移动通信课程设计 - 副本.

移动通信课程设计室内覆盖系统中漏缆覆盖系统和小天线覆盖的比较

设计：杜建桥

指导教师：王建新

2013年1月14日

目录

摘要 (2)

一、引言 (2)

二、高层楼宇覆盖存在问题分析 (4)

三、传统小天线覆盖的介绍 (4)

四、泄露电缆方案的引入 (8)

五、泄露电缆性能及分类 (8)

六、泄露电缆在电梯覆盖中的可行性分析 (11)

七、泄露电缆在电梯覆盖中的经济性分析 (13)

八、结论 (14)

九、附录 (15)

参考文献 (15)

室内覆盖系统中漏缆覆盖系统和小天线覆盖的比较

摘要：随着现代建筑的大量建造室内覆盖已经成为现代通信的一个重大解决方面。传统的小天线覆盖是解决室内覆盖的一种办法但是也有明显的缺点，而新兴的泄露电缆技术已经在高铁、城市地铁中大量的使用，其应用场景基本定义在狭长封闭的线型空间内，对于现有的无线通信制式，其出色的宽频带能力可满足多系统接入的需求。本文从泄露电缆的电气物理特性、高层建筑平面布局，高层电梯覆盖实现手段、与小天线覆盖方案对比等方面着手，阐述泄露电缆覆盖和小天线覆盖在室内覆盖应用中的可行性、经济性、科学性，为TD-SCDMA 及TD-LTE 室内覆盖建设方案提供必要的依据。

关键词：小天线覆盖、泄露电缆、耦合损耗、传输损耗、TD-SCDMA、TD-LTE、电梯覆盖

一、引言

随着移动通信的迅速发展和普及，城市规模的不断扩大，摩天大楼和地下设施的大量涌现，室内吸收了大部分的话务量。3G商用网络的最新业务统计数据显示（如下图），在3G网络中室外的业务量(语音和数据)仅占整个网络业务的30.3%，而室内业务占整个网络业务的69.7%，这些场所主要是办公楼、车站、家庭、购物广场和娱乐场所等。

由以上的统计可以看出：

（1）3G偏向数据业务，对覆盖和通讯质量要求高

（2）CBD对室内业务要求高，话务业务占到整网的70％以上

针对现在许多大城市高楼密集和建筑物内的移动用户较多的现状，单依靠室外宏蜂窝基站对其覆盖已经不能满足网络覆盖、容量和质量的要求。主要存在以下一些问题。

1）覆盖方面：3G工作频率高，电波的绕射能力差，穿透损耗较大，导致网络的深层次覆盖存在着缺陷，产生信号的弱区或盲区，如在建筑物电梯间、地下停车场和地铁等。

2）容量方面：一些建筑物如超市、会议中心等，由于用户密度过大，TD-SCDMA 及TD-LTE网络用户底部噪声大大抬高，导致容量有限。

3）质量方面：由于频率干扰、导频污染和乒乓效应等导致小区的信号不稳定，话音质量难以保证，甚至发生掉话。对运营商而言，大量使用室内覆盖系

统，可以争夺室内的话务量，开拓新的话务量。据统计，实施室内覆盖的

建筑物内话务量增大了1.43倍。同时室内覆盖还可以用于分散过密地区

的网络压力，解决高端用户密集城区覆盖问题，减少室外基站的数量和配

置，降低室外网络的整体干扰水平，从而提高整个系统的容量，更好地满

足用户对质量的要求，其性能的好坏将直接影响到运营商的客户体验及其

收益，是其取得成功的关键因素之一。

4）与3G其他制式的系统一样TD-SCDMA、TD-LTE在布网的过程中也无法回避室内覆盖的问题。仅仅室外的宏蜂窝基站无法保证充分覆盖，不可避免产

生盲区。解决问题的最有效方法是引入室内分布系统。同时，大部分的室

外基站的各个扇区的话务分布是不均匀的，个别扇区的话务有较大的空

余，室内分布能通过耦合该扇区的信号作为信号源，把其信号放大到话务

量较高扇区的覆盖区内的部分建筑内，能提高基站的资源利用率，并使基

站的话务分布趋于均衡和合理。

图1 典型的内廊结构平面图

二、高层楼宇覆盖存在问题分析

（1）高层楼宇覆盖的共性问题

高层楼宇中，“I 字形”结构，“回字形”结构，我们如果采用小天覆盖系统，平面层室内信号覆盖不全面，室外信号杂乱，干扰无法控制，结果是室内覆盖效果不佳、网络利用率无法提高；高层电梯内多扇区设置，扇区间的信号切换在电梯高速运行中容易造成切换，影响无线性能指标；现网的室内覆盖中，电梯地下室属于话务较小的区域，多电梯覆盖中信源投放数量较多，网络利用率低，效益差。

