特殊室分场景“宏分布”覆盖思路探讨

郑伯锋

（中国铁塔股份有限公司湖南省分公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

随着网络强国、数字中国等一系统战略方针的推进，中国互联网发展进入新时代，社会对移动通信覆盖提出了更高的要求。网络演进的加速以及提速降费的推进，又迫使基础电信运营企业不得不重视成本和效益的平衡。室内分布场景由于人员驻留时间比较长，对覆盖的要求也比较高，但由于室内隔断比较多，环境较为复杂，对电磁辐射敏感，因此现行设计指导意见均要求采用“多天线、小功率”[1]的设计思路。但事实上，室内场景各异，并不能用统一标准来衡量，且随着室内外综合解决方案的推进，宏站与室分的边界也越来越模糊[2]。因此，本案在结合各场景的电磁传播特性和国家电磁辐射限值基础上，提出“宏分布”的概念，为室内覆盖特殊场景的低成本建设提供相关参考依据和理论支持。

1 问题的提出

室内移动通信覆盖系统由于要将信源信号均匀分布至复杂的室内环境，需要建立一套由馈线、无源器件等组成的分配网络，但分配网络在信号的传递过程中，本身会有一个比较大的能量消耗[3]，且该能量损失不可小觑。统计2022 年中国铁塔某省分公司采用“传统室分+天线口功率限值”设计情况下，单台信源覆盖的天线数量均在60 副以下。查询表1 可知，室分信源通过无线辐射至有效覆盖空间的功率占比不到10%，也就是说90% 的信号在分布系统传递的过程中被消耗。

表1 传统室内分布信源发射功率与设备输出功率占比

因此，本课题提出一种“宏分布”的室内覆盖思路：“宏”是因为宏分布具有宏蜂窝的特性，发射天线点尽可能的靠近信源，减少信号分配网络带来的能量损失；“分布”是因为宏分布又具有传统室内分布系统的特性，有一定规模的信号分配网络，但其规模较传统室分要小。

2 “宏分布”可行性分析

2.1 电磁环境控制限值

目前传统室内分布系统设计指导资料基本均提到天线口功率需要控制在10-15 dBm/CH[4]，但来源无法考证，也无官方理论推导数据。经查阅我国现行电磁辐射污染防治相关法律法规，如《电磁辐射防护规定》（GB8702）、《电磁辐射监测仪器和方法》（HJ/T10.2）、《通信基站电磁辐射管理技术要求》（YD/T 3026）等，均未针对室内天线提出相关限值要求。但在《电磁环境控制限值》（GB 8702-2014）中规定，为控制电场、磁场、电磁场所致公众曝露，环境中电场、磁场、电磁场场量参数的方均根值应满足表2 要求[5]：

表2 公众曝露控制限值

目前国家授权的公网通信频率范围在30—3 000 MHz之间（目前5G 频率有大于3 000 M 的授权，但由于频率越高，则穿透人体能力就越差，允许的功率密度就越大），因此公网移动通信电磁环境限值以功率密度≤0.4 W/m2来衡量。

另根据《辐射环境保护管理导则-电磁辐射监测仪器和方法》（HJ/T 10.2-1996）规定的电磁辐射环境影响评价方法与标准，对单个项目的影响必须限制在公众照射导出限值的若干分之一[6]。在评价时，对于由国家环境保护局负责审批的大型项目可取功率密度限值的1/2；其他项目则取功率密度限制值的1/5 作为评价标准，即移动通讯基站的功率密度限值应是0.08 W/m2。

部分室分场景由于电磁环境相对纯净，背景电磁噪声很小（如地下停车场），可认为电磁污染主要由公网信号贡献，电磁环境限值可以用《电磁辐射防护规定》（GB8702）规定的标准进行衡量，即功率密度≤0.4 W/m2。对于室外比较复杂的场景，出于安全起见，建议采用《辐射环境保护管理导则-电磁辐射监测仪器和方法》（HJ/T 10.2）规定的若干分之一方式进行衡量[7]，即功率密度≤0.08 W/m2。

