毕业设计（论文）-基于GSM网络的室内覆盖研究.doc

目录摘要IIIAbstractV第一章 绪 论11.1 课题的背景与意义11.2 GSM与室内分布系统现状分析21.2.1 GSM系统概述21.2.2 室内分布系统现状21.3 本文的主要工作4第二章 室内分布系统概述52.1 概念52.2 IDS的类型及其特点52.2.1 信号源的分类和特点52.2.2 分布系统的分类和特点62.3 IDS系统结构82.4 本章小结12第三章 室内分布系统方案设计133.1 微蜂窝与直放站比较133.1.1 系统工作原理133.1.2 微蜂窝与直放站133.2 直放站在IDS中的应用143.2.1 直放站简介143.2.2 直放站工作原理153.2.3 直放站在蜂窝移动通信网中的应用163.2.4 直放站站址定位问题183.2.5 典型直放站介绍203.3 室内分布系统方案设计203.3.1 室内分布系统建设方案设计203.3.2 实际室内覆盖传输方案设计233.3.3 室内分布系统方案设计253.4 工程勘测设计303.4.1 工程设计步骤303.4.2 典型场所室内分布系统的建设思路323.5 系统场强分析与计算333.6 IDS的一些技术参数353.6.1 室内分布系统的参数调整353.6.2 系统元器件技术参数36第四章 室内分布系统的规划与优化434.1 室内分布的规划和优化434.1.1 室内分布规划原则434.1.2 室内分布规划流程434.1.3 室内分布系统测试要求和验收444.2 室内分布的优化454.2.1 几种通过参数调整来对室内站进行优化的方法454.2.2 蜂窝室内分布系统基站参数的设置464.2.3 实例分析464.3 本章小结47第五章 总结与展望49致谢51参考文献52附录53基于GSM网络的室内覆盖研究摘要随着社会的发展，城市中移动通信用户的飞速增加以及高层建筑越来越多，话务密度和覆盖要求也不断上升。由于现代城市建筑都是框架结构，而且规模大，对移动通信信号有很强的屏蔽作用。在大型建筑物的底层、地下商场、地下停车场等环境，移动通信信号弱，形成了移动通信的盲区；在中间楼层，由于来自周围不同基站信号的重叠，产生乒乓效应，手机频繁切换，甚至掉话，严重影响了手机使用；在建筑物的高层，由于受基站天线的高度限制，无法正常覆盖，也是移动通信的盲区；在有些建筑物内，虽然手机能够正常通话，但是用户密度大，基站信道拥挤，手机通上网困难。可见，室内覆盖已成为急待解决的问题之一。本文从GSM网络的室内分布系统概述及产生背景，存在的问题和典型的解决方案入手，介绍了室内分布系统建设的必要性、系统的类型及特点；通过对微蜂窝和直放站两种覆盖方式的比较分析，设计了一套室内分布系统建设方案和传输方案。关键词:移动通信，室内覆盖，蜂窝，网络质量，系统容量Research for indoor coverage based on GSM networkAbstractWith the social development of cities, mobile communications users in the rapid increase and more and more high-rise buildings, traffic density and coverage requirements are also rising。 As modern cities are building the framework of the structure, but also a large scale, the mobile communication signal a strong role in shielding。 