WLAN室内覆盖系统合路PHS室内分布系统的技术分析

WLAN室内覆盖系统合路PHS室内分布系统的技术分析
 
 摘要：本文通过对WLAN与PHS室内覆盖系统的合路分析，对目前中国电信WLAN数据业务的发展提供一个解决思路。
 关键词：合路方式   增益   干扰     隔离度    技术指标
 1.前言
 近年来，随着移动通信的快速发展，移动电话已逐渐成为人民群众日常生活中广泛使用的一种现代化通信工具，同时广大移动用户对移动通信服务质量的要求也越来越高，他们已不再单单满足于良好的室外移动通信服务，而且也要求在室内（特别是星级酒店、大型商场、高级写字楼等）能享受优质的移动通信服务。
 以前室内覆盖主要依靠室外现有的网络覆盖的延伸方式。如直放站方式、室外大功率基站方式、天线架高方式等。但是这样的解决方式带来以下问题：
由于穿透损耗大，室内覆盖效果差，存在大量覆盖盲区;
采用直放站方式时，对源信号电平要求高，并且交调干扰和同邻频干扰都比较严重，通话质量难于保证，控制不好会影响整网的质量;
采用直放站和室外基站没有根本解决容量问题，网络容量有限，接通率低;
天线架设太高会带来越区覆盖，影响整网质量;
室外小区增加频率时，频率规划困难，网络容量增长困难。
 因此，如何解决好室内信号的覆盖问题，满足广大用户的需求，提高网络质量，已变得越来越重要，也成为网络优化工作的一个重点。为解决以上所述的室内信号覆盖不理想的问题，目前有效的解决方法是在建筑物内安装室内覆盖分布系统。就是将基站的信号通过有线/无线方式直接引入到室内的每一个区域，再通过小型天线将基站信号发送出去，从而达到消除室内覆盖盲区、抑制干扰的目的，为楼内的移动通信用户提供稳定、可靠的室内信号，使用户在室内也能享受高质量的移动通信服务。
 随着中国电信股份公司“e家行”业务及WLAN数据工程的建设发展，WLAN与PHS室内覆盖双网合路技术逐步得到应用和发展。PHS与WLAN系统合路的技术优势在于能降低网络建设成本，减少工程安装量，缩短工程建设周期，提高网络建设质量等方面。本文主要针对双网合路的关键技术点进行基本分析。
1.合路技术与原理
1.1概念
 双网合路的技术思路，是将WLAN的无线射频信号通过合路器馈入PHS室内分布系统，各频段信号共用天馈系统进行覆盖，如图1所示。在天馈系统无源器件无法满足合路频段要求，或由于天线安装位置不合理导致无法达到预定信号覆盖强度等情况下，可对原有天馈系统进行扩频或结构改造，以实现双网（PHS、WLAN）或多网（如PHS、CDMA、WLAN）合路。图1说明，P网、C网和WLAN之间并不存在直接的相互关系，只是通过合路单元（多频合路器）实现射频信号共用天馈传输。

