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GSM电梯覆盖解决方案

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2020年4月19日
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摘要
　　随着城市建设的快速发展，作为深度覆盖之一的电梯覆盖已经成为无线网络覆盖的重点和难点。本文就现存的电梯信号覆盖方案进行了比较说明，指出了传统解决方案存在的问题，提出了一种全新的电梯解决方案，并结合实际案例阐述了新方案的技术优势。

1  深度覆盖的重要性

随着城市建设的快速发展及城市用地的紧缺，高层住宅小区和高层办公楼宇越来越多，在楼宇内的房间、电梯、地下室和人防工程等重要的区域，手机使用日益频繁。但在电梯内、地下室等场所手机信号相当弱、更多的情况是信号盲区，无法满足正常的通信。而这些场所也是有较高的话务需求，因此这些场所的无线信号必须满足要求。
所谓的深度覆盖就是指建筑物内更深层次的无线信号覆盖，一般指电梯轿厢内、地下室和人防工程等特殊场所。
为什么这些场所必须得覆盖？当今社会，人们的工作和生活节奏较快，出行联系少不了通信，而移动手机的使用给人们带来很大的方便。广大群众对于进、出电梯、地下停车场的人较频繁。这些场所要是得不到信号覆盖，那么将给广大用户造成一定程度的麻烦。假设当某一个用户有一个紧急的事情要去办，在等电梯时，恰好接到另一个也很重要的客户电话，这时用户只有两种选择，要么不进电梯，继续下一趟电梯，浪费时间；要么是结束通话，等出电梯后再继续打电话。换位思考一下，假设使用电话的人是你，你会怎么做？会有何种想法？
对上述场所的深度覆盖具有一定的重要性，除了能够解决建筑内范围更广的手机信号弱的问题，同时也解决了在这些特殊场所内遇到紧急事情时电话报警难的问题，成为一项保障措施，因此针对电梯轿厢手机网络覆盖的深度覆盖工程成为一项便民工程。
电梯的建筑特点，使其成为信号覆盖的盲区：
（1）电梯一般位于建筑的中心位置，信号遮挡严重；
（2）电梯井道狭长，具有隧道效应，导致无线信号损耗加快；
（3）电梯隔着坚固的钢筋混凝土，室外信号很难覆盖整个井道；
（4）电梯轿厢为金属结构，对信号有很强屏蔽效应。
据有关数据统计，关于电梯、地下室等场所的信号不好的投诉近几年居高不下，特别是高层住宅小区，对这些场所的投诉量很大，由于这些场所的独特结构，使得无线信号覆盖的难度加大。电梯信号覆盖是深度覆盖中一种，也是各地移动运营商和物业管理部门比较头疼的问题，也在一定程度上影响了运营商的品牌形象。
随着建筑技术的发展、新型建筑材料的应用，使得楼宇越盖越高，各大城市的超高建筑日益增多，使得建筑室内信号覆盖变的更加困难，也更加迫切，已经成为无线网络覆盖的重点和难点。

2  传统的电梯覆盖方案

传统的电梯轿厢信号覆盖主要有下面两种解决方案。
2.1  电梯井道内安装定向天线
每隔4~6层在电梯井道内安装一面板状定向天线或八木天线覆盖井道，需要将馈线固定在井道的墙壁上（见图1）。这种安装方式要在电梯井道内施工，除了需要物业、电梯公司的配合外，还存在以下的一些问题：

图1  电梯井道内安装定向天线

（1）安装天线、固定馈线，施工难度大、时间长；
（2）电梯里信号不稳定，靠近天线时信号较好，远离天线时信号较差；
（3）如果电梯井道较长，井道内馈线损耗加大，还要增加干放等有源设备的使用数量；
（4）后期维护困难，若天线脱落会对电梯安全运行造成安全隐患，以前发生过天线脱落，造成电梯故障的事情。
2.2  在每层电梯厅安装天线
为了解决电梯轿厢内的信号覆盖，能够在电梯厅内安装天线，以覆盖电梯轿厢。这种方案施工简便，无需电梯公司的配合，也不会对电梯安全运行造成影响。但如果多部电梯共用一个电梯前厅，采用这种方式覆盖效果就不理想，另外还要考虑电梯井道壁及电梯门的厚度对信号损耗的影响。这种方法电梯里信号也不是很稳定，靠近天线时信号较好，远离天线时信号较差。覆盖数据如表1所示。其中Rx指接收信强（单位：-dBm）。
表1  覆盖数据

除了上面介绍的两种覆盖方案，还能够采用电梯井道内铺设泄露电缆的方法，但泄露电缆价格昂贵，考虑到成本，一般不会采用。

3  全新的电梯覆盖解决方案

移动电话运营商也深受电梯覆盖问题的困扰，已从去年启动针对电梯信号覆盖的专项工程。经过对各种电梯覆盖方案的比较分析，最终选择了一种全新的电梯覆盖方案。
3.1  方案介绍
新方案采用光纤、网线（五类线）作为传输介质，系统共分为三个单元：主单元、扩展单元、远端接入单元，基站射频信号接至主单元进行频率变换、电/光转换，之后经光纤传到扩展单元，扩展单元再将光信号进行光/电转换，电信号经网线接至远端接入单元，远端接入单元包括一个噪声系数很低的低噪放大器，信号经低噪放大器可直接连接天线，图2是新方案的原理框图。