In the bottom of large buildings, underground shopping malls, underground parking and other environmental, mobile communication signal weak, formed a mobile communication blind spot in the middle floors, as base stations from around the different signals overlap, a ping-pong effect, the phone frequently switch And even Diaohua seriously affected the use of mobile phones in the high-rise buildings, due to the base station antenna height restrictions, coverage can not be normal, but also the blind spot of mobile communications in some buildings, although the normal phone call, but users Density, the base station Channel crowded, mobile-Internet access difficulties。 Clearly, indoor coverage has become a pressing one of the issues。This article from the GSM network of indoor distribution system and outlined the background, the problems and solutions to typical start on the construction of the indoor distribution systems need to type and characteristics of the system through the micro-cellular and two repeater coverage Way of comparison analysis, design a set of indoor distribution and transmission system-building programmes。Keywords: mobile communication, indoor coverage, cellular, network quality, system capacity- 55 -第一章 绪 论1.1 课题的背景与意义随着通信技术的不断发展，移动通信运营商已经建成了比较完整的移动通信网络。但广大用户对通信的服务质量也提出了越来越高的要求。室内覆盖作为移动通信网络覆盖的一个薄弱环节，已经成为急待解决的技术问题之一。根据相关资料统计，部分地区的室内话务量已在总话务量中占有较高的比例。因此加强室内覆盖，对于提高移动通信质量，具有重要的意义。城区移动用户的飞速增加以及高层建筑越来越多，话务密度和覆盖要求也不断上升。这些建筑物规模大、质量好，对移动电话信号有很强的屏蔽作用。在大型建筑物的低层、地下商场、地下停车场等环境下，移动通信信号弱，手机无法正常使用，形成了移动通信的盲区和阴影区；在中间楼层，由于来自周围不同基站信号的重叠，产生乒乓效应，手机频繁切换，甚至掉话，严重影响了手机的正常使用；在建筑物的高层，由于受基站天线的高度限制，无法正常覆盖，也是移动通信的盲区。另外，在有些建筑物内，虽然手机能够正常通话，但是用户密度大，基站信道拥挤，手机上网困难，特别是移动通信的网络覆盖、容量、质量是运营商获取竞争优势的关键因素。网络覆盖、网络容量、网络质量从根本上体现了移动网络的服务水平，是所有移动网络优化工作的主题。