv，換算得 Pr基站>= -100 dBm
 干放上行增益：     G=30dB
 干放發射功率:   Pr干放  = 33dBm
 空間損耗：M=30 dBm
       Ldown= Pr干放- PtPHS - M  
            =33dBm-30dBm-(-81dBm)<=54dBm
        LUP =PtPHS - Pr基站- M+G
            = 10 dBm-(-100 dBm)-15+27<=102 dBm
 由此可以看出PHS系統是一個下行受限系統。
 通過兩套系統的上下行計算，我們可以看出，WLAN系統與PHS系統合路時，應首先考慮鏈路損耗是否滿足WLAN系統上行要求，當整套室內分布合路系統能夠滿足WLAN系統上行信號強度要求時，則肯定可以滿足PHS系統的要求。
1.4合路頻段范圍與元器件要求
 在進行雙網合路之前，應確定原有PHS覆蓋系統中所有無源器件及天線的頻段范圍是否滿足并網要求，現行各運營商系統的網絡頻段使用如表1所示：
表1 運營商網絡頻段表
系統 上行（MHz） 下行（MHz）
GSM900 890-915 935-960
GSM1800 1710-1785 1805-1880
CDMA800 825－835 870－880
WCDMA 1920-1985 2110-2170
TD-SCDMA 1880-1920 1880-1920
 2010-2025 2010-2025
PHS 1900-1915 1900-1915
WLAN 2400-2483.5 2400-2483.5
 與雙網合路有關的元器件主要包括合路器、功分器、耦合器、天線等，另外影響合路效果的器件還有天饋線、饋線接頭，相同的器件對不同頻段射頻信號通過造成的插損和線路損耗均不同，對于WLAN的2.4G高頻信號造成的影響最大。
1.5合路關鍵設備
 （1）合路器
 合路器對電磁波信號進行過濾，讓需要的信號通過，抑制不需要的信號，再將信號合成一路，同樣的，也可以把寬帶信號分離成多路，其特性可以用以下指標來描述：
 ◆通帶工作頻段：即濾波器允許通過電磁波的頻率范圍；
 ◆通帶插入損耗：由于系統中增加了濾波器，會對系統信號造成一定的衰減，通帶插入損耗（簡稱插損）度量了損耗的幅度，一般希望損耗越小越好；
 ◆阻帶抑制度：理想的濾波器是矩形的，通帶內的信號全部通過，通道外的信號全部過濾掉，但實際情況是，只能過濾掉一部分能量，阻帶抑制度反映了對過濾信號的衰減幅度，通常也稱為帶外抑制；
 ◆端口駐波比：端口駐波也是衡量濾波器性能的一個關鍵指標，反映濾波器件與系統中其它部件的匹配程度；
 回波損耗：概念上指的是一種損耗，實際上，它測量的是傳輸信號被反射到發射端的比例。
 （2）天線布放
 鑒于PHS/wlan系統所使用的2GHz頻段的載波存在電波繞射、穿透能力差，空間傳播損耗大的特點，建議采用“低功率”+“多天線”的覆蓋結構，根據不同區域設置天線類型、數目、安裝位置，保證所覆蓋區域能夠均勻覆蓋。
（3）WLAN功率放大器
 由于合路以后WLAN系統信號直接饋入GSM室內信號分布系統，因此由多系統共用天線對用戶區進行覆蓋，但是由于AP發射功率有限，在天饋系統中經過層層分支后，信號到達末端時功率不足會成為制約雙網合路應用的一個因素。為了使單個AP的信號覆蓋更大區域，工程中需要采用WLAN功率放大器，將AP信號放大。WLAN功率放大器的原理圖如圖2所示：

圖2  WLAN功率放大器原理框圖
 圖中：下行信號通過功放模塊和收發轉換開關到達天線；上行信號通過天線接收以后，經過收發轉換開關進行低噪聲放大器放大到達AP。一般設計時在收發轉換開關和天線之間增加帶通濾波器，可以濾除部分由于有源器件自身導致的帶外信號或噪聲。
2.合路接入方式
2.1一級合路接入
 圖3是最簡單的一級合路方式，AP設備通過本身的射頻輸出直接注入天饋系統，按照國家無委對2.4G頻段設備的功率限制要求，AP最大輸出一般為100mW（20dBm），由于功率有限，因此一級合路方式只適用于在室內分布系統的各個平層合路覆蓋。
 

圖3 一級合路接入
2.2帶有干放的合路接入
 為保證每一個天線入口有足夠的WLAN頻段信號功率注入，可通過WLAN干放增強AP的信號輸出。目前市場可提供的2.4G干放產品有500mW、1W、2W等規格。如下圖4所示：

圖4 有干放的合路接入
2.3二級合路接入
 在實際設計施工中如遇到有PHS或CDMD干線放大器存在的情況下，首先需要將PHS和CDMA兩路信號的射頻進行分路，之后再和WLAN信號通過合路器重新合路。如圖5所示：