（2）电梯与平层的切换问题分析

高层覆盖基本沿用了电梯覆盖与平层覆盖分扇区设计的思路，避免在高速运行的电梯内发生扇区切换的情况，来减少电梯内由于信号波动剧烈而造成掉话的风险。传统的设计方案一般在电梯门厅设置吸顶天线来解决电梯门厅的覆盖，这在早期是有效地解决办法之一但是这样就存在电梯扇区和平层扇区的切换问题。传统方案的切换区域基本就设置在电梯口，手机用户在通话中走出电梯，因电梯门关闭，电梯扇区信号的快衰弱导致切换失败，产生掉话。

三、传统小天线覆盖的介绍

天线是将传输线中的电磁能转化成自由空间的电磁波或将空间电磁波转化成传输线中的电磁能的设备，天线的主要指标有：增益、带宽、极化方式、波瓣角（垂直和水平）、前后比、驻波比。通信天线种类按工作频段分为：超长波、长波、中波、短波、超短波、微波天线；按方向性分为：全向、定向天线；按结构特性：线天线、面天线。主要应用的天线种类有：全向吸顶天线，定向壁挂天线，定向八木天线，下面对其进行简述：

（1）.全向吸顶天线

全向吸顶天线在室内覆盖系统应用中主要安装在天花板上，增益一般为

3dBi，主要用于常规区域的覆盖。

参考指标如下表所示：

参考图如下：

（2）壁挂天线

壁挂天线在室内覆盖系统中，主要用于电梯以及长廊的覆盖，波束集中，前后比高，增益高（一般为7dBi左右）；有时用于控制信号室外泄漏。参考指标如下：

参考图如下：

（3）八木天线

八木天线的优点具有更高的增益，缺点是频段较窄，在室内覆盖系统中，主要用于单网系统电梯覆盖或作为TD-SCDMA 直放站的施主天线。参考指标如

下：

参考图如下：

（4）栅格天线

栅格天线的优点高增益，窄波瓣。在室内覆盖系统中，作为TD-SCDMA 直放站

的施主天线。参考指标如下：

参考图如下：

四、泄露电缆方案的引入

泄露电缆适合解决长线型覆盖区域，因此高层电梯可以认为是“隧道覆盖垂直型”的一种应用，其理论分析与隧道覆盖相似，泄露电缆在高层电梯覆盖中可以考虑兼顾对电梯门厅的覆盖，从而可以将平层扇区与电梯扇区的信号切换区域设置在距离电梯口3~5 米范围内，从而实现电梯扇区与平层扇区有充足时间实现正常切换。

五、泄露电缆性能及分类

1、泄露电缆原理

普通同轴电缆是将射频能量从一端传输到另一端，并且希望有最大的横向屏蔽，使信号不能穿透电缆以避免传输过程中的射频能量的损耗。而漏泄电缆是特意减小横向屏蔽，使得电磁能量可以部分地从电缆内穿透到电缆外（发射），同时电缆外的电磁能量也将感应到电缆内（接收）。泄漏同轴电缆由内导体和外导体两部分组成，外导体嵌套在内导体的外边，并与内导体处于同轴状态，外导体纵长方向，以一定的间隔和不同形式开槽。开槽的目的是电磁场通过小孔发生衍射，激发电缆外导体外部电磁场，使其信号能量能从电缆槽口辐射出来，以达到向外传播和接收外来无线电波的目的，如图2 所示。

图2 泄露电缆开槽结构及辐射原理

2、泄漏电缆的类型

泄露电缆的开槽的形式取决于所使用的无线电波的频段，一般情况下分为耦合型、辐射型两种，具有不同的传播特性。耦合型漏缆的外导体上开的槽孔间距小于波长，泄漏能量无方向性，工作频带宽但衰减快；辐射型漏缆的外导体上开的槽孔间距接近波长，泄漏能量同相叠加，工作频带窄但衰减慢。

