鄭伯鋒

（中國鐵塔股份有限公司湖南省分公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)強國、數(shù)字中國等一系統(tǒng)戰(zhàn)略方針的推進，中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進入新時代，社會對移動通信覆蓋提出了更高的要求。網(wǎng)絡(luò)演進的加速以及提速降費的推進，又迫使基礎(chǔ)電信運營企業(yè)不得不重視成本和效益的平衡。室內(nèi)分布場景由于人員駐留時間比較長，對覆蓋的要求也比較高，但由于室內(nèi)隔斷比較多，環(huán)境較為復(fù)雜，對電磁輻射敏感，因此現(xiàn)行設(shè)計指導(dǎo)意見均要求采用“多天線、小功率”[1]的設(shè)計思路。但事實上，室內(nèi)場景各異，并不能用統(tǒng)一標準來衡量，且隨著室內(nèi)外綜合解決方案的推進，宏站與室分的邊界也越來越模糊[2]。因此，本案在結(jié)合各場景的電磁傳播特性和國家電磁輻射限值基礎(chǔ)上，提出“宏分布”的概念，為室內(nèi)覆蓋特殊場景的低成本建設(shè)提供相關(guān)參考依據(jù)和理論支持。

1 問題的提出

室內(nèi)移動通信覆蓋系統(tǒng)由于要將信源信號均勻分布至復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，需要建立一套由饋線、無源器件等組成的分配網(wǎng)絡(luò)，但分配網(wǎng)絡(luò)在信號的傳遞過程中，本身會有一個比較大的能量消耗[3]，且該能量損失不可小覷。統(tǒng)計2022 年中國鐵塔某省分公司采用“傳統(tǒng)室分+天線口功率限值”設(shè)計情況下，單臺信源覆蓋的天線數(shù)量均在60 副以下。查詢表1 可知，室分信源通過無線輻射至有效覆蓋空間的功率占比不到10%，也就是說90% 的信號在分布系統(tǒng)傳遞的過程中被消耗。

表1 傳統(tǒng)室內(nèi)分布信源發(fā)射功率與設(shè)備輸出功率占比

因此，本課題提出一種“宏分布”的室內(nèi)覆蓋思路：“宏”是因為宏分布具有宏蜂窩的特性，發(fā)射天線點盡可能的靠近信源，減少信號分配網(wǎng)絡(luò)帶來的能量損失；“分布”是因為宏分布又具有傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)的特性，有一定規(guī)模的信號分配網(wǎng)絡(luò)，但其規(guī)模較傳統(tǒng)室分要小。

2 “宏分布”可行性分析

2.1 電磁環(huán)境控制限值

目前傳統(tǒng)室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)資料基本均提到天線口功率需要控制在10-15 dBm/CH[4]，但來源無法考證，也無官方理論推導(dǎo)數(shù)據(jù)。經(jīng)查閱我國現(xiàn)行電磁輻射污染防治相關(guān)法律法規(guī)，如《電磁輻射防護規(guī)定》（GB8702）、《電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》（HJ/T10.2）、《通信基站電磁輻射管理技術(shù)要求》（YD/T 3026）等，均未針對室內(nèi)天線提出相關(guān)限值要求。但在《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702-2014）中規(guī)定，為控制電場、磁場、電磁場所致公眾曝露，環(huán)境中電場、磁場、電磁場場量參數(shù)的方均根值應(yīng)滿足表2 要求[5]：

表2 公眾曝露控制限值

目前國家授權(quán)的公網(wǎng)通信頻率范圍在30—3 000 MHz之間（目前5G 頻率有大于3 000 M 的授權(quán)，但由于頻率越高，則穿透人體能力就越差，允許的功率密度就越大），因此公網(wǎng)移動通信電磁環(huán)境限值以功率密度≤0.4 W/m2來衡量。

另根據(jù)《輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則-電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》（HJ/T 10.2-1996）規(guī)定的電磁輻射環(huán)境影響評價方法與標準，對單個項目的影響必須限制在公眾照射導(dǎo)出限值的若干分之一[6]。在評價時，對于由國家環(huán)境保護局負責審批的大型項目可取功率密度限值的1/2；其他項目則取功率密度限制值的1/5 作為評價標準，即移動通訊基站的功率密度限值應(yīng)是0.08 W/m2。