圖5 二級合路接入
 在保證用戶數的前提下，為少建AP數量，降低設備投資，凈化信道環境，減少信道干擾，并擴大單個AP的信號覆蓋范圍，可采用跨支路進行多重合路的技術。WLAN應用還需考慮用戶容量的問題，如商務活動密集的場所，需要使用多個AP進行信號覆蓋。一般以30用戶作為推算單個AP用戶容量的經驗值。如采用兩個AP合路，可提供的用戶容量是60。由于IEEE802.11b標準原理限定了同一區域只能有三路信道（1、6、11信道）共同覆蓋，因此，不存在大于3個AP合路的方式。以下表格給出AP使用建議供設計參考。
用戶數(個) 面積(平方米) 天線(個) 會議室(個) 建議使用AP數量
≤20 1200-2000 6-10 3-4 1個AP
≤40 2100－3000 11-15 5-8 2個AP
………………… (以此類推) …………………
3.WLAN與PHS共用天饋系統的干擾分析
 系統的有源設備在發射有用信號的同時，在它的工作頻帶外還會產生雜散、諧波、互調等無用信號，這些信號落到其它系統的工作頻帶內，就會對其它系統形成干擾。
 從廣義上講，干擾產生可以分為干擾源的加性噪聲干擾、引起被干擾接收機的阻塞和互調干擾。
加性噪聲干擾：干擾產生在被干擾頻段的噪聲。包括干擾源的雜散、噪底、鄰道、發射互調等噪聲。多系統共享室內分布系統時，一個系統的雜散發射落入其它系統時，對其它系統形成加性噪聲干擾。
交調干擾：當多個強信號同時進入接收機時，在接收機前端非線性電路作用下產生交調頻率，交調頻率落入接收機中頻頻帶內造成的干擾。
阻塞干擾：接收微弱的有用信號時，受到帶外的強信號引起的接收和失真造成的干擾。
 有源設備產生的帶外雜散、諧波、互調等無用信號的大小除和設備本身的質量有關以外，主要還和兩個因素有關：自身的輸出功率---自身的輸出功率越大，無用信號的輸出越大；偏離工作帶寬的程度---離工作帶寬越遠，無用信號越小。
 系統對外來干擾的承受能力也和兩個因素有關：本身信號的強度—信號越強受干擾的機會越小；干擾信號的大小---干擾信號電平越小，信號受干擾程度越低。
4.雜散干擾分析
 雜散干擾對系統最直接的一個影響就是降低了系統的接收靈敏度。在分析雜散干擾時有一個原則，即在分析一個系統所受到的雜散干擾時，主要考慮其他系統的帶外雜散落到本系統帶寬內的功率是否高于本系統帶寬內的空間熱噪聲功率，如果比該熱噪聲功率低，則該雜散對本系統的接收靈敏度將不會造成影響，如果雜散功率高于相應帶寬內的空間熱噪聲功率，則系統的接收靈敏度將會受到一定程度的影響。下面，從各系統帶外雜散發射以及白噪聲功率的角度來進行分析各系統間的雜散干擾，并提出對合路器通道隔離度的指標要求。
 根據相關標準，可以得出各系統在其它系統的頻段上的雜散發射指標，具體如下：
 CDMA800基站系統帶外雜散
 在PHS系統應用頻段內：≤-47dBm/100KHz (-42dBm/300KHz)
 在WLAN應用頻段內：≤-36dBm/1MHz (-23dBm/22MHz)
 PHS基站系統帶外雜散
 在CDMA800應用頻段內：≤-26dBm/1MHz(-25dBm/1.25MHz)
 在WLAN應用頻段內：≤-26dBm/1MHz(-13dBm/22MHz)
 WLAN基站系統帶外雜散
 在CDMA系統應用頻段內：≤-86dBm/1Hz (-25dBm/1.25Hz)
 在PHS系統應用頻段內：≤-80dBm/1Hz (-25dBm/300KHz)
 各系統工作信道帶寬內總的熱噪聲功率按照下面的公式可以計算出來，具體計算如下：
 Pn=-174dBm+10lgBw(Hz)
 CDMA800系統工作信道帶寬為1.25MHz，因此CDMA800系統工作信道帶寬內總的熱噪聲功率：
 Pn1=-174dBm+10lg(1.25×106Hz)=-113dBm
 PHS系統工作信道帶寬為300KHz，因此PHS系統工作信道帶寬內總的熱噪聲功率：
 Pn4=-174dBm+10lg(300×103Hz)=-119dBm
 WLAN系統工作信道帶寬為22MHz，因此WLAN系統工作信道帶寬內總的熱噪聲功率：
 Pn4=-174dBm+10lg(22×106Hz)=-101dBm
 根據上述的計算結可知，為了使系統之間的雜散干擾降低到可以忽略的程度，必須對多頻合路器的隔離度提出相應的要求，具體如下（簡化公式）：
 隔離度＝干擾基站雜散輻射電平－被干擾系統熱噪聲功率
 CDMA信號通道對其他系統的通道隔離度：
 對PHS：-42-（-119）=77dB
 對WLAN：-23-（-101）=78dB
 PHS信號通道對其他系統的通道隔離度：
 對CDMA800：-25-（-113）=88dB
 對WLAN：-13-（-101）=88dB
 WLAN信號通道對其他系統的通道隔離度：
 對CDMA800：-25-（-113）=88dB
 對PHS：-25-（-119）=94dB
 各系統雜散干擾需要的隔離度統計如下(參考值)：
 