1．2各系统频率资源的规划
 对于室内覆盖系统，根据不同的实际情况，为了达到室内覆盖效果和改善网络运行指标，需要对室内分布信号频率进行很好的规划。对于不同的系统，其频率规划具有各自的特点。
 (1)PHS室内分布的频率规划
 对于室内覆盖系统，根据不同的实际情况，为了达到室内覆盖效果和改善网络运行指标需要对室内分布信号频率进行很好的规划。
室内覆盖系统与室外信号同频
优势－ 节省频点。
缺点－ 室内分布系统的基站失去上行分集增益，上行的灵敏度下降，室内分布系统的基站容易受到室外基站的干扰，基站的干扰规避率，掉话率指标相对较差。
 因此，对于具体工程，具体情况，采用同频室内分布系统，必须考虑室外基站对室内基站的干扰问题。
室内覆盖系统单独使用频点
 优势－:室内与室外基站间不会产生TCH干扰，基站的干扰规避率，掉话率指标相对较好。
 缺点－:占用较多的频点。
 因此，在频率资源相对比较宽余的地区，室内分布系统可以使用单独的频点。
考虑因素
 如果建筑物内部来自室外的干扰较少，室内系统与室外网络一般可以考虑使用同频方案；
 如果建筑物内部来自室外的干扰较大，室内系统可以考虑单独使用频点。网络建设的不同时期应考虑采用不同的方案
 (2)WLAN频点规划
 无线网络部署和维护往往是无线网络考虑的主要问题，传统的无线AP由于无法实现通过软硬件的协同工作来精准地感知周围的无线环境，虽然2.4G～2.483G之间的802.11标准的无线频点有13个，但由于设计为相互重叠，所以只有3个不重叠频点(一般设计工作在1、6、11这三个完全不重叠的频点)，这样使得频点配置工程十分复杂，即使购买WLAN无线频点规划软件也无法合理地通过人为的方式配置部署在楼宇各空间位置的频点。
1.3．WLAN系统合路PHS系统链路损耗余量问题：
 由于WLAN系统是基于已有的PHS室内分布系统进行布放的，就要考虑到现有的PHS室内分布系统的链路损耗是否符合WLAN系统要求。当PHS系统上下行损耗满足要求时，是否意味着就一定满足WLAN系统上下行损耗的要求呢？为此我们要进行比较计算：
1.3.1WLAN系统上下行链路计算：
AP接受灵敏度 :               PrAP>=  -75 dBm
WLAN干放的上下行放大增益：    Gt =15 dBm
1W WLAN干放输出功率      PtAP =30 dBm  （在此计算中我们取1W干放）
笔记本网卡发射功率为10mW约为:     PtComputer =10 dBm
笔记本网卡接收灵敏度：        PtAP >=  -75 dBm
笔记本到吸顶天线之间的空间损耗为     M =30 dBm 
因此我们可以计算出上行所允许的链路损耗为：
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
 从计算可以看出WLAN 系统是一个上行受限系统，从干放到天线口处的链路损耗需要控制在70 dBm 以内。
1.3.2、 PHS系统上下行链路计算：
 小灵通手机接收电平我们取26dBμV,换算得 PrPHS > = -81dBm
 小灵通手机发射电平10Mw,  约为PtPHS= 10 dBm
 小灵通基站接收灵敏度为7dBuv，换算得 Pr基站>= -100 dBm
 干放上行增益：     G=30dB
 干放发射功率:   Pr干放  = 33dBm
 空间损耗：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系统是一个下行受限系统。
 通过两套系统的上下行计算，我们可以看出，WLAN系统与PHS系统合路时，应首先考虑链路损耗是否满足WLAN系统上行要求，当整套室内分布合路系统能够满足WLAN系统上行信号强度要求时，则肯定可以满足PHS系统的要求。
1.4合路频段范围与元器件要求
 在进行双网合路之前，应确定原有PHS覆盖系统中所有无源器件及天线的频段范围是否满足并网要求，现行各运营商系统的网络频段使用如表1所示：
表1 运营商网络频段表
系统 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
 与双网合路有关的元器件主要包括合路器、功分器、耦合器、天线等，另外影响合路效果的器件还有天馈线、馈线接头，相同的器件对不同频段射频信号通过造成的插损和线路损耗均不同，对于WLAN的2.4G高频信号造成的影响最大。
1.5合路关键设备
 （1）合路器
 合路器对电磁波信号进行过滤，让需要的信号通过，抑制不需要的信号，再将信号合成一路，同样的，也可以把宽带信号分离成多路，其特性可以用以下指标来描述：
 ◆通带工作频段：即滤波器允许通过电磁波的频率范围；
 ◆通带插入损耗：由于系统中增加了滤波器，会对系统信号造成一定的衰减，通带插入损耗（简称插损）度量了损耗的幅度，一般希望损耗越小越好；
 ◆阻带抑制度：理想的滤波器是矩形的，通带内的信号全部通过，通道外的信号全部过滤掉，但实际情况是，只能过滤掉一部分能量，阻带抑制度反映了对过滤信号的衰减幅度，通常也称为带外抑制；
 ◆端口驻波比：端口驻波也是衡量滤波器性能的一个关键指标，反映滤波器件与系统中其它部件的匹配程度；
 回波损耗：概念上指的是一种损耗，实际上，它测量的是传输信号被反射到发射端的比例。
 （2）天线布放
 鉴于PHS/wlan系统所使用的2GHz频段的载波存在电波绕射、穿透能力差，空间传播损耗大的特点，建议采用“低功率”+“多天线”的覆盖结构，根据不同区域设置天线类型、数目、安装位置，保证所覆盖区域能够均匀覆盖。
（3）WLAN功率放大器
 由于合路以后WLAN系统信号直接馈入GSM室内信号分布系统，因此由多系统共用天线对用户区进行覆盖，但是由于AP发射功率有限，在天馈系统中经过层层分支后，信号到达末端时功率不足会成为制约双网合路应用的一个因素。为了使单个AP的信号覆盖更大区域，工程中需要采用WLAN功率放大器，将AP信号放大。WLAN功率放大器的原理图如图2所示：