部分室分場景由于電磁環(huán)境相對純凈，背景電磁噪聲很?。ㄈ绲叵峦＼噲觯?，可認為電磁污染主要由公網(wǎng)信號貢獻，電磁環(huán)境限值可以用《電磁輻射防護規(guī)定》（GB8702）規(guī)定的標準進行衡量，即功率密度≤0.4 W/m2。對于室外比較復(fù)雜的場景，出于安全起見，建議采用《輻射環(huán)境保護管理導(dǎo)則-電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》（HJ/T 10.2）規(guī)定的若干分之一方式進行衡量[7]，即功率密度≤0.08 W/m2。

2.2 宏分布輻射安全距離計算方法

根據(jù)《通信基站電磁輻射管理技術(shù)要求》（YD/T 3026）“6.2 環(huán)境影響預(yù)測”規(guī)定的在遠場軸向功率密度（Pd）計算公式[8]：

式中：P：天線輻射功率（W）；G：天線增益（倍數(shù)）；f(θ）：天線垂直方向函數(shù)，是對G 值的修正。根據(jù)天線增益圖，當天線主瓣與監(jiān)測點的俯角θ＜20°時，f(θ)=1；20° ＜θ＜70°時，f(θ)=0.5，θ＞70°時，f(θ)=0.2。

可得出宏分布發(fā)射點輻射安全距離計算公式如下：

以上公式中，P為宏分布發(fā)射點功率，可以根據(jù)擬定覆蓋的范圍通過電磁傳播模型反算得出，G 可以直接取選定天線給定的技術(shù)參數(shù)，θ 根據(jù)需要評定的覆蓋區(qū)域進行設(shè)定，Pd為集合{0.4 W/m2，0.08 W/m2}，可根據(jù)基站對電磁環(huán)境污染的貢獻權(quán)重進行選擇，由此可以通過比較參考點（如人流駐留點）與安全距離的關(guān)系，判定宏分布方案是否可行。

3 三類典型場景“宏分布”覆蓋方案

基于以上思路，可以根據(jù)每個室分場景特點定制“一站一策”方案，具體可按如下步驟實施：

（1）根據(jù)場景特點，試選宏分布發(fā)射點位，利用Okumura-Hata 模型或ITU-RP.1238 傳播模型[9]，根據(jù)宏分布覆蓋區(qū)域最遠終端對場強的要求（或運營商對覆蓋區(qū)域的邊緣場強指標），推算出宏分布發(fā)射點位的功率要求；

（2）根據(jù)天線發(fā)射功率，綜合考慮電磁輻射影響因素[10]，推算出最近參考點（如人流駐留點）是否滿足電磁輻射安全要求，滿足則確認該點位，不滿足則另選點位或調(diào)整功率設(shè)置，直至滿足文獻[11]。

如此反復(fù)測算，得出輻射水平居中、發(fā)射點位最少的方案，從而實現(xiàn)分布系統(tǒng)規(guī)模盡可能的小，信源功率得到最大化利用，下面以室分常見的三個場景舉例說明。

3.1 住宅小區(qū)平層

目前城市住宅小區(qū)樓高均比較高，且基本為建筑群分布，無法通過宏站完全覆蓋，一般需要通過室內(nèi)分布系統(tǒng)補充覆蓋[12]。如圖1 所示，傳統(tǒng)住宅小區(qū)平層覆蓋方式為在每棟布置分布系統(tǒng)，以“多點開花”方式進行覆蓋[13-14]。該方式平層信號覆蓋比較均勻，但由于每一棟樓均需要布置信源，不利于功率的集中利用。分析其特點，如圖2 所示，可考慮采用“集中部署”的“宏分布”方式，在小區(qū)中心位置選取合適的樓宇，然后向四周輻射，以最少信源達到同等或相當?shù)母采w效果。