室内分布系统就是将宏蜂窝站、微蜂窝或直放站作为信号源，通过耦合器、功分器等无源器件进行分路，经由馈线将信号尽可能地分配到每一副分散安装在建筑物各个区域的低功率天线上，从而实现室内信号的均匀分布，保证室内区域拥有理想的信号覆盖。可以比较全面地解决室内覆盖中存在的各种问题。室内分布系统的主要作用有:1、完善网络覆盖密集市区建筑物的低层、大型建筑物的楼体中心、电梯以及地下场所对信号的屏蔽和吸收非常严重，造成这些地方的信号变得很微弱甚至成为盲区，通过建设室内分布系统，可以改善对这些地方的覆盖。2、改善网络质量在大楼的中层和高层可能会同时存在周围几个基站的信号，有时更远处的基站信号也会通过多径传输进入室内，导致室内信号杂乱，同频、邻频干扰严重。通过建设室内分布系统，可以减少手机在这些地方的掉话和频繁切换，提高通话质量。3、提高网络容量在大型商场、高级宾馆和会展中心等地方，虽然信号覆盖不错，但由于话务量大、信道阻塞严重。这时可以利用微蜂窝甚至宏蜂窝基站作为信号源，结合室内分布系统来满足这些区域的容量要求。因此，改善室内覆盖，既是对室内盲区的改善，也是对室内话务繁忙的改善，同时也是对室内通话质量的改善。由此可见，改善移动通信室内覆盖问题具有多重意义:一方面可以扩大信号覆盖面，减少盲区，增加业务量；另一方面可以提高接通率、切换成功率等网络指标；再者可以提高电信企业形象，提高网络竞争力，为用户提供更好更完美的随时随地的通信服务。1.2 GSM与室内分布系统现状分析1.2.1 GSM系统概述GSM (Global System for Mobile communication)移动通信系统是基于，TDMA的数字蜂窝移动通信系统。GSM是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统。GSM是为了解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的。在GSM之前，欧洲各国在整个欧洲大陆上采用了不同的蜂窝标准，对用户来讲，就不能用一种制式的移动台在整个欧洲进行通信。另外由于模拟网本身的弱点，使得它的容量也受到了限制。为此欧洲电信联盟在1980初期就开始研制一种覆盖全欧洲的移动通信系统，即GSM系统。它联合了欧洲二十多个国家的电信运营部门、研究所和生产厂家组成的标准化委员会，从1982年开始提出，1992年欧洲各大GSM 900运营者开始商业服务，到现在己经在全世界100多个国家和地区投入商用。如今GSM移动通信系统已经遍及全世界，即所谓全球通，目前我国的移动通信网就是主要以GSM系统为基础的移动网络系统。GSM是由若干子系统或功能实体组成。包括移动台(MS)、基站子系统(BSS),网路子系统(NSS)、操作支持系统(OSS)。其中基站子系统在移动台和网路子系统之间提供和管理传输通路，包括MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口管理。NSS管理通信业务，保证MS与相关的公用通信网或其他MS之间建立通信，NSS不直接与MS互通。MS, BSS, NSS组成GSM系统的实体部分。操作支持系统则为运营部门提供一种控制和维护这些运行部分的手段。它是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广的一种。我国于1993开始建立GSM实验网，到目前已建成了覆盖全国的数字蜂窝移动通信网，是我国公众陆地移动通信网的主要方式之一。1.2.2 室内分布系统现状随着GSM网络容量的不断扩大，基站也越来越密集。在大城市，已经实现了室外的无缝覆盖，但是室内覆盖的问题一直都没有得到很好的解决，主要原因是现代化大规模建筑物穿透损耗的影响比较大。无线电波在传播过程中，由于受地形、地物或建筑物的影响，会存在阴影效应、多径干扰等情况，从而造成信号衰落，在其覆盖范围内出现信号弱或无信号的盲区，典型的如电梯、高层建筑物内部、车库和地下通道等。