图2  WLAN功率放大器原理框图
 图中：下行信号通过功放模块和收发转换开关到达天线；上行信号通过天线接收以后，经过收发转换开关进行低噪声放大器放大到达AP。一般设计时在收发转换开关和天线之间增加带通滤波器，可以滤除部分由于有源器件自身导致的带外信号或噪声。
2.合路接入方式
2.1一级合路接入
 图3是最简单的一级合路方式，AP设备通过本身的射频输出直接注入天馈系统，按照国家无委对2.4G频段设备的功率限制要求，AP最大输出一般为100mW（20dBm），由于功率有限，因此一级合路方式只适用于在室内分布系统的各个平层合路覆盖。
 

图3 一级合路接入
2.2带有干放的合路接入
 为保证每一个天线入口有足够的WLAN频段信号功率注入，可通过WLAN干放增强AP的信号输出。目前市场可提供的2.4G干放产品有500mW、1W、2W等规格。如下图4所示：

图4 有干放的合路接入
2.3二级合路接入
 在实际设计施工中如遇到有PHS或CDMD干线放大器存在的情况下，首先需要将PHS和CDMA两路信号的射频进行分路，之后再和WLAN信号通过合路器重新合路。如图5所示：

图5 二级合路接入
 在保证用户数的前提下，为少建AP数量，降低设备投资，净化信道环境，减少信道干扰，并扩大单个AP的信号覆盖范围，可采用跨支路进行多重合路的技术。WLAN应用还需考虑用户容量的问题，如商务活动密集的场所，需要使用多个AP进行信号覆盖。一般以30用户作为推算单个AP用户容量的经验值。如采用两个AP合路，可提供的用户容量是60。由于IEEE802.11b标准原理限定了同一区域只能有三路信道（1、6、11信道）共同覆盖，因此，不存在大于3个AP合路的方式。以下表格给出AP使用建议供设计参考。
用户数(个) 面积(平方米) 天线(个) 会议室(个) 建议使用AP数量
≤20 1200-2000 6-10 3-4 1个AP
≤40 2100－3000 11-15 5-8 2个AP
………………… (以此类推) …………………
3.WLAN与PHS共用天馈系统的干扰分析
 系统的有源设备在发射有用信号的同时，在它的工作频带外还会产生杂散、谐波、互调等无用信号，这些信号落到其它系统的工作频带内，就会对其它系统形成干扰。
 从广义上讲，干扰产生可以分为干扰源的加性噪声干扰、引起被干扰接收机的阻塞和互调干扰。
加性噪声干扰：干扰产生在被干扰频段的噪声。包括干扰源的杂散、噪底、邻道、发射互调等噪声。多系统共享室内分布系统时，一个系统的杂散发射落入其它系统时，对其它系统形成加性噪声干扰。
交调干扰：当多个强信号同时进入接收机时，在接收机前端非线性电路作用下产生交调频率，交调频率落入接收机中频频带内造成的干扰。
阻塞干扰：接收微弱的有用信号时，受到带外的强信号引起的接收和失真造成的干扰。
 有源设备产生的带外杂散、谐波、互调等无用信号的大小除和设备本身的质量有关以外，主要还和两个因素有关：自身的输出功率---自身的输出功率越大，无用信号的输出越大；偏离工作带宽的程度---离工作带宽越远，无用信号越小。
