石邮东区教学楼GSM室内分布系统研究设计.doc

目录1GSM系统概述12GSM移动网络室内分布系统概述12.1 概念12.2 IDS的类型及其特点12.2.1信号源的分类12.2.2分布系统的分类和特点13室内分布系统设计原则34石邮东区教学楼GSM室内分布系统设计34.1信号源的选择44.2天线挂点的选择54.3天线口功率设计原则54.4馈线的选择54.5器件的选择64.5.1功分器64.5.2耦合器64.6方案设计65边缘场强分析10总结12参考文献131 GSM系统概述GSM (Global System for Mobile communication)移动通信系统是基于TDMA的数字蜂窝移动通信系统。GSM是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统。GSM是为了解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的。在GSM之前，欧洲各国在整个欧洲大陆上采用了不同的蜂窝标准，对用户来讲，就不能用一种制式的移动台在整个欧洲进行通信。另外由于模拟网本身的弱点，使得它的容量也受到了限制。为此欧洲电信联盟在1980初期就开始研制一种覆盖全欧洲的移动通信系统，即GSM系统。目前我国的移动通信网就是主要以GSM系统为基础的移动网络系统。GSM系统的发展经历了三个阶段：网络建设初期，主要矛盾是覆盖问题；网络建设中期，主要矛盾是容量问题；网络发展后期，质量就成为主要矛盾。GSM系统发展到现在，网络质量己成为运营商之间竞争的关键，只有不断地提高网络质量，才能吸引更多的客户。而改善室内覆盖则可以大大地改善网络质量，提高寻呼成功率，吸收更多的话务量。2 GSM移动网络室内分布系统概述2.1 概念室内分布系统也叫室内覆盖系统(IDS)。室内覆盖是针对室内用户群，用于改善建筑物内移动通信环境的一种实施方案，近几年在移动通信运营商中得到了广泛应用。室内覆盖系统的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，以达到改善网络覆盖、提高通话质量的目的。室内分布系统主要由以下部分组成:信号源（系统按信号源可分为蜂窝系统、直放站系统）；分布系统，包括同轴电缆布线、光纤布线和泄漏电缆布线，各种发射天线(隐型天线、显型天线)，功分器(二功分、四功分等)，必要时还需要添加干线放大器(当信号源距离天线过长，信号衰减过多时)。2.2 IDS的类型及其特点2.2.1信号源的分类按信号源的不同，可分为下述两类室内分布系统(1)蜂窝系统(包括微蜂窝和宏蜂窝)优点是信号稳定、可靠，通过质量好；缺点是建设周期较长，一次性投资大，还需支付传输线路的租建费用。(2)直放站系统优点是投资省、安装方便快捷，可以很快解决信号弱和盲区问题；缺点是通过定向天线难以取得单一纯净的信号，系统的话音质量相对蜂窝系统较差，且易造成对其他基站的干扰。2.2.2分布系统的分类和特点按所采用设备的不同，分布系统可分为无源系统和有源系统。(1)无源系统主要由无源器件组成。设备性能稳定、安全性高、无噪声累积、维护简单、成本低。信号经过功分器、耦合器和线路衰耗后，均匀分布到各个天线，覆盖效果较好。但系统设计较为复杂，灵活性差。当功率损耗较大时需加干线放大器。(2)有源系统信号经过各级衰耗后，到达末端时可被放大器放大，达到理想的强度。增益自动校验，无须调节，场强分布均匀，可保证覆盖效果。但建设和维护复杂，近端和所有远端设备都需要电源，有源设备易损坏，系统的安全性和稳定性较差。考虑到设备的安全性、稳定性以及工程造价，无源系统在实际工程中采用更多。