圖1 傳統(tǒng)“多點開花”方式

圖2 低成本“集中部署”方式

以長沙某住宅小區(qū)為例，該小區(qū)共有10 棟樓宇（占地200 m×150 m），平均高度18 層。

采用傳統(tǒng)“多天線、小功率”室分進行設(shè)計，在每棟樓樓頂采用天線對射進行覆蓋，需要設(shè)計10 個信源點位，每個信源點位的覆蓋半徑約為兩側(cè)樓間距，滿足覆蓋要求?，F(xiàn)采用“宏分布”方式進行覆蓋，本次選取其中2 棟樓宇（5棟和7 棟）進行信源點位集中部署，設(shè)計輸入?yún)?shù)如下：

（1）宏分布發(fā)射點位的的覆蓋半徑約為100 m；

（2）宏分布介質(zhì)損耗取典型值26 dB（室外信號至室內(nèi)需要穿越一扇窗取6 dB，另考慮滲透到臥室穿透一面墻取20 dB）[15]；

（3）最近參考點（目標監(jiān)測點）距離取30 m（發(fā)射點距離最近一棟樓的距離，也即最小樓間距）；

（4）傳播模型取ITU-RP.1238 非視距模型[16]：

其中，f：頻率，單位MHz；N：距離損耗系數(shù)，本場景為住宅小區(qū)，取建議書中居民樓的典型參數(shù)28；d：天線覆蓋距離，單位為m；BPL：介質(zhì)穿透損耗，單位為dB；LNFmarg：慢衰落余量，單位為dB，本次測算取3。

（5）本次參考網(wǎng)絡(luò)取FDD LTE2100 M，帶寬取20 MHz，邊緣場強RSRP 取-105 dBm[17]。

則根據(jù)ITU-RP.1238 模型計算結(jié)果如表3 所示:

表3 住宅小區(qū)案例傳播模型參數(shù)輸入及計算結(jié)果

FDD LTE 在2*20 MHz 帶寬情況下，對應(yīng)有1 200個子載波，根據(jù)測算的發(fā)射點RSRP 值進而得出發(fā)射點的信源輸入功率為37.3 dBm。

本例屬于室外開闊場景，電磁環(huán)境相對復(fù)雜，軸向功率密度的取定，選用HJ/T 10.3 最嚴苛的標準，單項目限值系數(shù)取1/5，天線方向性函數(shù)取f() 取1，剛由2.2節(jié)公式(2)計算結(jié)果如表4 所示：

表4 住宅小區(qū)案例輻射安全距離臨界值計算

可得出，距離天線口9.2 m 為輻射安全距離臨界值，小于設(shè)計輸入?yún)?shù)中的最近參考點（目標監(jiān)測點）30 m，滿足電磁輻射限值要求，該站點滿足“宏分布”條件。

該站點采用“宏分布”與傳統(tǒng)室內(nèi)分布相比，信源數(shù)量由10 臺至少至2 臺，信源減少80%，同時分布系統(tǒng)規(guī)模也同步減少，具有比較高的經(jīng)濟效益。但在實施工程應(yīng)用中，由于需要兼顧電梯的覆蓋，實際減少信源規(guī)模約為30%～50%。

3.2 電梯

傳統(tǒng)電梯覆蓋方式一般采取在電井內(nèi)每隔3～4 層布置對數(shù)天線[18]，然后采用分布網(wǎng)絡(luò)進行連接的方式進行覆蓋。該方式施工難度比較大，且器件比較多，檢修不易，有物件老化脫落風險，給電梯安全運行造成隱患[19]。因此可考慮“宏分布”方式進行覆蓋，在電梯井道的最頂端（或最底端）布置一面高功率窄波束天線，或在電梯井道上下各布置一面天線，從而減少天饋線系統(tǒng)的規(guī)模，同時減少安全隱患。

電梯一般處于建筑物的最中央，且有比較厚實的金屬箱體屏蔽，因此基站為電磁環(huán)境污染的主要貢獻者（觀光電梯除外），可以考慮按功率密度限值0.4 W/m2，從而結(jié)合覆蓋邊緣場強需求得出是在頂端（或最底端）布置一面天線，還是上下各布置一面天線。

