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基塔放和智能天线在3G室外覆盖中的应用 目录第一章 基塔放概述1一、2G基塔放结构原理11、基塔放的命名和分类12、基放的原理和指标23、塔放的原理和指标4二、基塔放在2G中的应用61、 基放在2G网络中的应用62、 塔放在2G网络中的应用8第二章 3G 概述10一、CDMA 概述10二、TD-SCDMA 概述10三、CDMA2000概述11四、3G信号传播模型12第三章 基塔放在3G网络中的应用12第四章 智能天线技术13一、智能天线的产生13二、智能天线的特点131、固定多波束智能天线132、自适应智能天线143、智能天线的关键技术DOA算法144、智能天线的优点15第五章 智能天线在3G中的应用15第六章 基塔放、智能天线组合应用分析15第七章 基塔放、智能天线广泛应用下,室外覆盖工程分析15第一章 基塔放概述一、2G基塔放结构原理1、基塔放的命名和分类基塔放是基站功率放大器和塔顶功率放大器的合称。按其安装位置,安装在施主天线侧的叫塔顶功率放大器,安装在重发天线侧的叫基站放大器。如图1-1所示。两者通常配套使用。因其安装位置不同,其所起的作用也不同。基站功率放大器(后面简称基放)是一种全双工超线性选频放大设备。塔顶功率放大器(后面简称塔放)也是超线性选频放大设备,按工作模式分单工塔放和双工塔放,按放大信号的方向分单向塔放和双向塔放。单向塔放是只放大上行链路的的信号,对下行信号不予放大。双向塔放是双工塔放,同时放大上行链路和下行链路的信号。通常有这么几种类型的塔顶放大器:单工塔放、双工单向塔放、双工双向塔放。按所应用的网络分为GSM塔放、CDMA塔放、GSM/CDMA塔放(合用一个机柜)。图1-1:2、基放的原理和指标从图1-1可以知道基放是用在重发天线之前,对下行链路信号进行功率放大的一种双工超线性放大器。其原理框图如下:由BTS来的下行信号,直接送入功率放大单元,在功率放大单元内部经可调衰减器衰减,调整输入信号大小,送入功率放大模块放大后输出,经双工器滤波后,送给基站天线。如果基站功率放大器工作在双工状态,则从基站天线接收的上行信号,经过双工器滤波后,直接送给基站。在功率放大单元内部输入、输出都有射频同轴开关,受控制单元控制,作为功率放大模块出现故障、或停电时,旁路信号用,以保证基站正常工作。功率放大模块采用Motorola的LDMOS大功率管放大,输出端采用隔离器隔离。控制单元总共可以控制4路功率放大单元、12路塔顶放大器单元,采用高亮度的液晶显示屏,提供友好的人机界面。控制单元可以提供无线Modem,实现远程监控;也可以通过告警电平信号,接入基站监控接口。GSM基放的指标如下:序号项目指标1工作频段联通:954-960MHz,移动:935-954MHz2最大输出功率/载波100W、150W、200W三个等级,具体参见型号列表3载波数100W、150W:1-2个,200W:1个,具体参见型号列表4功耗最大400W/载波5增益下行,112dB ;上行,通路损耗 0.5dB6增益调节范围7.5dB,步进0.5dB7自动电平控制范围3 dB8旁路损耗单双工:1.5dB,双双工2dB9最大输入功率30W10杂散辐射36dBm9kHz-1GHz/100KHz30dBm1GHz-12.75GHz/1MHz98dBm825MHz-835MHz/100KHz47dBm870MHz-880MHz/100KHz47dBm1800MHz-1920MHz/100KHz47dBm3.4GHz-3.52GHz/100KHz98dBm885MHz-915MHz/100KHz11发射射频载波功率包络符合GSM05.05技术规范(遵循YD/T 883-1999标准要求)12输出调制频谱符合GSM05.05技术规范(遵循YD/T 883-1999标准要求)13瞬态切换频谱符合GSM05.05技术规范(遵循YD/T 883-1999标准要求)14RMS相位误差2015互调衰减 70dBc,当在设备输出端有低于发送信号30dB的干扰信号存在时16频率误差0.01ppm17传输时延100ns18带内波动0.5dB19端口阻抗5020驻波比1.321MTBF50000h22隔离度90dB,双工方式时,设备本身TX/RX的隔离度23供电方式交流220V:170VAC260VAC,或直流DC-48V:-36VDC-62VDC24工作温度范围-15+5025外形尺寸(mm)6006501200 (宽厚高)26整机重量27主要功能 故障/掉电旁路、温控冷却、功放保护、功率指示、电源指示、告警指示等监控协议,满足中国联通基站放大器协议标准监控软件,可远程升级,远程传输介质是短消息的情况除外3、塔放的原理和指标从图3-1可知,塔放是放置在施主天线之后对施主天线接收的上行信号进行放大的放大器。