此外，如果按布线材料的不同，室内分布系统还可以分为同轴电缆系统、光纤系统泄漏电缆系统和光电混合系统等。同轴电缆是最常用的材料，性能稳定、造价便宜，但线路损耗大。大型同轴电缆室内分布系统通常需要多个干线放大器作信号放大接力。同轴电缆系统由于造价便宜，安装方便，在实际工程中大量采用。适用于楼层不是很高、分布天线数量较少的室内分布系统中。这种方式主要使用功分器和耦合器等无源器件将功率分配至各个天线，在适当的时候可以增加干线放大器来提高信号强度。光纤线路损耗小，不加干线放大器也可将信号送到多个区域，能保证足够的信号强度，性能稳定可靠。对于大型的室内覆盖系统，分布天线会达到几百副。如果使用功分器和耦合器，随着距离增长，损耗将不断加大，在远端的天线的发射功率也将会非常低，因此使用光纤系统进行功率分配就成为理想方案，它充分利用了光纤传输距离远和损耗小的优势。在建设光纤分配系统时需要注意的问题主要有:要严格控制光端机的输入功率，防止光转换器输入过载，一般要在光电转换之前加合适的假负载；由于上行和下行信号的传输都要经过电/光和光/电转换，如果调试不好，信号会发生畸变，严重影响信号质量:光纤比较脆弱，在安装和维护过程中容易被损坏，经常会出现光纤损坏、传输中断的情况，在维护时要多加注意。与射频电缆系统相比，光纤室内分布天线系统由于使用了光端机，因此增加了很多有源模块，在投入成本上相对要高一些。但在近端和远端都需要增加光电转换设备，系统造价高。光纤分布系统信号传输距离远，适用于超大型建筑及距离较远的楼群。泄漏电缆系统不需要室内天线，在电缆通过的地方，信号即可泄漏出来，完成覆盖。在一些结构狭窄、拐弯较多的地方，如地铁或隧道里面，若使用天线进行覆盖，天线的覆盖范围明显会受到地形的限制，在这种情况下，就可以使用泄漏电缆进行覆盖。但是由于泄漏电缆的损耗大，因此信号源的发射功率也比较大，或者在短距离内就需要增加放大器，因此考虑到上行噪声的影响，放大器一般不能级联。另外泄漏电缆造价昂贵也是制约这种天线系统广泛应用的因素。光电混合室内分布天线系统。实际上，不管是射频电缆室内分布天线系统还是光纤室内分布天线系统，其末端的天线都是通过电缆来连接的，这里所说的光-电混合室内分布天线系统，是在一个建筑物中，部分楼层使用射频电缆分布天线系统，部分使用光纤分布天线系统，在近距离范围内通过射频电缆充分利用微蜂窝或者直放站的功率，再通过耦合器耦合出很小的一部分能量输入到电光转换器，最后利用光纤将微弱信号传送至远端。这种方式可充分发挥两者各自的优势。综上所述，实际工程中由于性价比等原因，无源室内分布系统应用最多、最广，设计也最复杂。表2.1信号分布系统分类比较信号分布系统优点缺点无源电分布成本低、故障率低、安装方便、无噪声积累、工作频带宽由于信号源功率有限和传输损耗，无源系统有效覆盖范围不大有源电分布设计简单、布线灵活、信号调整方便，覆盖范围较大成本高、故障率高、有噪声积累、工作频带窄光电分布结合了电分布和光纤分布的优点，覆盖范围大需要光一电转换泄漏电缆分布安装方便、信号均匀、引入噪声小造价昂贵关于信号分布系统选择问题:对于小型室内覆盖，一般指覆盖面积在1万平方米以下，应采用无源电分布系统。对于中大型室内覆盖，一般指覆盖面积在5万平方米以下，通过加干线放大器的电分布系统来实现覆盖。加入干线放大器会引起噪声恶化和插损，所以要仔细地测量和计算。在满足覆盖指标的条件下尽量少用干线放大器，最好不超过4个，另外干线放大器的级联会形成噪声积累，一般不采用级联方式。对大型建筑物或离散型区域进行室内覆盖时，可以采用光-电综合分布的方式，把电信号转换为光信号后通过光纤传输到大型建筑物的分层或各个离散区域，然后通过光-电转换进入到室内的信号分布系统中。