電梯覆蓋示意圖如圖3 所示：

圖3 電梯覆蓋示意圖

以長沙某住宅小區(qū)為例，該小區(qū)樓宇電梯運行區(qū)間約為100 m（地下兩層，地上30 層），若采用傳統(tǒng)傳統(tǒng)室分進行設(shè)計，每4 層布置一個對數(shù)周期天線，約需要8個對數(shù)周期天線，100 m 饋線，功率分配器件若干。

現(xiàn)分析采用“宏分布”覆蓋的可行性。本次選取在電梯井道頂部天花板上安裝一面窄波束高增益天線，設(shè)計輸入?yún)?shù)如下：

（1）宏分布天線縱向覆蓋距離約為100 m；

（2）宏分布介質(zhì)損耗取典型值30 dB（主要為電梯轎廂損耗，取金屬的典型衰耗值30 dB）；

（3）最近參考點（目標監(jiān)測點）距離取3 m（電梯機房一般比最頂樓住戶高一層，因此天線安裝點距離電梯內(nèi)人群至少有一層樓的高度）；

（4）傳播模型取根據(jù)統(tǒng)計學(xué)修正后的隧道傳播模型[20-21]：

Lnlos=20log(f)+30log(d)-38(dB)+BPL（4）

其中，f：頻率，單位MHz；d：天線覆蓋距離，單位為m；BPL：介質(zhì)穿透損耗，單位為dB；

（5）本次參考網(wǎng)絡(luò)取FDD LTE2100 M，帶寬取20 MHz，邊緣場強RSRP 取-105 dBm。

則根據(jù)隧道傳播模型計算結(jié)果如表5 所示：

表5 電梯案例傳播模型參數(shù)輸入及計算結(jié)果

FDD LTE 在2*20 MHz 帶寬情況下，對應(yīng)有1 200個子載波，根據(jù)測算的發(fā)射點RSRP 值進而得出發(fā)射點的信源輸入功率為33.29 dBm。

本例屬于密閉空間，電磁環(huán)境相對簡單，可認為電磁污染主要由公網(wǎng)信號貢獻，電磁環(huán)境限值可以取0.4 W/m2，另天線方向性函數(shù)取f(θ)取1，剛根據(jù)2.2 節(jié)公式(2)計算結(jié)果如表6 所示：

表6 電梯案例輻射安全距離臨界值計算

本案中，雖然計算的安全距離為2.31 m，與設(shè)計輸入?yún)?shù)中的參考點（目標監(jiān)測點）距離3 m 接近，但這個計算結(jié)果為裸露空間的安全距離，考慮人的活動一般在轎廂內(nèi)（檢修除外），信號輻射至參考點需要穿透電梯轎廂（金屬的典型介質(zhì)損耗為30 dB），輻射劑量將遠遠小于限值，該站點滿足“宏分布”條件。

電梯場景采用“宏分布”與傳統(tǒng)室內(nèi)分布相比，大大減少了室內(nèi)天線、功率分配器件以及饋線的使用，同時也減少了后期器件老化故障發(fā)生幾率。另外，由于沒有了信號分配網(wǎng)絡(luò)帶來的能量損耗，信源能量利用率進一步提高，也能節(jié)約部分信源。

3.3 地下停車場

地下停車場一般為開闊區(qū)域，是比較適用于“宏分布”的區(qū)域。根據(jù)宏分布的設(shè)計原則，信源點位的選取上，可以不局限于弱電井，在靠覆蓋區(qū)域的中心地帶采取掛墻安裝形式，使天線發(fā)射點盡可能的靠近信源。覆蓋形式上，如圖4、圖5 所示，盡可能采取室內(nèi)壁掛甚至室外定向天線等覆蓋形式，減少分布系統(tǒng)的布置規(guī)模。

圖4 定向壁掛天線

圖5 室外大板狀天線

以一個長度為200 m 的規(guī)則地下室為例，采用傳統(tǒng)“多天線、小功率”室分進行設(shè)計，則需要敷設(shè)饋線約200 m，新增套管或安裝弱電橋架若干，施工周期長，造價高?，F(xiàn)采用“宏分布”方式進行覆蓋，本次選取地下室中間某個點位，將信號向兩邊輻射，則設(shè)計輸入?yún)?shù)如下：