 被干擾系統
干擾系統 CDMA PHS WLAN
CDMA 　 77 78
PHS 88 　 88
WLAN 88 94 　
4.1.互調干擾分析
 這三個系統共有4段頻帶，包括CDMA上行、CDMA下行、WLAN、和PHS等通信頻段。這些信號產生的三階互調信號的頻率成分將會非常多，其中有一些頻率成分將會落在某系統的上行頻段內而造成干擾。為了便于理論分析，只考慮下行信號產生的三階互調產物落在上行頻段內的情況。對于時分系統考慮了當前主要應用的頻段。下表為f1-f3具體說明（主要考慮下行信號對其它系統上行信號的互調干擾）：
源信號 Min(MHz) Max(MHz) 說明
F1 2400 2483 WLAN頻率范圍
F2 1900 1920 PHS頻率范圍
F3 870 880 CDMA下行頻率范圍
 
 CDMA系統的使用頻段與PHS、WLAN系統的頻段相差較遠。因此，在實際應用中我們主要考慮PHS和WLAN系統之間的互調干擾。以下是三套系統之間互調干擾的分析：
 頻率(MHz) Min(MHz) Max(MHz) 是否對系統接收造成干擾
WLAN系統產生的三階互調成分 2400－2483 2317 2566 否
PHS系統產生的三階互調成分 1900－1920 1880 1940 影響WCDMA
CDMA系統產生的三階互調成分  860 890 自干擾
PHS與WLAN兩個系統之間產生的三階互調成分 2f1-f2 2880 3066 否
 2f2-f1 1317 1440 否
5.室內分布系統的技術指標
5.1PHS室內覆蓋技術指標
5.1.1信號覆蓋電平
 目標覆蓋區域95％以上的位置，接收信號電平≥36dBμV。
5.1.2信號優先級
 室內覆蓋的設計范圍內95％以上的面積由室內分布系統有效覆蓋。
 (1)當室外基站信號在室內大于46dBμV 且信號質量穩定，在保證通話質量的前提下允許部分區域使用室外信號；
 (2)當室外信號在室內電平較高，但沒有穩定的主導信號時，要求保證室內信號為第一場強。
5.1.3接通率
 保證覆蓋區域內信號強度均勻分布，目標覆蓋區域95％的位置、95％的時間移動臺可以接入網絡。且進行撥打測試時MOS≥4 級（含4 級），測試點的數量應占95％。
5.1.4掉話率
 CQT 要求：
 室內切換掉話率<2％；
 室外－室內切換掉話率<2％；
 電梯外－電梯內切換掉話率<2％。
 忙時話務統計要求：
 掉話率<1.5％。
5.1.5同步
 要求室內基站的同步率為100％。
5.1.6信號外泄
 室內基站下行信號泄漏至室外10 米處的場強應不高于36dBμV。
5.1.7上行噪聲電平
 在基站接收端位置收到的上行噪聲電平小于-120dBm/300kHz。
6.WLAN系統覆蓋技術指標
6.1信號覆蓋電平
 對有業務需求的樓層和區域進行覆蓋。 目標覆蓋區域內95％以上的位置，接收信號電平≥-75dBm。
6.2信號質量
 目標覆蓋區域95％以上位置，用戶終端無線網卡接收到的下行信號C/I值應大于20dB。
6.3數據速率
 在目標覆蓋區域內，要求單用戶接入時峰值數據傳輸速率不低于4Mbits/s，在多用戶接入數據傳輸速率不低于100kbits/s。并支持用戶在覆蓋區域內慢速移動。在文件服務器上同時進行至少3個超過100MB文件的下載時，沒有明顯中斷（軟件中“已下載數據大小”指示值持續5秒不變化，即視為明顯中斷）。
6.4信號外泄
 室內WLAN信號泄漏至室外10米處的信號強度應不高于-75dBm。
 總結：針對中國電信已有無線室內分布系統和未來發展的趨勢，本文闡述的主要是WLAN覆蓋與PHS室內分布系統融合的可行性，以及覆蓋后的技術指標要求，將來如果需要合路其它無線系統，也因分別從鏈路預算、合路接入方式、互調干擾、無源器件的指標等要求去考慮合路的技術可行性，同時滿足相應覆蓋標準。
參考資料：
[1]中國電信[2005]151號室內分布規范
[2]中國電信[2008]38號中國電信WLAN熱點覆蓋建設指導意見
[3]《新疆通信》2007年NO.2