从本质上讲,它是一种低噪声放大器,对微弱信号进行第一级放大,满足后续放大器对输入信号信噪比的要求。不同类型放大器的原理图如下:双工单向塔放原理图:单工塔放原理图:滤波器继电器继电器LNA取电电路78L05ANTBTS低噪放板双工双向塔放原理图: 以双工双向塔放为例说明塔放原理:从基站来的下行信号,经双工器2后,送到大功率输入旁路开关,然后经输入功率衰减器处理后,送给下行功放,从下行功放输出的信号,经输出旁路开关,直接送给双工器1输出给天线。在设备出现故障或断电时,输入、输出旁路开关将下行信号旁路。输入旁路开关自带隔离器,可以防止双向塔放对基站的干扰。从天线来的上行信号经双功器1后,经过上行低噪放后输出给双工器2,送给基站。上行低噪放带有旁路功能。功放模块由旁路单元和功率放大单元组成。控制单元检测下行输入功率、功放输出功率、功放反射功率、功放工作电压、功放工作电流,功放工作温度等参量,并控制上行、下行增益,监测风扇是否正常。控制单元提供无线Modem,实现远程监控控制单元,采用高亮度的液晶显示屏,键盘操作,提供友好的本地人机界面。塔放的信号旁路功能,当本机掉电或出现故障时可以为信号提供自动导通回路,以保证通信的畅通。也可以手动切换到旁路状态,具体方法是关掉塔放的供电电源。基放也对此也采取保护功能,当塔放供电电流小于60mA或者大于160mA的时候,基放自动停止对塔放的供电,塔放进入旁路通信状态。塔放主要部件指标:1、功率放大器技术指标a工作频段:CDMA,870-880MHz;GSM,930-960MHzb增益:CDMA,161dB;GSM,171dBc最大输出功率:45dBmd端口阻抗:50e端口驻波:1.3f电源:28V/8A max2、上行低噪放技术指标a工作频段:SXTFLAND-C,825-835MHz;SXTFLNAD-G,885-915MHzb最大输出功率:-10dBmcIMD3: -60dBc,-10dBm输出时d通路、旁路损耗: 0.4e端口阻抗:50f端口驻波:1.3g增益调节范围:5dB,步近1dBf噪声系数: NF(system) 3 dB无塔放时系统噪声系数:NF(system) = Loss + NF(receiver) = 3 dB + 5 dB = 8 dB系统噪声系数改善 = 8 dB -3 dB = 5 dB由此可见,系统噪声系数改善了5 dB。(2)组网的优势从上面的分析中我们可以看出,加装塔放的基站,其覆盖区域内的手机发射功率降低,因此网络干扰也将减少。我们知道网络干扰的减少意味着可以采用更高频率复用率方案对(GSM系统),提高系统容量。从另一方面说,加装塔放后,基站有效覆盖面积增加,因此覆盖一定区域的基站数量可以减少。在一个没加装塔放的基站中,要求天线输出功率为-104dbm,加装塔放后,要求天线输出的功率为-109dBm。网络性能改善了5dB。上行链路决定覆盖范围,而上行链路覆盖范围受噪声限制。无线覆盖范围最基本的形式是:PtGtGrc Rn(n表示次幂)Smin Pt:发射功率 Gt:发射天线增益 Gr:接受天线增益c:常数集合 Rn(n表示次幂):范围函数则:或 令: 则:保守估计: n4,而使用塔放后,对接收天线输出信号功率有5db下降,5db0.31,则: 也就是说,使用塔放后,基站覆盖范围增加了33。(3)性能价格比的优势在上面分析中,我们提到:在一个没加装塔放的基站中,要求天线输出功率为-104dbm,加装塔放后,要求天线输出的功率为-109dBm。网络性能改善了5dB。我们可以考虑,一个普通基站若灵敏度希望从-104dBm提高到-109dBm,将需要增加多少费用。进而可以设想,在有馈线和分、合路部件损耗的条件下,靠提高基站接收机灵敏度来提高系统灵敏度是事倍功半,有时是不可能的。而加装塔放很容易做到这一点。第二章 3G 概述一、CDMA 概述全称宽带码分多址接入。