 系统对外来干扰的承受能力也和两个因素有关：本身信号的强度—信号越强受干扰的机会越小；干扰信号的大小---干扰信号电平越小，信号受干扰程度越低。
4.杂散干扰分析
 杂散干扰对系统最直接的一个影响就是降低了系统的接收灵敏度。在分析杂散干扰时有一个原则，即在分析一个系统所受到的杂散干扰时，主要考虑其他系统的带外杂散落到本系统带宽内的功率是否高于本系统带宽内的空间热噪声功率，如果比该热噪声功率低，则该杂散对本系统的接收灵敏度将不会造成影响，如果杂散功率高于相应带宽内的空间热噪声功率，则系统的接收灵敏度将会受到一定程度的影响。下面，从各系统带外杂散发射以及白噪声功率的角度来进行分析各系统间的杂散干扰，并提出对合路器通道隔离度的指标要求。
 根据相关标准，可以得出各系统在其它系统的频段上的杂散发射指标，具体如下：
 CDMA800基站系统带外杂散
 在PHS系统应用频段内：≤-47dBm/100KHz (-42dBm/300KHz)
 在WLAN应用频段内：≤-36dBm/1MHz (-23dBm/22MHz)
 PHS基站系统带外杂散
 在CDMA800应用频段内：≤-26dBm/1MHz(-25dBm/1.25MHz)
 在WLAN应用频段内：≤-26dBm/1MHz(-13dBm/22MHz)
 WLAN基站系统带外杂散
 在CDMA系统应用频段内：≤-86dBm/1Hz (-25dBm/1.25Hz)
 在PHS系统应用频段内：≤-80dBm/1Hz (-25dBm/300KHz)
 各系统工作信道带宽内总的热噪声功率按照下面的公式可以计算出来，具体计算如下：
 Pn=-174dBm+10lgBw(Hz)
 CDMA800系统工作信道带宽为1.25MHz，因此CDMA800系统工作信道带宽内总的热噪声功率：
 Pn1=-174dBm+10lg(1.25×106Hz)=-113dBm
 PHS系统工作信道带宽为300KHz，因此PHS系统工作信道带宽内总的热噪声功率：
 Pn4=-174dBm+10lg(300×103Hz)=-119dBm
 WLAN系统工作信道带宽为22MHz，因此WLAN系统工作信道带宽内总的热噪声功率：
 Pn4=-174dBm+10lg(22×106Hz)=-101dBm
 根据上述的计算结可知，为了使系统之间的杂散干扰降低到可以忽略的程度，必须对多频合路器的隔离度提出相应的要求，具体如下（简化公式）：
 隔离度＝干扰基站杂散辐射电平－被干扰系统热噪声功率
 CDMA信号通道对其他系统的通道隔离度：
 对PHS：-42-（-119）=77dB
 对WLAN：-23-（-101）=78dB
 PHS信号通道对其他系统的通道隔离度：
 对CDMA800：-25-（-113）=88dB
 对WLAN：-13-（-101）=88dB
 WLAN信号通道对其他系统的通道隔离度：
 对CDMA800：-25-（-113）=88dB
 对PHS：-25-（-119）=94dB
 各系统杂散干扰需要的隔离度统计如下(参考值)：
 
