超远距离场景覆盖方案浅析

摘　要：超远距离覆盖是移动网络规划与设计的一个难点，本文介绍了超远距离场景的特点，分析了UMTS最大通信距离，详述了各种超远距离覆盖技术以及各种覆盖解决方案。

关键词：超远距离；覆盖；通信距离；解决方案
　　1．引言
　　对于运营商而言，城市地区人口密集，话务密集，是运营商的主要收入来源地，因此首先要考虑城市地区的无线网络覆盖。运营商往往通过增加基站，分裂小区等扩容手段，来满足城市地区的容量增长需求。因此城市地区的小区的特点通常是覆盖距离小，小区容量大。
　　而对于诸如离岸岛屿、海上、沙漠或草原作业、近海（沙漠/草原）旅游、海上渡轮航线、海上边防，奥运海上运动场等远距离广域服务区，虽然话务密度小，分布范围大，但对于运营商网络覆盖的质量和品牌至关重要。因此对于这些地区，运营商希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的面积，以降低网络建设和运维成本, 在提升运营商品牌效应的同时带来积极的经济和社会效益。
　　2．超远距离场景特点
　　超远距离场景的特点是地形简单，区域辽阔，水面或地面平坦，无线传播环境较好，基站周围话务量无明显变化，人口较少，分布分散，热点地区不明显，无法固定业务需求位置，话务需求低，应用以话音为主，对数据业务需求不大。
　　对于水面广域覆盖，主要是考虑覆盖水域边的居民和水域上的船只。我国沿海一些省份有漫长的海岸线，这种特殊场景的覆盖需要的不是容量，而是低成本的广域覆盖。
　　广域环境下无线传播模型接近于自由空间的传播模型，无线传播环境好，无线电波传播距离可以很远。广域覆盖下的链路预算可以参考农村开阔地形的指标，并有所下调。主要特点如下：
　　*传播路径主要是通过空气的直达波和经过水面、草原、戈壁等反射的反射波。在广域覆盖的情况下，基站能力往往受LOS限制。虽然传播信号可能由于在LOS范围内的损耗小于最大允许的空间损耗，从而进入NLOS范围继续传播，但是站点的覆盖半径主要还是取决于LOS范围大小。
　　*由于广域环境的传播损耗很小，信号可以传播到很远的位置。此时，地球不能再看作平面，地球的曲率对信号传播会有影响。
　　用户一旦进入地球凸面的阴影区，就不能通过提高功率或灵敏度来改善覆盖。而要通过提高天线高度来克服地球曲率的影响。如果地球半径按照6400km来计算，若有高度400m的山顶可以利用，在只考虑直射路径的情况下，覆盖能达到72km左右；若考虑大气折射等因素，覆盖可以达到100km左右。若有500m的山顶可以利用，在考虑大气折射等因素后，覆盖可以达到110km左右。
　　*在水域中，受风浪或者船体本身大小影响，移动台的高度起伏可能较大；在草原、戈壁上，地势的起伏也会造成移动台的高低起伏。
　　*在水域中，传播路径上的岛屿、山、巨轮可能会产生阴影效应；在草原、戈壁上，地表的突起物也可能会产生阴影效应。
　　海平面/草原/沙漠远距离覆盖属于广域覆盖范畴，需要解决以下难点：
　　*需要突破传统小区同步时延限制；
　　*需要利用多种手段提高小区上下行覆盖能力，扩展小区半径；
　　*超远覆盖还受到地球曲率影响；
　　*对质量和数据吞吐速率要求较低，一般只要求能够打通电话。
　　3． WCDMA超远距离覆盖技术
　　理论上WCDMA小区接入半径最大为200km。超远覆盖的主要传播路径在视距范围内，受基站高度的影响最大。其次，载波频段对路损的影响也很大。WCDMA无线设备可以通过使用各种技术提高增益，增加系统容忍的路损来提高超远覆盖距离。
　　3.1提高天线高度
　　要实现超远距离覆盖，必须保证基站天线挂高的高度和与覆盖目标之间的良好的无线传播环境的要求。覆盖距离主要受地球球面曲率、无线传播衰减限制。考虑到地球球面曲率的影响，对海面进行覆盖的基站天线一般架设得很高，通常会超过100m。天线高度和视线距离的关系为： 。其中，R 是视线距离（km），即天线发出的直射线与地球表面相切的点与天线之间的距离，h是天线海拔高度（m）。
