三  维 蜂 窝 通 信 网

  解决高层建筑蜂窝信号覆盖的革新之道

发明者:    谢   元

高层建筑的蜂窝信号覆盖问题

         当今世界上所有的蜂窝通信网实质上都是二维空间覆盖通信网。其基站天线下俯使其天线射束向下发射，从而覆盖地面并避免频率干扰。图一展示一典型蜂窝通信网在三维空间的覆盖形状，它看起来象是很多巨大的扁平圆顶建筑一个接一个地躺在地面上，只有地面及其基站天线以下的部分空间在该蜂窝通信网的覆盖范围内，但是地面上更多的空间则在其覆盖范围之外。城市中的大多数高层建筑都耸立在现有蜂窝通信网的覆盖范围之外，这导致了蜂窝通信网在城市中高层建筑的高层部分严重的信号覆盖问题。这是蜂窝通信网基础结构的一个缺陷，但不广为人知。由于在他们工作或生活的高层建筑中只有很差的蜂窝信号或者干脆没有蜂窝信号，世界范围内有数千万的人们因此得不到满意的蜂窝通信服务。

图一：现有蜂窝通信网覆盖形状的三维空间示意图

三维蜂窝通信网解决方法

         我们对高层建筑蜂窝信号覆盖问题的解决办法是三维蜂窝通信网。它建立在现有的蜂窝通信网基础上，并将城市中现有的蜂窝改造成三维蜂窝 (3D cells)。三维蜂窝具有三维空间的覆盖范围，它覆盖其蜂窝内地面及地面上的空间。其覆盖形状是柱形的，且其覆盖高度比传统的宏蜂窝要高得多。图二展示三维蜂窝通信网在三维空间的覆盖形状，它看起来象是很多巨大的柱体一个接一个立在地面上。三维蜂窝通信网同时覆盖地面及地面上所有的建筑，无论是低层建筑还是高层建筑。它解决了高层建筑的蜂窝信号覆盖问题。三维蜂窝通信网解决方案可以使现有蜂窝通信网在高层建筑高层中的蜂窝信号增强10到100倍 (10dB 至 20dB 增益)，它是现有蜂窝通信网在空间覆盖基础结构性缺陷的一个革命性的补救。如何实现三维蜂窝通信网并且避免频率干扰的发明已经在世界范围内申请专利保护。该发明已经在中国、欧洲、加拿大、印度、香港、新加坡和南非获得专利授权。

图二：三维蜂窝通信网覆盖形状的三维空间示意图

三维蜂窝通信网的特点

        三维蜂窝通信网共享现有蜂窝通信网的基础设施并采用宏蜂窝覆盖策略。基础设施的共享使其设备投资和网络建设时间降到最低；宏蜂窝覆盖策略使其覆盖最经济有效。它将现有蜂窝通信网在绝大多数高层建筑高层中的蜂窝信号提高10到100倍 (10dB 至20dB 增益) ，并达到可进行优质蜂窝通信的信号水平 (平均约为 -85dBms )。一个三维蜂窝就可以覆盖其蜂窝内多至数十栋的高层建筑，而其设备投资可不足一万美元，其建立时间可在数周内完成。一个三维蜂窝通信网仅需数十万美元的设备投资和不足一年的建设时间，就可以有效地覆盖一个城市中数百栋甚至数千栋高层建筑。这是传统的蜂窝信号室内覆盖解决方案所不可想象的。

         三维蜂窝通信网共享现有蜂窝通信网的频率。该解决方案不要求有新的频率。频率资源紧张的蜂窝通信营运商不用就此担心。更重要的一点是，该解决方案不对现有的蜂窝通信网造成频率干扰。

         三维蜂窝通信网解决方案适用于任何类型的蜂窝通信技术和任何蜂窝通信频带。无论你的蜂窝通信网采用的是TDMA技术，还是GSM、CDMA、3G、WiMAX等技术，或者无论它是移动蜂窝通信网还是固定接入蜂窝通信网，三维蜂窝都可以用于其中覆盖高层建筑。多频带三维蜂窝通信网则可以缓解高层建筑覆盖带来的覆盖空间、用户和通话时间增长所造成的容量压力。  

        三维蜂窝覆盖丘陵和山脉。蜂窝通信营运商可以利用三维蜂窝使其现有的蜂窝通信网覆盖丘陵和山脉，极大地降低其蜂窝网的基础设施投资。有了三维蜂窝，在丘陵地区和山区，基站可以建在通常有电力和通信电缆供应的山谷，而无须建在通常没有电力和通信电缆供应的山顶上，蜂窝通信营运商将因此节省大量的基础设施投资，同时也使得基站站址的选择更加灵活。

         三维蜂窝覆盖天空。蜂窝通信营运商将来可以利用三维蜂窝使其蜂窝通信网覆盖飞机航线。

三维蜂窝通信网的优点

         高层建筑，或者说城市上空，是现有蜂窝通信网应该覆盖但未能覆盖的最大蜂窝信号 "盲区"  。三维蜂窝通信网为蜂窝信号在城市上空的覆盖提供一个革新且满意的解决方案。蜂窝通信营运商和用户双方均能受惠于该解决方案。 

增强覆盖并提高服务质量：

         如今越来越多的蜂窝通信在室内而不是室外发生，用户对蜂窝信号在室内覆盖的要求不断增加。城市上空的用户常常发现他们所在的高层建筑室内要么干脆没有蜂窝信号要么蜂窝信号差到难以维持蜂窝通信 (掉线)。应用三维蜂窝通信网解决方案后，那里的蜂窝信号将显著增强，高层建筑高层中的用户可以接收到比以前好得多的蜂窝信号，其通话清晰度提高，数据通信速率提高，通话时间延长。蜂窝通信营运商则乐见新添用户和话务量增长。这使得用户满意度增加和营运商收入增长，二者皆大欢喜。