WCDMA主要起源于欧洲和日本,其标准化组织为1998年12月成立的3GPP(第三代伙伴项目)。WCDMA标准可由GPRS(2.5代)平稳演进。目前在全球已发放的125张3G牌照中,有117张是WCDMA牌照。在我国,中国移动是最有可能采用该技术的电信营运商。截至2004年6月份,全球已有24个国家的46个WCDMA网络投入商用。2004年8月,全球用户突破1200万。宽带CDMA进一步拓展了标准的CDMA概念,在一个相对更宽的频带上扩展信号,从而减少由多径和衰减带来的传播问题,具有更大的容量,可以根据不同的需要使用不同的带宽,具有较强的抗衰落能力与抗干扰能力,支持多路同步通话或数据传输,且兼容现有设备。WCDMA的技术参数:信道间隔5MHZ接入方式单载波宽带直接序列扩频CDMA多址接入双工方式FDD码片速率3.84Mcps基站同步方式异步(不需GPS)同步为可选方式帧长10ms调制方式QPSK(前向),BPSK(后向)切换软切换,频间切换,与GSM间的切换话音编码自适应多速率功率控制内环,外环,速率1500hz可变数据速率的支持最高为2.048Mbps业务特性适应于对称业务如话音、交互式实时数据业务二、TD-SCDMA 概述全称时分同步码分多址。TD-SCDMA技术是我国大唐电信集团研发的、获得ITU接纳成为三大主流标准之一的3G标准。TD-SCDMA采用了TDD双工模式,空分多址技术和码分多址接入方式。该标准目前尚未商用,产业化联盟已形成,商用化进程正在加速。该标准由SCDMA技术演进。TD-SCDMA系统的的建设只需在已有的GSM网络上增加TD-SCDMA设备即可。支持独立组网和混合组网。TD-SCDMA在我国获得了155MHZ的频段。TD-SCDMA的技术特色是TDD、智能天线、联合检测和上行同步技术。这些技术的使得TD-SCDMA有如下四大技术优势:1 更高的频谱利用率和频谱灵活性。2 更大的系统容量。3 更低的设备成本。4 特别适合移动数据业务。TD-SCDMA的技术参数:信道间隔1.6MHZ接入方式时分同步CDMA多址接入双工方式TDD码片速率1.28Mcps基站同步方式同步(主从同步,GPS)帧长10ms调制方式QPSK(前向),BPSK(后向)切换软切换,频间切换,与GSM间的切换话音编码自适应多速率功率控制内环,外环可变数据速率的支持最高为2.048Mbps业务特性尤其适应于不对称业务三、CDMA2000概述全称码分多址接入2000。CDMA200源于美国高通公司的IS95-CDMA,其标准化组织是3GPP2。该标准的演进路线是:CDMA1X1XEV-DO1XEV-DV。目前中国联通已在部分地区部署1XEV-DO。在目前已发放的117张3G牌照中,有3张是CDMA2000牌照。有1X过渡到EX-DO或EX-DV,不需要增加基站,只需软件升级和加插双模信道卡及增加部分功能。在中国,中国联通是最有可能采用该标准的运营商。CDMA1XEV-DO的技术特点:前向链路 1将码分多址方式改为了时分多址方式。在1X EV-DO系统的前向链路上,一个时刻只有一个用户在接受服务,不同用户在不同的时刻接受服务。具体给哪个用户提供服务,由相应的调度算法来确定。虽然改为时分多址,但是CDMA中的调制和扩频技术仍然保留,也就保留了CDMA抗多径干扰的特性。2前向链路上由于每个时刻只有一个用户在接受服务,基站使用全部发射功率给该用户服务,1X EV-DO系统中的前向链路上不再采用功率控制,取而代之的是速率控制,以动态调整用户的数据速率。3前向链路的业务信道,没有采用软切换技术,而是采用快速小区交换。这是由于软切换要占用更多的系统资源。快速小区交换实质上是一种类似于硬切换的技术。但是在前向链路的控制信道上,仍然采用软切换技术。反向链路对于反向链路上的数据传输,本质上和CDMA2000 1X反向链路没有太大差别。依然是码分多址方式,仍然采用软切换以及快速功率控制。CDMA2000的技术参数信道间隔1.25MHZ接入方式单载波直接序列扩频CDMA多址接入双工方式FDD码片速率1.2288Mcps基站同步方式同步(需GPS)帧长20ms调制方式QPSK(前向),BPSK(后向)切换软切换,频间切换,与IS-95B间的切换话音编码可变速率功率控制开环,闭环,速率800Hz可变数据速率的支持1X最高307Kbps,1XEV可支持2.4Mbps业务特性适合于对称业务,如话音、交换式实时数据业务四、3G信号传播模型第三章 基塔放在3G网络中的应用一、 3G基塔放的特点由于3G系统在频率、带宽、双工模式上等方面与2G系统存在区别,因此3G基塔放在结构与原理上2G基塔放有不同之处。