图3 辐射型和耦合型泄露电缆开槽示意图

3、泄露电缆指标

泄漏电缆电性能的主要指标有传输衰减和耦合损耗，漏缆的系统损耗=传输衰减+耦合损耗。

（1）传输衰减

衰减常数是考核电磁波在电缆内部所传输能量损失的最重要特性。普通同轴电缆内部的信号在一定频率下，随传输距离而变弱。衰减性能主要取决于绝缘层的类型及电缆的大小。而对于漏缆来说，电缆内部少部分能量在外导体附近的外界环境中传播其衰减性能也受制于外导体槽孔的排列方式。

（2）耦合损耗

耦合损耗描述的是电缆外部因耦合产生且被外界天线接收能量大小的指标，在特定距离下，被外界天线接收的能量与电缆中传输的能量之比。由于影响是相互的，也可用类似的方法分析信号从外界天线向电缆的传输的能量大小。

图4 泄露电缆总损耗与馈线长度的关系

几种常用规格的泄露电缆的电气特性指标如表1 所示：

六、泄露电缆在电梯覆盖中的可行性分析

1、参考模型分析

电梯井道和高铁隧道都属于长线型封闭空间，而且电梯跟火车一样，具有运行速度快，运行空间小的特点，因此电梯覆盖的模型可参考高铁隧道覆盖模型，将泄漏电缆的水平覆盖改为垂直覆盖，其相似点分析如下：

（1）无线电波波动影响相似。电梯井道的无线环境与铁路隧道相似之处，均为狭长型结构，且电梯运行中，轿厢对井道内无线信号的压迫导致信号的波动和列车经过隧道无线电波的影响也比较相似。

（2）业务模型相似。电梯上下行载人与高铁动车在隧道运行有一定的业务相似性，均为电梯轿厢内的用户或火车上的乘客促发语音或数据业务，在闲置之时没有业务发生，从日常话务统计中可以看出，电梯覆盖小区和隧道覆盖小区话务量较低。

（3）电梯内无线环境和隧道类似，均属于封闭无线环境，外围无线信号难以进入，信号干扰较小，可在较低信号电平内实现正常通话。

（4）对于超高层的楼宇需要在电梯井道内实现切换的情况，也可参考高铁长隧道的切换模型，需要计算出切换距离，保证切换的正常进行。

2、技术可行性分析

泄漏同轴电缆在系统设计时需要考虑的主要因素有：泄漏同轴电缆的系统损耗、各种分路器件及跳线的插损、环境条件影响所必须考虑的设计裕量、设备的输出功率以及设备的最低工作电平，其中，泄漏同轴电缆的系统损耗由泄漏同轴电缆本身的传输衰减和耦合损耗两部分组成，对于指定的工作频率其大小主要由泄漏同轴电缆的规格大小来确定，规格大的泄漏同轴电缆系统损耗较小，传输距离相对长，泄露电缆的损耗计算如式（1）所示：

（1）泄露电缆总损耗

αmax. ＝αs ＋M＝α×L＋Lc＋M 式（1）

其中：1）αmax 为总损耗；

2）αs 为系统损耗值；

3）M 为损耗余量，含接头损耗2dB、波动裕量5dB、轿厢损耗20dB；

4）α为衰减系数；

5）L 为泄露电缆长度；

6）LC 为耦合损耗

（2）泄露电缆长度L，即泄露电缆的覆盖最大距离：

由式（1）αmax. ＝αs ＋M＝α×L＋Lc＋M

则L=(αmax.－Lc－M)÷α式（2）

此L 值即为泄漏同轴电缆的最大覆盖距离。

对于对GSM900，TD-SCDMA,TD-LTE 最大覆盖距离根据式（1）、式（2）进行计算，具体结果如表2：

由表2 可以看出，距离电缆2m 处的耦合损耗值来确定泄漏同轴电缆在长度方向上的覆盖距离，也就是在电梯井道水平2m 范围内，边缘场强满足-95dBm（TD）/-85 dBm（TD-LTE）的覆盖需求；对于TD 和LTE 覆盖150 米以内的高层电梯（楼宇50 层），采用5/4”泄露电缆可以满足两部电梯的覆盖需求，对于超高层电梯（楼宇超过50 层），需要采用更大规格的泄露电缆。