 节省投资： 

         三维蜂窝通信网是蜂窝信号室内覆盖的一个宏蜂窝 "无线" 解决方案，它对高层建筑的覆盖极为有效。进一步，它对现有蜂窝通信网基础设施的共享避免了昂贵的基础设施投资和对通信频率资源的需求。这两点使得三维蜂窝通信网解决方案极为经济。例如，以区区数千美元的设备投资就可以让一个三维蜂窝实现对其蜂窝内多至数十栋高层建筑的覆盖。这是传统的蜂窝信号室内覆盖解决方案所不可比拟的。后者常需要花费数千万美元的资金才能取得对这些高层建筑同样水准的蜂窝信号室内覆盖。 在丘陵地区和山区，三维蜂窝通信网可以为蜂窝通信营运商节省大量的基础设施投资。

 节省时间： 

         三维蜂窝通信网建立在现有的蜂窝通信网基础上。其建立仅牵扯到蜂窝基站的改造，与高层建筑本身无关，因此非常节省时间。例如，一个三维蜂窝的建立可在数天内完成，而它可以覆盖其蜂窝内数十栋高层建筑。一个三维蜂窝通信网的建立则可以在数月内完成，而它可以覆盖一个城市中的数百栋甚至数千栋高层建筑。这是传统的蜂窝信号室内覆盖解决方案所不可比拟的。后者完成对单个高层建筑的蜂窝信号室内覆盖就常常需要花数个月的时间。可以想象传统的解决方案需要花多长的时间来完成对一个城市中的数百栋甚至数千栋高层建筑的蜂窝信号室内覆盖。

 增强竟争力：

         蜂窝信号覆盖质量是影响用户选择蜂窝通信网的一个关键因素。三维蜂窝通信网独特的高层建筑覆盖特点是其营运商赢得市场竟争的利器。对象香港和纽约那里高层建筑占城市建筑多数的都市来说，没有蜂窝信号对高层建筑的覆盖对蜂窝通信营运商来说可能是致命的。

与分布式天线系统 (DAS ) 室内覆盖方案的比较

         传统的蜂窝信号室内解决方案是分布式天线系统 (DAS)。它将来自一基站或中继站的蜂窝信号通过射频电缆 / 光纤网络分配到一建筑物内众多的室内天线，并从这些室内天线将蜂窝信号发射出去。其射频电缆 / 光纤网络从该建筑物的一个角落到另一角落、一层到另一层遍布整个建筑。它实质上是无线信号室内覆盖的一个 "有线" 解决方式。它已经被用来解决蜂窝信号在购物中心、机场、地铁及办公楼包括高层建筑等的室内覆盖。

         分布式天线系统的 "有线" 方式使得其效率很低。蜂窝信号在通过其射频电缆 / 光纤网络的分派过程中损耗了几乎全部的能量。绝大多数建筑在其建设时并没有预先铺设这样的射频电缆 / 光纤网络。当需要这样的射频电缆 / 光纤网络时，必须针对某个建筑重新计划、设计并安装它，这牵扯到该建筑结构的数据收集、现场测量、系统设计和安装等巨大的工作量。没有建筑物业主对该射频电缆 / 光纤网络在其建筑物内的许可，一切更无从谈起。该系统相关的系统设备费用、设计费、安装费、机房租赁费及维护费合起立非常昂贵。仅对单个建筑的室内覆盖，该系统从开始到结束整个过程就可能耗时数月之久。可以想象如果采用该系统方案，需要花多长的时间来完成对一个城市中的数百栋甚至数千栋高层建筑的蜂窝信号室内覆盖。另外，分布式天线系统对频带敏感，当蜂窝通信网加入新的蜂窝频带时 (例如3G)，必须对该系统进行升级才能使其在新的频带上正常工作。以上这些因素，决定了分布式天线系统的蜂窝信号室内覆盖解决方案效率很低、很复杂、很昂贵并且很耗时。例如，就一栋三十层高办公楼的室内覆盖来说，该方案常常要花费蜂窝通信营运商数十万美金的投资和数月的时间来完成。而该系统覆盖范围内有限的用户和话务量使得其营运商发现对该系统的投资难以得到合理的回报。分布式天线系统不是蜂窝信号室内覆盖的一个现实的解决方案。这也解释了为什么多年来全世界的蜂窝通信营运商很少采用该系统来覆盖高层建筑，听任高层建筑没有蜂窝信号覆盖。

         三维蜂窝通信网是高层建筑覆盖的革命。其三维蜂窝的三维空间宏蜂窝无线覆盖方式极为有效。其实施仅牵扯到现有蜂窝基站的改造，与高层建筑本身无关。这些因素决定了它效率很高、很简单、很容易、很经济，并且很节省时间。与分布式天线系统相比，它具有不可比拟的优越性。只需要花分布式天线系统投资和时间的很少一部分，三维蜂窝就可以实现相似水准的高层建筑室内覆盖。三维蜂窝是高层建筑覆盖的实际解决之道。就让三维蜂窝通信网照亮我们 "蜂窝信号漆黑的" 城市上空吧！

         表1列出了这两种方案之间广泛的比较，如成本、覆盖、容量、干扰、实施和维护等。 三维蜂窝在成本、实施和维护方面明显胜出。根据不同的蜂窝信号施主，表1列出了两种类型的分布式天线系统，即中继站分布式天线系统和基站分布式天线系统。中继站分布式天线系统共享其宏蜂窝容量且相对便宜。基站分布式天线系统有自身的容量服务于其室内覆盖区域，但它非常昂贵。三维蜂窝不能覆盖地下，因而当地下室内需要蜂窝信号覆盖时，可采用分布式天线系统解决方案。