1、TD-SCDMA基塔放的特点 TD-SCDMA采用时分双工模式,收发采用相同的频率。它的这种特点表现在基塔放上就是基塔放不需要双工器来对上下行信号进行隔离,因此TD-SCDMA基塔放只能采用单工的方式,单独对上下行信号进行放大。 TD-SCDMA采用时分双工,收发同频,易于对其它3G系统噪声干扰,因为它的每个频率既可是上行也可是下行频率,这样会对别的3G系统无论是上行还是下行都会有干扰,不同于FDD系统上行只干扰下行。它的这种特点表现在基塔放上就是TDSCDMA基塔放杂散辐射和带外抑制指标要求很高,以免对WCDMA或CDMA2000系统造成很强的干扰。 TD-SCDMA的时分双工技术对同步要求很高,它在一对不同的时隙上传输上下行信号,移动台在相应的时隙上接收信号。任何设备的加入对不可避免地对信号传输产生时延,影响基站与移动台之间的同步,因此TD-SCDMA基塔放要有更低的时延。2、WCDMA、CDMA2000基塔放的特点 WCDMA和CDMA2000在技术有很多相似之处,比如说同为频分双工模式,同为直扩码分多址接入,现在基塔放上也有很多相似之处,因此可以一起来讨论。 在结构上,WCDMA/CDMA2000基塔放与2G基塔放没有多大区别,都具有单工和双工模式,都有上行低噪放和下行功放模块。只是在滤波里带宽上WCDMA是3.84MHz,CDMA2000是1.23MHz。 在指标上,WCDMA基站无需同步(同步为可选方式),而CDMA2000基站需同步,因此在时延上CDMA2000要求更严格。二、 基塔放在3G网络中的应用基塔放在2G中的可行性已得到了验证,它的主要功能是补偿馈线损耗和降低移动台的发射功率,从而改善上行覆盖。在未来的3G网络中,由于3G的频段更高,百米长度的馈线损耗比2G要大(3db左右),所以馈线的补偿更加明显,另一方面,移动台发射功率的降低将减少上行干扰,所以相应地也能提高上行容量。在3G网络建设初期,主要是考虑覆盖范围,后期网络优化考虑容量。基塔放在2G中已经被证明在减少基站数量方面有贡献,从而降低了投资成本,因此在网络建设初期,基塔放的应用是可行的的。3G技术以提供高速率的多媒体数据业务为其主要特征,多媒体数据业务在未来3G应用中将占重要比例。根据香农公式CBlog(1S/N),数据数率越高,其要求的信噪比越高,灵敏度越高,覆盖范围越小,所以在以数据业务为主的3G网络中,为提高覆盖范围,需使用基塔放。下面将分别讨论3G基塔放在不同网络中的应用。1、 WCDMA基塔放在WCDMA 网络中的应用 第四章 智能天线技术一、智能天线的产生智能天线技术是TD-SCDMA的关键技术,也是现在天线技术的发展趋势。可以这样说,智能天线是为了满足人们日益增长的通信容量需求,抗多径衰落,解决频谱资源紧张的问题而提出来的。蜂窝移动通信能够使处于不同小区中的用户复用同一组频率,大大提高了频谱利用率和提高了系统容量,被称为蜂窝革命。CDMA上下行采用一对不同的频率,所有用户共用频率,依靠所使用码字的正交性来区分不同的用户,在容量上比GSM有了提高。TD-SCDMA除了码分多址接入外,还使用了空分多址,而智能天线正是空分多址的具体实现,使有限的频谱支持更多的用户,从而更进一步提高了容量和减少了对日益紧张的频谱资源的依赖。智能天线在蜂窝移动通信中的优势和可行性得到了初步论证。其基本思想是通过天线阵提取移动用户的空间方向信息,利用用户位置的不同,采用空域滤波来减少同信道干扰(Co-channel Interference, CCD),最终实现在同一信道(频段/时隙/码道)中发送和接收多个用户的信号而不发生相互干扰。智能天线技术使通信资源不再局限于频率,是通信史上的又一个创新。 智能天线根据天线方向图形成的方式分为两种:固定多波束天线和自适应天线。它们的区别在于固定多波束天线的波束是固定的,用户根据情况选择最佳波束。而自适应天线则根据给定的准则,自动调整波束,使主瓣对准来波方向,零陷对准干扰方向,得到最佳的输出信号。