（3）距离泄露电缆5 米范围的覆盖

对于距离漏缆5m 范围内的电梯间的覆盖情况，可通过泄漏电缆耦合损耗（95％，5m）、漏缆传输损耗、损耗余量（含建筑物墙体损耗）来计算，以150米漏缆长度为例，计算距离漏缆5m 处电梯间的场强值为：

从表2 的计算结果可以看出，150 米的高层电梯（楼宇50 层），要同步实现对电梯间的覆盖，需选择覆盖距离5/4”以上型号的漏缆。

七、泄露电缆在电梯覆盖中的经济性分析

泄露电缆单从材料单价上看，较普通同轴电缆高，但漏缆本身就是辐射源，不需增加天线，优势明显：大量减少了接头和分路器件的使用；系统的驻波比容易控制在1.3 以内；同时有效避免接口松动、器件老化等造成系统故障；满足多系统接入的需求等。下面将泄露电缆方案从设计、施工、投资方面与传统方案进行比较，进一步验证泄露电缆方案的经济性和科学性。

1、与传统方案的设计对比

（1）设计周期短。由于没有繁琐的功率推算过程，因此泄漏电缆的设计方案较为简单，设计完成速度比较快；

（2）使用材料较少，泄漏电缆方案所需要的材料只有电缆，无需配置天线和其他过多的无源器件；

（3）覆盖效果好。采用泄漏电缆方式信号覆盖比较均匀，信号传输比较稳定；（4）适用场景灵活。泄漏电缆方案适用于电梯井道位于建筑物中部，住宅房间对电梯有“包裹效应”的场景，同时可通过耦合型泄露电缆与楼层吸顶相结合的方案，解决高层信号分布不均匀的问题，提高话务吸收能力；（5）泄漏电缆覆盖电梯时要求信源安装在电梯机房或高层弱电间内，有利于信号自上而下的由高到底的信号分布，符合现有高层信号复杂，信号强度稍高的特征；

（6）信源输出功率可实现两部50 层电梯井道分配，大大提高了信源设备的利用率，同时又能满足电梯场景下的覆盖和容量的平衡；

（7）泄露电缆带宽较宽，350M~2400M 的带宽需求，满足现有移动、联通、电信的多制式系统接入需求，符合工信部提出的大型室内分布系统共享共建的需求。

2、与传统方案施工维护对比

（1）施工工艺要求较高；

（2）施工周期短，不容易受到业主阻挠；

（3）施工难度较大。泄漏电缆需要整根布放或分段布放，而电梯井道等区域操作空间狭窄，给施工造成一定的困难；

（4) 施工量小，其施工量小于传统方案馈线部分的施工量；

（5）维护简单，只要定期检查馈线固定卡是否牢固即可。

3、与传统方案的投资对比

由上表可以看出单电梯泄漏电缆方案与传统方案相比有一定的优势，尤其在人工费方面比传统方案可节省约30%，综合造价也低于传统方案10%以上。如果以高层建筑多部电梯计算，结合信源的投资和分布系统的综合造价，泄露电缆的方案优势更加明显。

八、结论

首先，泄露电缆的宽屏特性适合高层建筑、大型建筑电梯覆盖，满足多系统、多运营商共建共享要求；其次，高层电梯泄漏电缆覆盖与传统方案相比在设计、施工、投资等方面均优于传统方案；第三，泄露电缆电梯覆盖，其覆盖效果可满足电梯间的覆盖需求；第四，泄露电缆对于平层的覆盖也有较好的改善作用，通过耦合型泄露电缆和传统吸顶天线的兼顾使用，覆盖效果更佳，有利于改善高层导频污染，提高高层覆盖质量。

综上所述，泄露电缆覆盖方案可以应用于高层、超高层建筑电梯覆盖，中层建筑多电梯覆盖，泄露电缆的应用优势以及高层建筑多系统接入本身的需求看，泄露电缆的方案有较大的应用前景。

参考文献

（1）《TD-SCDMA 通信网络规划与设计》，张传福，彭灿，李巧玲，石晋，胡敖编著，人民邮

电出版社，2009 年；

（2）《漏泄电缆功能分析及其选择要素——漏缆在地铁无线通信中的运用》，周杭，现代城

市轨道交通，2007 年4 月；

（3）《泄漏同轴电缆耦合损耗影响因素》，张昕，郭黎利，杨晓冬，李文兴，哈尔滨工业

大学学报，2009 年12 月；