为解决上述室内信号覆盖不理想的问题，目前最有效的解决方法是在建筑物内安装室内分布系统。该系统就是将基站的信号通过有线方式直接引入到室内的每一个区域，再通过小型天线将基站信号发送出去，从而达到消除室内覆盖盲区、抑制干扰的目的，它不仅能够解决宏蜂窝中的覆盖问题，分担宏蜂窝的话务量，为楼内的移动通信用户提供稳定、可靠的室内信号，使用户在室内也能享受高质量的移动通信服务。而且选址灵活、安装维护简单方便，因而得到日益广泛的应用。GSM系统的发展经历了三个阶段:网络建设初期，主要矛盾是覆盖问题；网络建设中期，主要矛盾是容量问题；网络发展后期，质量就成为主要矛盾。GSM系统发展到现在，网络质量己成为运营商之间竞争的关键，只有不断地提高网络质量，才能吸引更多的客户。而改善室内覆盖则可以大大地改善网络质量，提高寻呼成功率，吸收更多的话务量。分析表明，有三种地方是室内覆盖的重点:(1)高层建筑。这些地方由于信号较杂乱，受到的干扰比较严重，因此，虽然手机的信号有时候很强，但不稳定。在10层以上的高层建筑及地势较高的市区，由于孤岛效应和受同频或邻频干扰的影响，会产生乒乓切换(高切换点)及掉话。改善这些地区的覆盖，可以提高接通率，减少掉话率。(2)建筑物内部和阴影处。在地下场所存在信号盲点，特别是因建筑物的屏蔽，楼层、隔墙的阻挡，会使信号有5dBm20dBm，甚至20dBm以上的衰耗，使手机无法上网。(3)话务密集地区，如会场、商场、体育馆等。话务量非常高，在繁华的商业街、露天集体活动场所、批发市场及展览馆内，会出现手机的密集点(热点)等等，常会使其周围基站信道堵塞率上升。在这些地方安装室内覆盖系统可以吸收话务，减少网络的拥塞率，提高接通率。因此城市蜂窝网的建设应由室外向室内、由二维平面向三维立体覆盖的方向转化。而实现这一转化的最佳方案就是采用微蜂窝或直放站以及与之配套的室内分布系统。综上所述，GSM网络在发展后期，主要存在两个问题:1、技术问题:当网络规模、用户数、话务量达到一定程度时(1) 宏蜂窝已无法满足高话务区域需求；(2) 室内结构复杂、存在大量盲区；(3) 市内高楼林立、信号复杂、产生乒乓效应；(4) 来自楼内、室内的话务量持续增加；(5) 分担宏蜂窝话务量，减轻网络压力；2、商业问题:当移动运营商之间竞争达到一定程度时(1)移动信号要求无缝覆盖；(2)话费收入是运营商最主要的收入来源；(3)要求尽可能高的通信质量(包括接通率、掉话率、话音质量)；(4)低成本的投入，完善和优化室内信号的覆盖；室内覆盖系统正是在这种背景之下产生的。1.3 本文的主要工作建设室内分布系统对于提高服务水平和质量，提高运营商的形象和增加通话收入具有越来越重要的意义。因此，改善移动通信室内覆盖问题具有多重意义:一方面可以扩大信号覆盖面，减少盲区，增加业务量；另一方面可以提高接通率、切换成功率等网络指标；再者可以提高电信企业形象，提高网络竞争力，为用户提供更好更完美的随时随地的通信服务。但同时由于室内分布系统建设环境的多样性和复杂性，要达到效果好、造价低，还需要在实践中不断地探索和总结。本文从GSM网络的室内分布系统概述及产生背景，存在的问题和典型的解决方案入手，介绍了室内分布系统建设的必要性、系统的类型及特点；通过对微蜂窝方式和直放站方式的比较分析，结合市区室内覆盖的需求，设计了两套室内分布系统建设方案和传输方案；通过对室内分布系统实施环境的工程勘测，结合典型参数的工程测试以及室内分布系统设备的特点，完成了工程实施、系统优化和综合性能测试。结果表明，本文设计和实施的室内分布系统能有效的改善无线信号的室内覆盖盲区，抑制干扰，为室内移动通信用户提供稳定、可靠的通信环境。室内覆盖既可延伸网络的覆盖区域，改善网络服务质量，提高运营商的信誉，又能增加运营商的收益，可获得良好的经济效益和社会效益。但必须强调的是，室内覆盖，尤其是无线方式的室内覆盖，是一个网络的组成部分，因此，进行室内覆盖设计时，应从全网的角度进行全面的考虑，不能因为某个室内覆盖站影响了全网的质量。