二、智能天线的特点1、固定多波束智能天线固定多波束智能天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图,通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号,它从几个预定义的、固定波束中选择其一,检测信号强度,当移动台越过扇区时,从一个波束切换到另一个波束。在特定的方向上提高灵敏度,从而提高通信容量和序量。为保证固定多波束智能天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的信号而不发生串话,要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同用户,特别地,在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。每个波束的方向是固定的,并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用户,基站选择不同的对应波束,使接收的信号强度最大。但用户信号未必在固定波束中心,当用户信号在波束边缘、干扰信号在波束的中央时,接收效果最差。因此,与自适应型智能天线比较,它不能实现最佳的信号接收。由于扇形失真,固定多波束智能天线增益在方位角上不均匀分布,但它具有结构简单、不需要判断用户信号方向(DOA),实现的造价比较低等优势。现在工程上多采用固定多波束智能天线的方式。固定多波束智能天线示意图:2、自适应智能天线自适应型智能天线是由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系统,它用反馈控制方法自动调整天线阵的方向图,使它在干扰方向形成零陷,将千扰信号抵消,而且可以使有用信号得到加强,从而达到抗干扰的目的。自适应型智能天线前端通常采用4-16天线阵元结构,相邻阵元间距一般取为接收信号中心频率波长的1/2。阵元间距过大,降低接收信号相关度;阵元间距过小,将在方向图引起不必要的波瓣,因此,阵元半波长间距通常是优选的。自适应型智能天线后端利用数字信号处理技术,根据某种准则,产生空间定向波束,使天线主波束对准期望用户信号到达方向,对干扰信号到达方向形成零陷,实现期望信号的最佳接收。采用M个阵元的智能天线,理论上,天线阵的价值是能产生M倍的天线放大,可带来l01gM的SNR改善。对相同的通信质量要求,移动台的发射功率可以减小10lgM。这不但表明可以延长移动台电池寿命或可以采用体积更小的电池,也意味着基站可以和信号微弱的用户建立正常的通信链路。对基站发射而言,总功率被分配到M个阵元,又由于采用DBF(Digital Beam Forming)可以使所需总功率下降,因此,每个阵元通道的发射功率大大降低,进而可使用低功率器件。自适应型智能天线通过牺牲阵列天线的处理复杂度,获得了比固定多波束智能天线更好的系统性能。自适应型智能天线虽然从理论上讲可以达到最优,但相对而言各种算法均存在所需数据量大、计算量大、信道模型简单、收敛速度较慢,在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点,实际信道条件下当干扰较多、多径严重,特别是信道快速时变时,很难对某一用户进行实时跟踪。但是,从长远的观点和理论角度来看,自适应型智能天线能够实现系统的最佳性能,是未来无线通信的理想目标。寻找快速、有效的自适应波束形成算法和开发高速数字信号处理器是自适应型智能天线走向实用化的关键。 3、智能天线的关键技术DOA算法 智能天线是一门综合性很强的技术。它涉及到天线技术、无线电传播技术、信号检测与处理等多学科的背景知识。虽然天线阵列和射频前段在智能天线中是很重要的设备,但智能天线技术最重要的部分在于基带处理部分。其中主要涉及波到达方向(DOA)估计、多用户信号辨识和自适应波束形成等技术,属于移动通信中的高技术领域,其核心问题属于信号处理的范畴。 智能天线可以应用于上行和下行链路,都可以利用固定多波束天线或者自适应天线。对于下行链路而言,因为需要指向选定用户,故而需要上行链路的DOA信息。对于时延较小的TDD系统而言,由于上行和下行链路都使用相同的频带,其DOA信息可以直接从上行链路算法中获取,也可以直接使用D

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