漏缆分布作为一种特殊的电分布方式，用于普通天馈系统难以发挥作用而又必须覆盖的特殊区域，如隧道、地铁等。3室内分布系统设计原则室内覆盖既然这么重要，但不是任何室内空间都需要建设室分系统。这里需要把握两个基本点：“盲点、热点”。“补盲补热”是室分系统的主要使命。“盲点”是指通过室外宏站难以有效完成良好、全面、深度覆盖的大楼区域。结构越复杂、穿透损耗较大的楼宇，如大型办公楼、高级酒店、综合商场等；还有一些场景室外信号根本无法进入，如地下停车场、地下商场、地下游乐场、室内电梯等。“热点”是指无线用户密度相当大，业务质量要求相当高的室内区域，尤其是用户较集中的地方，如大学校园、运营商营业厅、企事业单位集中办公楼等。这些场景不仅话务量大，而且高端用户较多，对运营商品牌的影响非常大。4 石邮东区教学楼GSM室内分布系统设计大学校园通常都会有不同功能的建筑群，如宿舍楼、教学楼、行政楼、实验楼、食堂图书馆和体育馆等。这些不同的功能区一般是校园话务量最为集中的地方。由于大学校园里，不同区域的建筑结构、建筑材料和墙体厚度差别较大，高度不同、面积各异，部分区域对外观要求较高，安装位置难以协调，需要提供分层、分区域的差别化覆盖解决方案。大学校园里的话务流动有明显的规律：周一至周五，话务集中在教学楼；早、中、晚饭时间，话务集中在食堂区域。大学校园的总话务量需求比较稳定，但话务分布不均匀，数据业务需求量大，不同的建筑内用户的行为各不相同，区域之间话务流动有序。在容量设计时，需要考虑各区域的峰值话务量的大小，考虑不同区域的话务流动性，实现容量动态配置。本次需要对石邮东区教学楼进行GSM室内分布系统设计。该教学楼共六层，每层教室6-7间，办公室3-4间，上课期间每层将近400-500人。下图即为教学楼2楼平面图。对照建筑物的设计平面图，结合现场勘测，清晰描图4-1 教学楼2楼平面示意图述对设计、施工影响较大的室内覆盖特点，包括建筑物的作用、地理位置、楼宇高度、层数和覆盖面积等。4.1信号源的选择无线系统的信源是无线信号的接收、处理和发送的网元设备。信源是室分系统中的龙头老大。室分系统的信源主要包括宏基站、微基站、射频拉远单元RRU和直放站4种。从支持的制式不同，信源也可以分为GSM信源、PHS信源、CDMA信源、WCDMA信源和TD-SCDMA信源。在室分系统设计时，最需要考虑的就是信源属性及其覆盖特性、容量特性及配套特性。覆盖特性一般指输出的发射功率是多少，无线信号的频率是多少，能够覆盖的范围有多大；容量特性一般指能够支持多少载波、多少小区。能够支持多大的话务量，同时能接入多少用户，如何扩充容量；配套特性指供电要求、传输要求、安装条件等。室分系统信源的选择要根据目标楼宇的覆盖面积和容量需求及安装条件，选择性价比合适的信源，尽量达到较低成本、较高的覆盖水准。4.2天线挂点的选择根据楼宇场景不同，确定不同的天线的挂点密度，比如在空旷的环境下，间隔15-20m布放一个天线；玻璃隔挡的场景10-15m布放一个天线；砖墙阻挡的场景8-11m布放一个天线；混凝土墙阻隔的场景4-8m布放一个天线。(1)尽量选择空旷区域，避开室内墙体阻挡。(2)在楼宇内部，天线应尽量设计在走廊等区域，避免工程协调困难。(3)在窗口边缘，选用定向天线，避免室内信号外泄。(4)对于内部结构复杂的室内场景，要选用小功率天线多点覆盖的方式，避免阴影衰落和穿墙损耗的影响。在勘测天线挂点的时候，准备好建筑物的结构图样。在适合做天线挂点的相应位置进行标记。图2.7是石邮东区教学楼二楼天线挂点的勘测图样，天线间隔为15-20m。4.3天线口功率设计原则天线口功率是室分系统设计要考虑的关键因素。不同制式、不同场景对天线口功率的要求是不同的，多制式共天馈的室分系统要做到天线口功率匹配。天线口功率不能太大，也不能太小。