2.2 宏分布辐射安全距离计算方法

根据《通信基站电磁辐射管理技术要求》（YD/T 3026）“6.2 环境影响预测”规定的在远场轴向功率密度（Pd）计算公式[8]：

式中：P：天线辐射功率（W）；G：天线增益（倍数）；f(θ）：天线垂直方向函数，是对G 值的修正。根据天线增益图，当天线主瓣与监测点的俯角θ＜20°时，f(θ)=1；20° ＜θ＜70°时，f(θ)=0.5，θ＞70°时，f(θ)=0.2。

可得出宏分布发射点辐射安全距离计算公式如下：

以上公式中，P为宏分布发射点功率，可以根据拟定覆盖的范围通过电磁传播模型反算得出，G 可以直接取选定天线给定的技术参数，θ 根据需要评定的覆盖区域进行设定，Pd为集合{0.4 W/m2，0.08 W/m2}，可根据基站对电磁环境污染的贡献权重进行选择，由此可以通过比较参考点（如人流驻留点）与安全距离的关系，判定宏分布方案是否可行。

3 三类典型场景“宏分布”覆盖方案

基于以上思路，可以根据每个室分场景特点定制“一站一策”方案，具体可按如下步骤实施：

（1）根据场景特点，试选宏分布发射点位，利用Okumura-Hata 模型或ITU-RP.1238 传播模型[9]，根据宏分布覆盖区域最远终端对场强的要求（或运营商对覆盖区域的边缘场强指标），推算出宏分布发射点位的功率要求；

（2）根据天线发射功率，综合考虑电磁辐射影响因素[10]，推算出最近参考点（如人流驻留点）是否满足电磁辐射安全要求，满足则确认该点位，不满足则另选点位或调整功率设置，直至满足文献[11]。

如此反复测算，得出辐射水平居中、发射点位最少的方案，从而实现分布系统规模尽可能的小，信源功率得到最大化利用，下面以室分常见的三个场景举例说明。

3.1 住宅小区平层

目前城市住宅小区楼高均比较高，且基本为建筑群分布，无法通过宏站完全覆盖，一般需要通过室内分布系统补充覆盖[12]。如图1 所示，传统住宅小区平层覆盖方式为在每栋布置分布系统，以“多点开花”方式进行覆盖[13-14]。该方式平层信号覆盖比较均匀，但由于每一栋楼均需要布置信源，不利于功率的集中利用。分析其特点，如图2 所示，可考虑采用“集中部署”的“宏分布”方式，在小区中心位置选取合适的楼宇，然后向四周辐射，以最少信源达到同等或相当的覆盖效果。

图1 传统“多点开花”方式

图2 低成本“集中部署”方式

以长沙某住宅小区为例，该小区共有10 栋楼宇（占地200 m×150 m），平均高度18 层。

采用传统“多天线、小功率”室分进行设计，在每栋楼楼顶采用天线对射进行覆盖，需要设计10 个信源点位，每个信源点位的覆盖半径约为两侧楼间距，满足覆盖要求。现采用“宏分布”方式进行覆盖，本次选取其中2 栋楼宇（5栋和7 栋）进行信源点位集中部署，设计输入参数如下：

（1）宏分布发射点位的的覆盖半径约为100 m；

（2）宏分布介质损耗取典型值26 dB（室外信号至室内需要穿越一扇窗取6 dB，另考虑渗透到卧室穿透一面墙取20 dB）[15]；

（3）最近参考点（目标监测点）距离取30 m（发射点距离最近一栋楼的距离，也即最小楼间距）；

（4）传播模型取ITU-RP.1238 非视距模型[16]：

其中，f：频率，单位MHz；N：距离损耗系数，本场景为住宅小区，取建议书中居民楼的典型参数28；d：天线覆盖距离，单位为m；BPL：介质穿透损耗，单位为dB；LNFmarg：慢衰落余量，单位为dB，本次测算取3。

（5）本次参考网络取FDD LTE2100 M，带宽取20 MHz，边缘场强RSRP 取-105 dBm[17]。

则根据ITU-RP.1238 模型计算结果如表3 所示:

表3 住宅小区案例传播模型参数输入及计算结果

FDD LTE 在2*20 MHz 带宽情况下，对应有1 200个子载波，根据测算的发射点RSRP 值进而得出发射点的信源输入功率为37.3 dBm。

本例属于室外开阔场景，电磁环境相对复杂，轴向功率密度的取定，选用HJ/T 10.3 最严苛的标准，单项目限值系数取1/5，天线方向性函数取f() 取1，刚由2.2节公式(2)计算结果如表4 所示：

表4 住宅小区案例辐射安全距离临界值计算

可得出，距离天线口9.2 m 为辐射安全距离临界值，小于设计输入参数中的最近参考点（目标监测点）30 m，满足电磁辐射限值要求，该站点满足“宏分布”条件。

该站点采用“宏分布”与传统室内分布相比，信源数量由10 台至少至2 台，信源减少80%，同时分布系统规模也同步减少，具有比较高的经济效益。但在实施工程应用中，由于需要兼顾电梯的覆盖，实际减少信源规模约为30%～50%。

3.2 电梯

传统电梯覆盖方式一般采取在电井内每隔3～4 层布置对数天线[18]，然后采用分布网络进行连接的方式进行覆盖。该方式施工难度比较大，且器件比较多，检修不易，有物件老化脱落风险，给电梯安全运行造成隐患[19]。因此可考虑“宏分布”方式进行覆盖，在电梯井道的最顶端（或最底端）布置一面高功率窄波束天线，或在电梯井道上下各布置一面天线，从而减少天馈线系统的规模，同时减少安全隐患。

电梯一般处于建筑物的最中央，且有比较厚实的金属箱体屏蔽，因此基站为电磁环境污染的主要贡献者（观光电梯除外），可以考虑按功率密度限值0.4 W/m2，从而结合覆盖边缘场强需求得出是在顶端（或最底端）布置一面天线，还是上下各布置一面天线。

电梯覆盖示意图如图3 所示：

图3 电梯覆盖示意图

以长沙某住宅小区为例，该小区楼宇电梯运行区间约为100 m（地下两层，地上30 层），若采用传统传统室分进行设计，每4 层布置一个对数周期天线，约需要8个对数周期天线，100 m 馈线，功率分配器件若干。

现分析采用“宏分布”覆盖的可行性。本次选取在电梯井道顶部天花板上安装一面窄波束高增益天线，设计输入参数如下：

（1）宏分布天线纵向覆盖距离约为100 m；

（2）宏分布介质损耗取典型值30 dB（主要为电梯轿厢损耗，取金属的典型衰耗值30 dB）；

（3）最近参考点（目标监测点）距离取3 m（电梯机房一般比最顶楼住户高一层，因此天线安装点距离电梯内人群至少有一层楼的高度）；

（4）传播模型取根据统计学修正后的隧道传播模型[20-21]：

Lnlos=20log(f)+30log(d)-38(dB)+BPL（4）

其中，f：频率，单位MHz；d：天线覆盖距离，单位为m；BPL：介质穿透损耗，单位为dB；

（5）本次参考网络取FDD LTE2100 M，带宽取20 MHz，边缘场强RSRP 取-105 dBm。

则根据隧道传播模型计算结果如表5 所示：

表5 电梯案例传播模型参数输入及计算结果

FDD LTE 在2*20 MHz 带宽情况下，对应有1 200个子载波，根据测算的发射点RSRP 值进而得出发射点的信源输入功率为33.29 dBm。

本例属于密闭空间，电磁环境相对简单，可认为电磁污染主要由公网信号贡献，电磁环境限值可以取0.4 W/m2，另天线方向性函数取f(θ)取1，刚根据2.2 节公式(2)计算结果如表6 所示：

表6 电梯案例辐射安全距离临界值计算

本案中，虽然计算的安全距离为2.31 m，与设计输入参数中的参考点（目标监测点）距离3 m 接近，但这个计算结果为裸露空间的安全距离，考虑人的活动一般在轿厢内（检修除外），信号辐射至参考点需要穿透电梯轿厢（金属的典型介质损耗为30 dB），辐射剂量将远远小于限值，该站点满足“宏分布”条件。

