小灵通室内覆盖方案.doc

小灵通室内覆盖方案综述和未来发展
小灵通室内覆盖方案综述和未来发展

摘要：
本文对当前国内常见的小灵通室内覆盖方案进行分析，并针对小灵通移动市话系统高速的发展，给出能够满足未来3G和WLAN应用升级的通用室内覆盖方案体系结构。文章最后还针对运营商多样化业务需求提出了结合当前网络设备和室内覆盖系统要求的新型小灵通覆盖方案需求分析。
关键词：
PHS室内覆盖，直放机，线路放大器，WCDMA，WLAN

1.      小灵通网络现状和室内覆盖需求
自1998年浙江余杭市首次将小灵通投入商业运营后，在五年多的时间里，全国已有近400个城市开放小灵通业务。从小灵通业务市场来看，前景还是比较好的， 2001年小灵通用户总数达到600万，2002年达到1500万户左右，系统总容量达到3000万线。根据中国电信集团公司总工程师韦乐平的预测，2003小灵通国内总用户将达到2000万户左右。
与传统的GSM网和CDMA网络相比，小灵通具有PHS基站成本低和手机性价比高的优势。但是在1.9GHz频段上相对较低的发射功率和高传播路径损耗，限制了小灵通业务在室内和广域覆盖上成本优势的发挥。PHS系统的常用PI/4DQPSK非相干解调方法限制其解调灵敏度为-100dBm左右，通过增加基站的下行发射功率的方法进行信号增强，会造成无线上下行链路的不均衡，造成无法通话和单通，从侧面影响了手机的使用效果。
  根据“信部电〔２０００〕６０４号”文的规定，“ＰＨＳ作为市话系统的补充和延伸，定位于小范围低速移动无线接入”。从目前用户的使用情况看，如何在室内条件下充分发挥小灵通系统的优势，正成为一个系统厂商、运营商和终端用户三方日益关注的热点话题。
2.      当前流行小灵通室内覆盖方案和分析
为了在小灵通室内覆盖方案上继续保持低成本和高容量的优势，运营商和系统厂商都根据当前网络设备运营特点进行了设备优化。一些第三方设备厂商也根据自身优势提出了各种解决方案。
针对室内用户话务量大和各类传播损耗情况复杂的特点，小灵通系统厂商主要从提高小灵通基站的接收解调灵敏度、上行信号增强和下行信号扩大覆盖、增加基站信道数方面综合优化基站的室内覆盖应用性能。
一种比较典型的方式是采用如图1所示室内安装小功率基站的方式解决覆盖。小灵通10mW基站集成度高，体积小，可以采用双绞线方式提供远程供电和信令通路，主要面向话务量热点覆盖的商场、酒店等公共场所。在话务量比较大的场所，基站的容量利用率较高。
图1、小灵通小功率基站室内覆盖  
另外一种比较典型的方式是如图2所示，在室外大功率基站基础上增加定向天线，对一些建筑物进行穿透式覆盖。小灵通在1.9GHz频段利用面天线比较容易实现高增益的波束成型，可以在500mW室外全向天线基础上，利用高增益天线对基站临近的建筑物内部进行定点覆盖。如果室外和室内天线系统共用基站收发信机资源，会使得室内用户和室外用户无线容量互相影响。
图2、小灵通大功率基站室内穿透覆盖

目前G网和C网络的室内覆盖系统已经非常成熟，对于整网提供无缝业务覆盖起到了至关重要的作用。由此引发第三方设备厂家利用直放机（Repeater）、线路放大器和室内有源天线提供小灵通在1.9GHz频段上的室内覆盖尝试。
考虑到小灵通的特点，良好的室内覆盖系统应该能够充分利用PHS的高容量和低发射功率特点。小灵通室内覆盖中需要注意的比较重要的问题是上、下行链路的均衡。
另外小灵通系统是工作在TDD模式的无线微蜂窝系统。与传统的FDD对收发隔离的要求不同，小灵通系统要求严格的收发时隙同步，收发时隙同步性能直接影响系统组网容量和覆盖区之间切换掉话率。
小灵通的同频TDD工作模式决定了直接采用传统FDD频域转发的方式无法实现，而必须采用基带解调和信令处理才能在时域上实现中继和避免收发冲突。由于小灵通的控制信道工作载波相对固定，也方便了信令转发和处理。
TDD模式下工作的直放机在基站侧看来是一个手机的工作模式，而在用户侧看来是基站的工作模式。在RCR STD-28 V3的标准中，对于PHS直放机有明确的定义。因为需要兼容基站和手机的非标准协议栈处理，以及基带调制解调资源，小灵通直放机设计复杂度较高，一般转发能力为1～2个独立32Kbps语音或64Kbps数据时隙捆绑。小灵通直放机的示意工作流程参见图3，小灵通直放机与基站和手机均采用无线连接。
                     图3、小灵通直放机工作流程示意