（1）宏分布發(fā)射點位的的覆蓋半徑約為100 m；

（2）宏分布介質(zhì)損耗取典型值15 dB（地下室取車窗玻璃損耗6 dB，柱子等遮擋損耗9 dB）；

（3）最近參考點（目標監(jiān)測點）距離取0.5 m（發(fā)射點天線掛高至少2.5 m，人體高度取2 m）；

（4）傳播模型取ITU-RP.1238 非視距模型[5]：

其中，f：頻率，單位MHz；N：距離損耗系數(shù)，根據(jù)模型建議的場景參考值，取22；d：天線覆蓋距離，單位為m；BPL：介質(zhì)穿透損耗，單位為dB；LNFmarg：慢衰落余量，單位為dB，地下室為開放式室內(nèi)場景，本次測算取8。

（5）本次參考網(wǎng)絡(luò)取FDD LTE 2100M，帶寬取20 MHz，邊緣場強RSRP 取-105 dBm。

則根據(jù)ITU-RP.1238 模型計算結(jié)果如表7 所示：

表7 地下停車場案例傳播模型參數(shù)輸入及計算結(jié)果

FDD LTE 在2*20 MHz 帶寬情況下，對應(yīng)有1 200個子載波，根據(jù)測算的發(fā)射點RSRP 值進而得出發(fā)射點的信源輸入功率為26.29d Bm。

考慮地下停車場日常人流量比較少，且駐留時間比較短，一般情況下，基站為電磁環(huán)境污染的主要貢獻者，因此可以根據(jù)情況按功率密度限值0.4 W/m2。若為半開放式地下室，也可以視情況選用HJ/T 10.3 最嚴苛的標準，單項目限值系數(shù)取1/5。本例為全封閉地下室，功率密度限值取0.4 W/m2，天線方向性函數(shù)取f()取1，則根據(jù)2.2節(jié)公式(2)計算結(jié)果如表8 所示。

表8 地下停車場案例輻射安全距離臨界值計算

本例中，距離天線口0.52 m 外為輻射安全距離臨界值，接近設(shè)計輸入?yún)?shù)中的最近參考點（目標監(jiān)測點）0.5 m，因此可以考慮調(diào)整天線的掛高，或調(diào)整設(shè)備安裝點位，降低天線口發(fā)射功率等措施，從而實現(xiàn)“宏分布”覆蓋。

3.4 “宏分布”優(yōu)劣總結(jié)

宏分布不局限于以上典型場景，原則上介于宏蜂窩和“多天線，小功率”傳統(tǒng)室分之間的形態(tài)，均屬于宏分布的范疇，主要特征為通過使發(fā)射點盡可能靠近信源，減小分配網(wǎng)絡(luò)的損耗，使信源功率利用率得以提升。其與傳統(tǒng)室內(nèi)分布的優(yōu)劣對比詳見表9：

表9 “宏分布”與傳統(tǒng)室內(nèi)分布優(yōu)劣對比

4 結(jié)束語

在“互聯(lián)網(wǎng)+”和“網(wǎng)絡(luò)強國”大背景下，各運營商面臨網(wǎng)絡(luò)提質(zhì)改造和提速降費雙重壓力，傳統(tǒng)“小功率、多天線”微分布覆蓋方式能很好滿足網(wǎng)絡(luò)提質(zhì)需求，但高昂的造價又成為了運營商的不可承受之重?！昂攴植肌笨梢院芎玫仄鹾献≌綄?、電梯、地下室等只需做信號到達性覆蓋的場景?！昂攴植肌碧炀€口功率限值是一個比較關(guān)鍵的元素，決定了分布系統(tǒng)的部署規(guī)模，雖然大多數(shù)室內(nèi)場景電磁輻射源和輻射強度可預(yù)見，可以比較精準預(yù)測電磁輻射功率密度，但由于與電磁環(huán)境安全強相關(guān)，建議分布系統(tǒng)建設(shè)完成之后，采用專用儀器對建成后的室分進行電磁輻射進行復(fù)測，以保證電磁環(huán)境絕對安全。