一方面，太大的话，会对人体的健康造成损害（一般不超过15dBm）；同时，太大的发射功率有可能阻挡其他系统的天线口，对整个室分系统造成干扰，导致有很多信号，但是打不通电话或者通话质量差的现象出现。另一方面，太小的话，天线的覆盖范围有限，要想保证室内的覆盖质量，整个室内环境需要更大的天线密度，这就意味着需要更多的天线。这样，室分系统的物料成本就会上升。当然，小功率天线多点覆盖除了增加成本的缺点之外，对室内信号均匀覆盖，提升信号质量还是有一定好处的。天线口输出功率可能有两种含义：一个是天线口的总功率；另一个是天线口某一信道的功率。有的系统，天线口的总功率和天线口的某一信号的功率相同，如GSM系统，天线口最大功率和住BCCH信道的最大功率相同；而有的系统，尤其是码分多址系统，存在多个信道共享总功率的问题，所以天线口某个信道的功率仅仅是总功率的一部分。4.4馈线的选择在室分系统中，馈线，又叫射频电缆，是连接射频器件，进行无线电波传输的传输线。馈线的主要工作频率范围在100-3000MHz之间，波长在0.1-3m之间。室分系统常用的馈线有：10D馈线、1/2”馈线、7/8”馈线、4/5”馈线等。在室分系统的设计中，选用馈线首先要关注的指标就是馈线的损耗。馈线越长，损耗越大；无线电波频率越高，馈线损耗越大；馈线越细，损耗越大。馈线的损耗主要和馈线的长度、无线电波的频率、馈线的粗细有关。越细的馈线，单位长度的重量越小，柔韧性越好，易弯曲，允许的最小弯曲半径越小，但损耗相对较大；相反，越粗的馈线，单位长度重量越大，硬度越大，不易弯曲，允许的最小弯曲半径越大，损耗比较小。4.5器件的选择4.5.1功分器功分器，可以理解为“公分器”就是把输入端口的功率平均分配到各个输出端口的射频器件。常用的功分器有：二功分器，每个端口得到1/2的功率；三功分器，每个端口得到1/3的功率。分配损耗就是每个端口的功率比总输出功率减少了多少的一种度量。端口越多，分配损耗就越大。二功分器的分配损耗为10lg2=3dB, 三功分器的分配损耗为10lg3=4.8dB。但现实的功分器并不是理想的射频器件，并不只存在分配损耗。还有介质损耗，二者合起来称为插入损耗。介质损耗的大小和期间的工艺水平、设计水平有很大的官气，一般考虑0.5dB就可以了。4.5.2耦合器耦合器就是从主干道提取出一部分功率的射频器件，一般包括主干道的输入端口，主干道的输出端口和提取部分功率的耦合端口。插入损耗=输入端口功率-输出端口功率图4-2 耦合器耦合度=输入端口功率-耦合端口功率耦合器的名称一般用耦合度来表示，比如耦合度是10dB的耦合器，叫10dB耦合器；耦合度是15dB的耦合器，叫15dB耦合器。耦合度越大，耦合出去的功率就越小，主干道的输出功率就越大，插入损耗就越小。4.6方案设计(1)分布部分信号源：分布式基站（爱立信2111）无源器件：二功分器、三功分器，5dB耦合器，7dB耦合器室内天线：全向吸顶天线馈线接头：1/2/馈线，各种接头，跳线(2)配套部分电源：UPS（不间断电源），蓄电池，电表箱过电压：过电压保护装置(3)室内分布设计所需器件汇总：图4-3 全向吸顶天线表4-1 器材清单表4-2 各楼层器件汇总图4-4天线挂点平面图图4-5 教学楼系统图图4-6 教学楼一、二层系统图图4-7 教学楼三、四层系统图图4-8 教学楼五、六层系统图5边缘场强分析GSM900的边缘覆盖场强要求：75dBm，要达到此覆盖状况，在本方案中边缘BCCH场强验证目标为-70dBm，保留5dBm的场强冗余，以确保满足GSM900系统的覆盖要求。