图2  新方案的原理框图

此方案不同于传统同轴馈线的最大特点是采用网线作为中频传输介质，这种传输方式具有信号损耗小、传输距离长的特点，见上图的红色方框部分。由于网线柔软、轻盈，可将网线捆扎于电梯的随行电缆，将远端接入单元和天线放到电梯轿厢的顶部，这样天线和电梯轿厢一起上下移动，确保天线只覆盖电梯轿厢。扩展单元放置在楼宇的弱电竖井里，主单元则放置在基站机房内。图3是电梯覆盖方案的示意图。

图3  电梯覆盖方案示意图

为了节省网线，网线能够在电梯竖井的中间楼层穿入井道，然后捆扎到随行电缆，网线最长可传输150m，因为是从电梯井道中间位置穿线，150m的网线可上下覆盖300m的高度，覆盖50~60层楼的高度。利用网线传输，施工简单、对电梯的破坏性小，图4是某楼宇电梯内网线施工情况。

图4  某楼宇电梯内网线施工情况

3.2  性能分析
当前，已经采用此方案对多个楼宇电梯进行了专项覆盖，图5是对某个电梯覆盖的测试数据。从路测图可看到，电梯轿厢内的信号强度、话音质量等指标非常理想，新的五类线覆盖方案优势有以下几点：

图5  某电梯覆盖的测试数据

（1）采用网线为传输介质，网线可随电梯自己的随行电缆移动，施工简单；
（2）在电梯轿厢顶上放置定向天线，信号稳定，避免电梯的隧道效应；
（3）网线施工简单、时间短，避免对电梯井壁产生破坏，对电梯影响小，业主容易接受；
（4）对多楼多电梯的集中信号覆盖有一定的成本优势。
由于新方案末端采用低噪放大器技术，能够降低系统整体的噪声系数，从而提高了基站的接收灵敏度，分析如下：
如图6所示，能够把整个室内系统分成三级，第一级是远末端低噪放单元，第二级是馈线，第三级是基站，其中NF为噪声系数，G为增益。

图6  新方案末端采用低噪放大器技术后的室内系统分级

根据傅立叶噪声级联计算公式，系统整体噪声系数如下：
    ……(1)

从级联噪声系数的计算公式（1）能够看出，系统噪声系数主要取决上行第一级的噪声系数。对于新系统，系统上行噪声系数主要取决于末端低噪放，低噪放噪声系数只有1.5dB左右，因而使系统整体噪声系数较低，提高了基站接收灵敏度。
基站接收机灵敏度公式：
               ……(2)

其中：B为带宽（单位Hz）,NF为噪声系数（dB），S/N为信噪比（dB），P为接收机灵敏度。
    ……(3)

其中：Lmax为最大允许路径损耗，PUE为手机发射功率，Gant为天线增益，Rsens为系统接受灵敏度。
从式（2）能够看出，在信噪比一定的情况下，当噪声系数降低10dB时，接收机灵敏度提高10dB。从式（3）能够看出，当系统接收灵敏度提高时，上行链路最大允许路径损耗增加，因而小区覆盖半径增大。同时手机的发射功率也能够降低，从而减少上行干扰，如果是3G系统，能够提高3G基站的系统容量。
3.3  某省某公司站点电梯内测试数据
图7所示的是电梯覆盖图。其中：

图7  电梯覆盖图

●BCCH：广播控制用频道。
●CID：基地台编号。
●RxL：接收信强（单位：-dBm）。
●TxPwr：手机功率发射强度。
●TA：时间前置量。
●RQ：通话质量。
（1）1#电梯手机拨打测试数据（见表2）。
表2  1#电梯手机拨打测试数据

（2）2#电梯手机拨打测试数据（见表3）。
表3  2#电梯手机拨打测试数据

（3）3#电梯手机拨打测试数据（见表4）。
表4  3#电梯手机拨打测试数据

大厦电梯覆盖前后对比如表5所示。
表5  大厦电梯覆盖前后对比

4  结束语

由于同轴馈线的特点，使其对电梯覆盖有一定的局限性，包括覆盖效果、施工难度等。采用网线组网的新方案对电梯覆盖能够解决同轴方案一些难以解决的问题.，较大缩短工程协调以及施工时间，施工简易。设备的轻巧简便无需大量空间，节约了成本。将天线单元放置在电梯轿厢内随电梯移动，保障轿厢内信号均匀，使信号强度不随电梯轿厢的升降而变化。对基站系统的噪声抬高量为2.6dB，不会产生不良的影响。在一定范围内有效提升了网络覆盖质量，是对网络建设的一个有益探索。