　　基站天线挂高的高度由2部分组成：站址的海拔高度+地面至天线的高度。目前情况下，地面至天线的高度受具体铁塔、桅杆高度的影响，一般不大于70m。基站天线实际挂高情况是影响实际覆盖距离的直接原因，天线挂高越高无线传播受地球曲率的影响越小。但基站天线挂高太高，容易接收到广大区域的电磁波信号，容易形成干扰。
　　权衡利弊，在可能的情况下，应该根据覆盖目标区域的距离远近，尽量选择海拔高度比较高的站址，以满足超远距离覆盖对天线挂高的要求。
　　3.2使用较低频段发射
　　在天线发射功率相同的情况下，频率越高，电波传播越近。例如，在室外宏蜂窝环境下，900MHz比2100MHz路径损耗低11.4dB。传播损耗还与无线环境密切相关，室内空间传播损耗与室外不同，室外的传播损耗与距离、无线环境有关。密集城区、山区等传播损耗相对较大。在发射源可视距离范围内，传播损耗相对较小，距离衰减系数（因子）在3左右；超出可视范围后，传播损耗急剧上升，距离衰减系数大于4。
　　3.3其他上下行增强覆盖功能
　　针对无线超远距离覆盖需求，结合影响基站覆盖的关键因素，可以通过灵活多样的覆盖增强技术，在下行功率增强和上行解调灵敏度增强两个方面大幅度提高系统性能，使WCDMA网络获得更高的覆盖增益，覆盖更远的距离，每种技术可以单独使用，也可以组合使用。
　　优良的静态接收灵敏度：基站采用高灵敏的射频和高精度的中频设计及高性能的基带算法，例如一些基站的双天线静态接收灵敏度达到-128.6dBm（不包括塔放），优于协议指标4dB以上。
　　大功率功放：大功率功放有助于提升下行覆盖。采用大功率功放时，宏基站机顶功率可达80W，分布式基站功率达到60W，相比传统基站可以提高下行覆盖2dB左右。
　　BBU+RRU：分布式基站RRU射频远端模块通过靠近天线安装，减少馈缆带来的损耗2~3dB，提升上下行覆盖增益。以3dB馈线损耗为例，使用RRU后小区上行覆盖半径改善了16.59%（假设路径衰减指数为3）。RRU的使用对上行容量基本没影响，下行容量会受到一定影响，这是因为RRU通过减小N dB的馈线损耗，使最大允许路损增大N dB。在覆盖增加的情况下需要更大的发射功率去满足边缘覆盖，从而导致容量减少。
　　采用分布式解决方案，能够成熟高效地实现超远距离覆盖 。RRU支持星形、链形等模式，最多支持RRU四级级连。链状连接特别适用于较长的狭窄地形覆盖，尤其适合海岸线、沙漠边缘等组网环境。
　　多天线接收分集：多天线接收技术通过利用不同天线分支信号衰落的不相关性和干扰的不相关性，来克服无线信道衰落的影响，提高信噪比。对于超远距离覆盖，多天线接收分集技术的应用，能够降低对Eb/No的解调要求，提高网络上行覆盖能力。
　　多天线接收分集带来的增益和天线之间的相关性密切相关。当接收天线分支互不相关时，多天线接收分集带来的增益最显著；当接收天线分支部分相关时，多天线接收分集带来的增益相对减小。通常多根接收天线之间很可能是部分相关的，这损失了一定的分集增益。
　　多天线接收分集的增益除和天线之间的相关性有关外，还和信道的多径情况、移动台的运动速度、功控、软切换等技术的采用有关。通常对于低速且多径数目较少的场景，多天线增益尤其明显，一些厂家的WCDMA超远距覆盖技术全面考虑了使用多天线技术提高接收能力的情况，支持两天线、四天线、六天线等多种多天线接收分集组合提高了各种业务的上行接收灵敏度，从而大大增加了覆盖距离，提高了通信质量。以四天线接收分集为例，上行灵敏度比双天线接收分集提高约3dB，对应单站覆盖半径可以扩大13%，站点数目可减少26%。
　　定向覆盖天线：定向天线增益远大于全向天线，一般要大6~7dB左右，所以宏蜂窝定向站的覆盖半径远大于全向站，所以在站型考虑时，应尽量以定向基站为主。使用高增益定向天线，大大提高了接收增益，增加了覆盖距离。定向天线的实际增益与天线角度有关，一般来说，波瓣宽度越小，增益越大，覆盖距离越远，宽度越小，需要更多的小区。