本文主要研究了GSM网络的室内分布设计，结合教学楼的实际情况做了勘查与分析，给出完整的设计方案PL(dB)=32.45+20lgf(MHz)+20lgd(km)其中：PL：路径损耗，单位dBf：计算频率取值为900MHz或1800MHzd：距离，单位km表5-1室内传播时阻挡物信号损耗参考取值表材料类型砖混隔墙混凝土墙体混凝土楼板天花板管道损耗（dB）152025353035512材料类型箱体1F普通木门铁皮防盗门损耗（dB）35101315在室内覆盖系统中，对于下行链路而言，吸顶天线的入口功率比较小，一般在6dBm。而对于上行链路来说，手机最大发射功率为24dBm，远高于下行天线口功率。由此可见，在室内分布系统中，下行覆盖小于上行覆盖。所以，在进行室内分布系统的天线规划时，以单天线下行覆盖能力为规划依据。室内环境下的接收信号场强可按下式计算：Pr=Pt+Gt-PL+Gr-多路径衰落余量（Pr：边缘接收功率；Pt：天线入口功率；Gt：发射天线增益；PL：路径损耗，单位dB；Gr：接收天线增益）下面以距离信源最远处天线威力，来预测覆盖区域的边缘场强。详细参数如下：最远覆盖区边缘场强距离天线d为10米天线口注入功率Pt为8.3dBm 该天线增益Gt为3dBi 接收天线增益Gr为0dBi 墙体的穿透损耗约为20dB多路径衰落余量约10dB 距离天线10米覆盖区边缘场强预测为：Pr=Pt+Gt+Gr-PL-20db-10db =Pt+Gt+Gr-(32.45+20lg900+20lg0.01)-20db-10db =8.3dbm+3dbi-52dbm-20db-10db =-70.7dbm结论：满足覆盖要求。总 结GSM室内覆盖的建设需要3个步骤。第一步：现场勘测 对需要GSM信号覆盖的楼宇进行分类和建设优先级排列，一般可以分成高档商务写字楼、大型娱乐场所、大型会展中心、大型会议新闻中心和会议中心、星级宾馆以及高层居民楼等。对于室内覆盖来说，如何将信号最大限度、最均匀地分布到室内每一个地方，是首要解决的问题。因此，首先要核对楼宇的类型，获取建筑物的平面设计图，摸清楼宇的建筑结构，了解楼宇的桥架管道是如何走线，确保施工难度最低，初步确定设备安装位置以及馈线走向。其次，可使用2GHz收发信机进行现场的模拟测试，大致确定分布天线的位置。 第二步： 方案设计首先，根据对楼宇内话务量的预测，确定信号引入方式和设备容量配置。可依据单位面积内的话务量和业务量来估计容量配置。其次，保证此系统达到良好的覆盖效果，同时尽可能的降低工程成本，使系统的性价比达到最高。对于干线放大器等有源设备尽可能的少用，以减少噪音的引入。综合考虑天线的数量、位置和输出功率，以及所覆盖的范围，保证室内场强的分布均匀，信号强度好。结合各楼层的结构情况、功用、装潢，合理布置天馈线系统。无源器件应尽可能采用宽频器件，不但能够满足GSM的工作频段要求，而且能够满足将来3G的工作频段要 对于馈线、天线、耦合器以及功分器等无源器件的选择，一般的依据是损耗、驻波比、增益等参数第三步： 工程施工与验收 在工程实施中，馈线要尽量避免强电的干扰。对馈线接头的制作要求是：不短路，制作质量不影响驻波比。 在工程验收时，如果基站还未开通，可以通过信号发生器和频谱仪检测工程质量；如果基站已经开通，可采用场强和拨打测试来检验网络质量。同时，还需要进一步测试其他性能，如覆盖、容量、干扰等。参考文献1赵荣黎，数字蜂窝移动通信系统M，电子工业出版社，20042赵长奎，GSM数字移动通信应用系统M，国防工业出版社，20033陆健贤，移动通信分布系统原理与工程设计M，机械工业出版社，20064吴为，无线室内分布系统实战必读M，机械工业出版社，20115 谭燕燕，室内移动通信存在的问题及其解决方案(J)，通讯世界，20046 上海市无线电协会，移动通信多系统室内综合覆盖M，上海科学技术出版社，2007