线路放大器采用TDD方式对PHS工作频段上、下行进行信号分离和分别进行放大，分离放大后的信号再利用TDD方式合并后送入室内电缆系统中。对于面积小的室内区域，可以直接采用泄漏电缆和分布天线方式提供覆盖。对于覆盖面积大的区域，一般需要通过有源天线对电缆内部信号传输损耗进行补偿。线路放大器与基站之间采用有线方式连接，考虑到PHS协议支持动态频率选择，线路放大器必须工作在宽带模式才能充分利用上游基站的容量，这对于工作在PI/4QPSK调制模式1.9GHz宽带功率放大器设计提出较高的要求。线路放大器结合有源天线的室内覆盖示意参见图4。
                图4、线路放大器与室内分布天线结合室内覆盖

表1是对前面提到的室内覆盖方案的给出汇总列表。

方案类型
适用范围
特点分析

增强型室外基站
半开发空间和无线电波易穿透建筑物内部情况下进行覆盖，需要高增益天线支持
不需要室内走线，基站设备成本高，室内和室外用户共享基站话务量，不能解决建筑物深处信号覆盖

室内型小基站
适合用户业务量大室内环境，安装方便灵活，适合热点地区覆盖
需要与基站控制器的线路资源，安装地点有一定限制。基站成本低，安装地点分散，容量利用率不高，维护工作量大

室内电缆覆盖
适合各类形状和空间的建筑物内部，主要为电缆和放大器安装
需要工程安装指导，必须解决上、下行的链路平衡问题

直放机
适合少量用户业务的覆盖场合，方便携带和使用，可以扩展基站覆盖范围
设计复杂，信道数受限
表1、目前小灵通室内覆盖解决方案概要比较

3.      未来多层次和多业务无线覆盖
按照目前个人无线通信的应用业务领域可以划分为为下面三类：
1、  广域移动语音和数据网络：以GSM移动网，CDMA2000移动网和WCDMA第三代移动网络为主
2、  本地低成本移动语音网络：以PHS为主的移动市话
3、  本地高速数据网络：以WLAN为主的热点高速数据接入
其中处理广域移动语音网络外，本地移动语音网络可以看作是对本地固定语音网络的业务扩充，本地高速数据网络可以看作是对固定宽带数据网接入方式的扩展。因此对于未来同时具备移动和固定运营角色的运营商而言，把握上述三种个人无线通信领域，可以实现各个用户群和业务种类如图5所示的多层次交叉覆盖。
             图5、未来无线领域多层次业务覆盖和基础架构

基于PHS的移动市话系统，由于TDD系统的高集成度、低损耗和低发射功率，非常适用于未来室内用户和准移动用户低成本高容量语音业务使用。利用小灵通终端的长待机时间和特色界面，也可以在原有固定电话基础上开展新的家庭和企业内部增值业务。在理想的室内覆盖条件下，小灵通的语音和相关固话增值业务应该“随手可得”。
在室外覆盖方面，最具代表性的下一代的广域WCDMA移动网络充分利用智能天线、多用户检测、变速率调制等高端技术支持用户在室外高速和广域移动条件下的可靠通信。但是WCDMA系统2.1GHz的发送频段却影响了室内终端用户的信号接收质量，损失了系统本身可以提供的巨大容量。考虑到3G的一些特色的业务往往集中于某一特定用户群体，实际组网中又会出现对一些高业务容量用户的热点覆盖要求。先利用室内系统把握用户进一步需求，再在其基础上开展有针对性业务，也不失为3G从初期发展至成熟的一条途径。
目前WLAN作为高速数据接入末端，由于其低成本、高数据速率而得到PC机厂商的大力支持。目前802.11b的WLAN设备主要工作在2.4GHz无需许可证的ISM频段，从设备可靠性、减少无线干扰、增强保密性和提高频谱利用率而言，应该使得在不牺牲用户移动接入灵活性前提下尽量减少无用ISM频段信号在室外的发射。利用室内覆盖设备扩大WLAN的AP设备覆盖范围，在系统初期用户无线速率要求不高情况下可以起到“以点带面”的效果。