　　自适应语音编码AMR：WCDMA的话音编解码器采用自适应多速率技术AMR，可以有效降低语音数据的速率，采用低速率语音编码有更高的扩频增益，提高小区边缘地区的覆盖距离和通话质量。AMR源速率可为8 个值：12.2（GSM-EFR）、10.2、7.95、7.40（IS-641）、6.70（PDC-EFR）、5.90、5.15 和4.75kbit/s。在超远距离覆盖解决方案中灵活根据UE功率测量结果选择相应的编码方式，当用户移动到覆盖区边缘，或者网络的负荷很大时，通话质量会下降并有可能掉话。在保证可接受的通话质量的前提下，自适应降低语音编码速率，以较高的扩频增益抵消恶化的无线环境，从而保证通话正常并提高语音质量。例如，相比于12.2k编码，4.75k编码可提高2.3dB上行覆盖增益。
　　发射分集：发射分集主要目的是提高网络性能和下行容量，与非发射分集情况比较，可使下行链路性能提高2dB左右。和接收分集技术类似，增加发射功率也是一种抵抗信道衰落、提高链路性能的有效技术。在超远覆盖环境下，由于环境开阔平坦，覆盖距离远，发射分集对用户接收信号没有什么影响，所以提高发射功率，可以增加接收增益，尤其对于遥远的小区边远区域，能起到良好的作用。
　　超远距覆盖解决方案需要综合考虑发射增强技术，可以利用双功放叠加技术来达到大功率发射效果，使用40W×2 或 60W×2功放叠加，相比20W功放无分集发射，可以带来下行链路5~8dB左右的改善效果，大大增加了下行链路的覆盖距离和容量。
　　对于超远覆盖，主要考虑的因素是覆盖距离，所以也需要加大导频所占的的功率比。
　　塔顶放大器：塔顶放大器用于放大上行信号，一般安装在主馈线和上段跳线（和天线相连的1/2跳线）之间，用于上下行链路平衡预算时弥补上行链路的不足。在采用大功率功放和高增益天线时，往往上行链路不足，需要采用塔放来弥补，一般塔放可带来3.12dB可调的上行增益。
　　塔放需要主馈部分馈送直流电流，所以应用塔放时特别要注意选择合适的天馈避雷器以及连接方式以保证对直流馈电的支持。
　　塔放成本较低，与合理的塔高相配合，能很好地改善上行信号。但是塔放对下行容量有一定影响。当使用RRU+BBU时，由于馈线距离很短，塔放对上行链路没有太明显的改善。一般在RRU不能上塔或使用宏基站导致馈线较长的情况下使用塔放。
　　超远距覆盖解决方案综合考虑塔放的作用和优势，使用塔放来消除馈线干扰和提高上行链路增益。
　　4．超远覆盖解决方案
　　4.1覆盖解决方案1：水域覆盖
　　当容量需求较小时，可以考虑使用高站+TMA+高增益天线的方式实现超远距离的覆盖，根据要实现的覆盖距离确定所需的天线挂高。 在实际使用环境中，考虑到塔高、地形等各因素的限制，建议在不明显增加成本的前提下，选用塔顶放大器和大功率功放的方法提高设备的上下行覆盖能力。由于全向站型天线的增益较低，扩容困难，无法支持大站型，因此一般选择宏蜂窝定向站。
　　当容量需求较大时，如海滨浴场，渔船集中的区域等，为了解决容量需求与远距离覆盖之间的矛盾可采用分层覆盖方案,即利用较低的基站吸收近海的容量，利用较高的基站实现远距离的覆盖，两个小区重叠覆盖但使用不同的频率。
　　4.2覆盖解决方案2：草原、戈壁等覆盖方案
　　在对草原、戈壁区域进行站址规划时，关键在于根据目标覆盖区来选择合适高度的站点。相关的实际测试结果表明：对要求覆盖半径在30km左右，通常选择在比较平坦的地方建塔，塔高一般在50m左右；对要求覆盖半径在45~70km，通常选择比较高的山丘、沿海边山顶的地方建塔，塔高在100~200m；对覆盖半径在70km的范围，通常塔高选择在200m以上。对于广覆盖基站的使用，应该保证系统上行接收的灵敏度。确保上行覆盖和上下行链路平衡。
　　此外，利用海边地势较高的地方建站、采用高功放保证最大无线覆盖以及使用高增益天线都可以在一定程度上增大无线覆盖。
　　参考文献：
　　各设备厂家技术资料