 被干扰系统
干扰系统 CDMA PHS WLAN
CDMA 　 77 78
PHS 88 　 88
WLAN 88 94 　
4.1.互调干扰分析
 这三个系统共有4段频带，包括CDMA上行、CDMA下行、WLAN、和PHS等通信频段。这些信号产生的三阶互调信号的频率成分将会非常多，其中有一些频率成分将会落在某系统的上行频段内而造成干扰。为了便于理论分析，只考虑下行信号产生的三阶互调产物落在上行频段内的情况。对于时分系统考虑了当前主要应用的频段。下表为f1-f3具体说明（主要考虑下行信号对其它系统上行信号的互调干扰）：
源信号 Min(MHz) Max(MHz) 说明
F1 2400 2483 WLAN频率范围
F2 1900 1920 PHS频率范围
F3 870 880 CDMA下行频率范围
 
 CDMA系统的使用频段与PHS、WLAN系统的频段相差较远。因此，在实际应用中我们主要考虑PHS和WLAN系统之间的互调干扰。以下是三套系统之间互调干扰的分析：
 频率(MHz) Min(MHz) Max(MHz) 是否对系统接收造成干扰
WLAN系统产生的三阶互调成分 2400－2483 2317 2566 否
PHS系统产生的三阶互调成分 1900－1920 1880 1940 影响WCDMA
CDMA系统产生的三阶互调成分  860 890 自干扰
PHS与WLAN两个系统之间产生的三阶互调成分 2f1-f2 2880 3066 否
 2f2-f1 1317 1440 否
5.室内分布系统的技术指标
5.1PHS室内覆盖技术指标
5.1.1信号覆盖电平
 目标覆盖区域95％以上的位置，接收信号电平≥36dBμV。
5.1.2信号优先级
 室内覆盖的设计范围内95％以上的面积由室内分布系统有效覆盖。
 (1)当室外基站信号在室内大于46dBμV 且信号质量稳定，在保证通话质量的前提下允许部分区域使用室外信号；
 (2)当室外信号在室内电平较高，但没有稳定的主导信号时，要求保证室内信号为第一场强。
5.1.3接通率
 保证覆盖区域内信号强度均匀分布，目标覆盖区域95％的位置、95％的时间移动台可以接入网络。且进行拨打测试时MOS≥4 级（含4 级），测试点的数量应占95％。
5.1.4掉话率
 CQT 要求：
 室内切换掉话率<2％；
 室外－室内切换掉话率<2％；
 电梯外－电梯内切换掉话率<2％。
 忙时话务统计要求：
 掉话率<1.5％。
5.1.5同步
 要求室内基站的同步率为100％。
5.1.6信号外泄
 室内基站下行信号泄漏至室外10 米处的场强应不高于36dBμV。
5.1.7上行噪声电平
 在基站接收端位置收到的上行噪声电平小于-120dBm/300kHz。
6.WLAN系统覆盖技术指标
6.1信号覆盖电平
 对有业务需求的楼层和区域进行覆盖。 目标覆盖区域内95％以上的位置，接收信号电平≥-75dBm。
6.2信号质量
 目标覆盖区域95％以上位置，用户终端无线网卡接收到的下行信号C/I值应大于20dB。
6.3数据速率
 在目标覆盖区域内，要求单用户接入时峰值数据传输速率不低于4Mbits/s，在多用户接入数据传输速率不低于100kbits/s。并支持用户在覆盖区域内慢速移动。在文件服务器上同时进行至少3个超过100MB文件的下载时，没有明显中断（软件中“已下载数据大小”指示值持续5秒不变化，即视为明显中断）。
6.4信号外泄
 室内WLAN信号泄漏至室外10米处的信号强度应不高于-75dBm。
 总结：针对中国电信已有无线室内分布系统和未来发展的趋势，本文阐述的主要是WLAN覆盖与PHS室内分布系统融合的可行性，以及覆盖后的技术指标要求，将来如果需要合路其它无线系统，也因分别从链路预算、合路接入方式、互调干扰、无源器件的指标等要求去考虑合路的技术可行性，同时满足相应覆盖标准。
参考资料：
[1]中国电信[2005]151号室内分布规范
[2]中国电信[2008]38号中国电信WLAN热点覆盖建设指导意见
[3]《新疆通信》2007年NO.2