电梯场景采用“宏分布”与传统室内分布相比，大大减少了室内天线、功率分配器件以及馈线的使用，同时也减少了后期器件老化故障发生几率。另外，由于没有了信号分配网络带来的能量损耗，信源能量利用率进一步提高，也能节约部分信源。

3.3 地下停车场

地下停车场一般为开阔区域，是比较适用于“宏分布”的区域。根据宏分布的设计原则，信源点位的选取上，可以不局限于弱电井，在靠覆盖区域的中心地带采取挂墙安装形式，使天线发射点尽可能的靠近信源。覆盖形式上，如图4、图5 所示，尽可能采取室内壁挂甚至室外定向天线等覆盖形式，减少分布系统的布置规模。

图4 定向壁挂天线

图5 室外大板状天线

以一个长度为200 m 的规则地下室为例，采用传统“多天线、小功率”室分进行设计，则需要敷设馈线约200 m，新增套管或安装弱电桥架若干，施工周期长，造价高。现采用“宏分布”方式进行覆盖，本次选取地下室中间某个点位，将信号向两边辐射，则设计输入参数如下：

（1）宏分布发射点位的的覆盖半径约为100 m；

（2）宏分布介质损耗取典型值15 dB（地下室取车窗玻璃损耗6 dB，柱子等遮挡损耗9 dB）；

（3）最近参考点（目标监测点）距离取0.5 m（发射点天线挂高至少2.5 m，人体高度取2 m）；

（4）传播模型取ITU-RP.1238 非视距模型[5]：

其中，f：频率，单位MHz；N：距离损耗系数，根据模型建议的场景参考值，取22；d：天线覆盖距离，单位为m；BPL：介质穿透损耗，单位为dB；LNFmarg：慢衰落余量，单位为dB，地下室为开放式室内场景，本次测算取8。

（5）本次参考网络取FDD LTE 2100M，带宽取20 MHz，边缘场强RSRP 取-105 dBm。

则根据ITU-RP.1238 模型计算结果如表7 所示：

表7 地下停车场案例传播模型参数输入及计算结果

FDD LTE 在2*20 MHz 带宽情况下，对应有1 200个子载波，根据测算的发射点RSRP 值进而得出发射点的信源输入功率为26.29d Bm。

考虑地下停车场日常人流量比较少，且驻留时间比较短，一般情况下，基站为电磁环境污染的主要贡献者，因此可以根据情况按功率密度限值0.4 W/m2。若为半开放式地下室，也可以视情况选用HJ/T 10.3 最严苛的标准，单项目限值系数取1/5。本例为全封闭地下室，功率密度限值取0.4 W/m2，天线方向性函数取f()取1，则根据2.2节公式(2)计算结果如表8 所示。

表8 地下停车场案例辐射安全距离临界值计算

本例中，距离天线口0.52 m 外为辐射安全距离临界值，接近设计输入参数中的最近参考点（目标监测点）0.5 m，因此可以考虑调整天线的挂高，或调整设备安装点位，降低天线口发射功率等措施，从而实现“宏分布”覆盖。

3.4 “宏分布”优劣总结

宏分布不局限于以上典型场景，原则上介于宏蜂窝和“多天线，小功率”传统室分之间的形态，均属于宏分布的范畴，主要特征为通过使发射点尽可能靠近信源，减小分配网络的损耗，使信源功率利用率得以提升。其与传统室内分布的优劣对比详见表9：

表9 “宏分布”与传统室内分布优劣对比

4 结束语

在“互联网+”和“网络强国”大背景下，各运营商面临网络提质改造和提速降费双重压力，传统“小功率、多天线”微分布覆盖方式能很好满足网络提质需求，但高昂的造价又成为了运营商的不可承受之重。“宏分布”可以很好地契合住宅平层、电梯、地下室等只需做信号到达性覆盖的场景。“宏分布”天线口功率限值是一个比较关键的元素，决定了分布系统的部署规模，虽然大多数室内场景电磁辐射源和辐射强度可预见，可以比较精准预测电磁辐射功率密度，但由于与电磁环境安全强相关，建议分布系统建设完成之后，采用专用仪器对建成后的室分进行电磁辐射进行复测，以保证电磁环境绝对安全。