第二章 室内分布系统概述2.1 概念室内分布系统也叫室内覆盖系统(IDS)。室内覆盖是针对室内用户群、用于改善建筑物内移动通信环境的一种实施方案，近几年在移动通信运营商中得到了广泛应用。室内覆盖系统的原理是利用室内分布系统将移动基站的信号均匀分布在室内每个角落，从而保证室内区域拥有理想的信号覆盖，以达到改善网络覆盖、提高通话质量的目的。室内分布系统主要由以下部分组成:信号源(系统按信号源可分为蜂窝系统、直放站系统)；分布系统，包括同轴电缆布线、光纤布线和泄漏电缆布线，各种发射天线(隐型天线、显型天线)，功分器(二功分、四功分等)，必要时还需要添加干线放大器(当信号源距离天线过长，信号衰减过多时)。2.2 IDS的类型及其特点2.2.1 信号源的分类和特点按信号源的不同，可分为下述两类室内分布系统。1、蜂窝系统(包括微蜂窝和宏蜂窝)优点是信号稳定、可靠，通过质量好；缺点是建设周期较长，一次性投资大，还需支付传输线路的租建费用。2、直放站系统优点是投资省、安装方便快捷，可以很快解决信号弱和盲区问题；缺点是通过定向天线难以取得单一纯净的信号，系统的话音质量相对蜂窝系统较差，且易造成对其他基站的干扰。3、信号源的选择1)在有光纤资源可利用、并且用户容量不大的地方，应优先考虑使用光纤直放站作为信号源。2)如果用户容量较大且本建筑物上有宏蜂窝基站，可以通过耦合器或功分器将宏蜂窝基站输出信号的一部分引入室内。如果本建筑物上没有宏蜂窝基站或宏蜂窝基站没有空闲容量，则可以采用微蜂窝作为信号源。如果用户容量非常大，也可以采用宏蜂窝基站作为信号源。表 2.1 各类信号源分析比较信号源优点缺点无线同频直放站不需铺设传输线路，设备造价低，配置简单不能提高容量，对无线环境要求高，对施主基站需要严格选择，对室内信号要严格控制无线移频直放站不需铺设传输线路，对空间隔离度要求不高，信号相对纯净和稳定不能提高容量，配置复杂，造价较高光纤直放站对无线环境要求低，信号纯净和稳定不能提高容量，设备造价较高，对施主基站仍有反向干扰，而且需要提供传输电路宏蜂窝基站(己有)结构简单，投入小对原基站的噪声和容量有一定的影响微蜂窝或宏蜂窝基站 (新建)增加了系统容量，不需要从其他基站引用信号，使用方便灵活设备和机房投资较大，需要增加传输电路，对于GSM需要频率规划，对CDMA需要PN规划和安装GPS3)在没有光纤资源可利用或光纤很难到达、并且用户容量不大的地方，可以采用无线直放站作为信号源，但对于无线同频直放站必须严格控制干扰。由于高层建筑主要分布在城市的繁华地段，基站分布很密，直放站系统容易造成对其他基站的干扰，并且没有从根本上解决吸收话务量的问题，所以在城市应当首选蜂窝室内分布系统。2.2.2 分布系统的分类和特点按所采用设备的不同，分布系统可分为无源系统和有源系统。1、无源系统主要由无源器件组成。设备性能稳定、安全性高、无噪声累积、维护简单、成本低。信号经过功分器、耦合器和线路衰耗后，均匀分布到各个天线，覆盖效果较好。但系统设计较为复杂，灵活性差。当功率损耗较大时需加干线放大器。2、有源系统信号经过各级衰耗后，到达末端时可被放大器放大，达到理想的强度。增益自动校验，无须调节，场强分布均匀，可保证覆盖效果。但建设和维护复杂，近端和所有远端设备都需要电源，有源设备易损坏，系统的安全性和稳定性较差。考虑到设备的安全性、稳定性以及工程造价，无源系统在实际工程中采用更多。此外，如果按布线材料的不同，室内分布系统还可以分为同轴电缆系统、光纤系统泄漏电缆系统和光电混合系统等。1、 同轴电缆是最常用的材料，性能稳定、造价便宜，但线路损耗大。大型同轴电缆室内分布系统通常需要多个干线放大器作信号放大接力。同轴电缆系统由于造价便宜，安装方便，在实际工程中大量采用。适用于楼层不是很高、分布天线数量较少的室内分布系统中。这种方式主要使用功分器和耦合器等无源器件将功率分配至各个天线，在适当的时候可以增加干线放大器来提高信号强度。