4.      综合室内覆盖解决方案需求
考虑WCDMA、WLAN和PHS的工作频率特性，如何低成本的实现综合室内覆盖方案直接影响到运营商能否适应未来各类用户业务需求增长的能力。理想的小灵通综合室内覆盖解决方案参见图6，并应该具备下述特征：
1、设备成本低，工程安装简单
2、容量扩充灵活
3、资源的复用性好
4、支持集中监控和维护

图6、综合PHS室内覆盖方案示意图

室内覆盖方案的安装应该与现有小灵通基站设备覆盖状况灵活配合，以优化安装成本。PHS室内覆盖系统设备仅处理一部分空中接口协议，大大降低了室内覆盖设备设计复杂度，提高了产品可靠性。
工程安装方面需要支持灵活的信号引入方式：既可以采用从基站天线口耦合方式；也可以支持空中提取一定数量无线信道耦合进入室内覆盖系统，并且可以方便的通过增加无线信道数量的方式进行扩容。各个节点放大设备在安装过程中可以自动对电缆长度带来的上下行线路衰减进行增益补偿，以维持手机和基站设备间的上、下行链路平衡。另外通过简单的叠加WLAN和WCDMA室内覆盖节点设备可以满足前面提到的多业务层次需求。
室内覆盖方案的信号引入应该充分考虑后续业务的扩充需求，通过简单叠加信号引入设备或增加信号引入端基站的容量即可满足室内用户的容量增长。这就要求室内覆盖系统的传输链路和节点有足够的工作代码和吞吐量。在新的业务覆盖点可以方便的增加分布天线设备而不影响原有的室内覆盖网络规划，并且灵活的拓扑结构允许兼容未来的室内覆盖规划。
目前无线频谱日益紧张，电磁干扰和健康问题日益为群众所重视。室内覆盖的线路、设备和安装空间作为一种资源，具有资源本身固有的有限性和排他性；从资本投资角度，也具有利用率和回报率最大化问题。如何尽快获取此项资源和从长期投资角度使用，是运营商需要正视的问题。目前1.9GHz的电缆可以满足2.1GHz和2.4GHz频段工作的要求，因此需要提高复用的节点设备为线路放大器和天线。WCDMA和WLAN均为宽带设备，这对多模式工作的节点设备集成度和功放设计均提出较高的要求。
随着各类室内覆盖系统的数量增加，监控和维护功能成为运营商日益关注的焦点。考虑到小灵通室内覆盖系统的可能的数量和分布，设备厂商必须向网络维护方提供室内覆盖线路状态和关键工作参数的分布式监控支持。由于小灵通室内覆盖系统的树状结构，可以将维护信息由指定设备统一处理和存储。系统运行中得到的监控状态数据可以通过远程拨号的方式取得，也可以采用无线方式利用小灵通自身网络发送至后台运营维护设备统一处理。
5.      结论
综上所述，低成本、高容量的小灵通移动市话业务在未来运营商的综合业务策略中占据重要的位置。如何利用室内覆盖方案优化小灵通网络目前的业务质量，并进一步兼容未来3G和WLAN网络室内需求是关系到未来小灵通网络持续发展的保证，也是运营商能够获得终端用户使用满意度的关键环节。这需要运营商、系统厂商和第三方设备厂商的共同努力。另外对于目前通信条件相对较差的农村和边远地区，如何利用小灵通基站的低成本和大容量，促进用户业务量在无线接入侧的汇聚和降低运营成本，将会是下一个无线通信关注的焦点问题。