2、 光纤线路损耗小，不加干线放大器也可将信号送到多个区域，能保证足够的信号强度，性能稳定可靠。对于大型的室内覆盖系统，分布天线会达到几百副。如果使用功分器和耦合器，随着距离增长，损耗将不断加大，在远端的天线的发射功率也将会非常低，因此使用光纤系统进行功率分配就成为理想方案，它充分利用了光纤传输距离远和损耗小的优势。在建设光纤分配系统时需要注意的问题主要有:要严格控制光端机的输入功率，防止光转换器输入过载，一般要在光电转换之前加合适的假负载；由于上行和下行信号的传输都要经过电/光和光/电转换，如果调试不好，信号会发生畸变，严重影响信号质量:光纤比较脆弱，在安装和维护过程中容易被损坏，经常会出现光纤损坏、传输中断的情况，在维护时要多加注意。与射频电缆系统相比，光纤室内分布天线系统由于使用了光端机，因此增加了很多有源模块，在投入成本上相对要高一些。但在近端和远端都需要增加光电转换设备，系统造价高。光纤分布系统信号传输距离远，适用于超大型建筑及距离较远的楼群。3、 泄漏电缆系统不需要室内天线，在电缆通过的地方，信号即可泄漏出来，完成覆盖。在一些结构狭窄、拐弯较多的地方，如地铁或隧道里面，若使用天线进行覆盖，天线的覆盖范围明显会受到地形的限制，在这种情况下，就可以使用泄漏电缆进行覆盖。但是由于泄漏电缆的损耗大，因此信号源的发射功率也比较大，或者在短距离内就需要增加放大器，因此考虑到上行噪声的影响，放大器一般不能级联。另外泄漏电缆造价昂贵也是制约这种天线系统广泛应用的因素。4、 光电混合室内分布天线系统。实际上，不管是射频电缆室内分布天线系统还是光纤室内分布天线系统，其末端的天线都是通过电缆来连接的，这里所说的光-电混合室内分布天线系统，是在一个建筑物中，部分楼层使用射频电缆分布天线系统，部分使用光纤分布天线系统，在近距离范围内通过射频电缆充分利用微蜂窝或者直放站的功率，再通过耦合器耦合出很小的一部分能量输入到电光转换器，最后利用光纤将微弱信号传送至远端。这种方式可充分发挥两者各自的优势。综上所述 ，实际工程中由于性价比等原因，无源室内分布系统应用最多、最广，设计也最复杂。如下表2.2中是信号分布系统四种系统的优点和缺点分类比较：表2.2 信号分布系统分类比较信号分布系统优点缺点无源电分布成本低、故障率低、安装方便、无噪声积累、工作频带宽由于信号源功率有限和传输损耗，无源系统有效覆盖范围不大有源电分布设计简单、布线灵活、信号调整方便，覆盖范围较大成本高、故障率高、有噪声积累、工作频带窄光电分布结合了电分布和光纤分布的优点，覆盖范围大需要光一电转换泄漏电缆分布安装方便、信号均匀、引入噪声小造价昂贵关于信号分布系统选择问题:1) 对于小型室内覆盖，一般指覆盖面积在1万平方米以下，应采用无源电分布系统。2) 对于中大型室内覆盖，一般指覆盖面积在5万平方米以下，通过加干线放大器的电分布系统来实现覆盖。加入干线放大器会引起噪声恶化和插损，所以要仔细地测量和计算。在满足覆盖指标的条件下尽量少用干线放大器，最好不超过4个，另外干线放大器的级联会形成噪声积累，一般不采用级联方式。3)对大型建筑物或离散型区域进行室内覆盖时，可以采用光-电综合分布的方式，把电信号转换为光信号后通过光纤传输到大型建筑物的分层或各个离散区域，然后通过光-电转换进入到室内的信号分布系统中。4)漏缆分布作为一种特殊的电分布方式，用于普通天馈系统难以发挥作用而又必须覆盖的特殊区域，如隧道、地铁等。2.3 IDS系统结构室内分布系统一般由信号源和信号分布系统两部分组成，使用光纤直放站引入远端基站信号和在建筑物内新建基站时，还需要建设配套传输电路。一般的系统结构可以概括为:宏蜂窝为主，兼顾室内覆盖:通过功分器，将基站输出信号分配到多个天线，这些天线可以包括室内和室外，实现室内和室外的同时覆盖，特点:1)室内覆盖要求，容量要求不是很大；2)由于使用了功分器，室外范围受到一定影响；3)宏蜂窝站站址选择要适合室内和室外两方面覆盖的需求；4)结构简单，投入小，不需要单独的微蜂窝基站设备。室内室外吸顶天线室内348dBm286dBm会议厅图2 .1 室内站与室外站共同覆盖如图 2 .1 所示，给出了一个三扇区基站，其中一个扇区的信号有一部分被引入室内。这种方式可应用于室内结构比较简单，需要分别覆盖的区域数目不大。针对现在许多中等城市的情况，不少重要建筑同时就是宏蜂窝站址，而且这些建筑需要重点覆盖的室内区域也不是很复杂，所以这种结构有一定的代表性。复杂环境的室内覆盖:对于话务集中，容量要求高的大型展览中心和商业中心，需要建设单独的微蜂窝。建设的重点在于天线安位置的选择、以装点的选择。由于室内覆盖的预测很困难，所以天线类型的选择、天线安装及功率分配系统的设计将是工作的重点。图2.2是一个八层商业中心的室内覆盖设计图(功率分配系统)，应用了不同类型的功分器和天线。由于不同天线距离BTS的远近差别很大，同时每个天线也根据覆盖区域的不同需要不同的发射功率，因此，非对称功分器在其中扮演了重要角色。可以看出，这种形式的室内覆盖在建设和设计上都需要较大的投入，所以事先一定要作好话务量预测，避免建设的盲目性。RP7/8RP7/8室内天线图2 .2 复杂的室内覆盖系统无源直放站:在某些应用场合，在离基站很近的地方仍然存在室内的覆盖盲点，如地下室和大楼的中心部位。这时，可以用一种非常简单的方法将信号引入覆盖忙区，如图2.3所示：最近的基站需要覆盖的室内区域室外天线Gain 15dB室内 Gain 2dB7/8馈线BasementGround1st2nd室外天线Gain 15dB图 2.3 直接将信号引入室内这种方式的局限性在于:1)室外信号必须非常理想，信号质量和信号强度都处在理想的水平；2)传输距离不大，馈线损耗小；3)需要覆盖的范围不大，对室内天线的发射功率要求很低；4)室外站的容量有富余。室外天线的方向性要好，一是提高对下行信号的选择性，同时减小上行信号对其它站的干扰。从形式上看，这种模式类似于直放站(repeater)，所以也有人称之为无源直放站，但是它没有任何有源器件，没有滤波器，唯一的优点在于成本低。有源直放站:在一些中小商场及餐厅等对容量要求不是很高的地方，直放站不失为一种经济实用的解决方案，如图2.4所示。有关直放站101的讨论已经很多，需要着重强调的是:1)严格限制直放站的重发覆盖，尽量避免室外泄露；2)严格直放站的安装规范，不要轻易将放大模块多级连接，否则可能引起自激；3)直放站室外天线的安装直接影响直放站的性能。直放站的增益设计应考虑两方面的问题:一是上下行的链路平衡，二是上行信号不能太强，一面给其它基站造成干扰。直放站直放站直放站图2.4 直放站覆盖系统框图大型室内覆盖分布系统:对于大型的室内覆盖系统，分布天线会达到上百付。如果使用功率分配器，损耗将变得无法接受。由于光纤的传输损耗短距离内几乎可以忽略不计，因此使用光纤系统进行功率分配就成为理想方案。图2.5是一个光纤分配系统框图。根据实际的应用经验，经常遇到的问题主要有:1)严格控制BTS的发射功率，防止光转换器输入过载。一般要在光电转换之前要加合适的假负载；2)一旦光电转换系统调好之后，BTS的输出功率不要随意调整；3)上行和下行信号的传输都要经过电一光和光电转换，如果调试不好，信号会产生畸变，严重损害信号质量；4)光纤比较脆弱，在安装和维护过程中容易损坏，经常会出现光纤损坏、传输中断的情况，在维护时要多加注意。OE SUMOE OE EOEOEOOE TXtxBTS RXtxBTS TXtx RXtx图 2.5 光纤分配系统框图2.4 本章小结本章总结了IDS的基本概念、产生背景；分析并总结了IDS的各项分类及其特点；基于IDS建设的必要性；说明了各种室内分布系统的应用环境；分析比较了IDS与一般移动通信基站的区别，阐述了其他覆盖系统没有的优势。从而为以下的分析研究做出必要铺垫。第三章 室内分布系统方案设计3.1 微蜂窝与直放站比较3.1.1 系统工作原理IDS的方案设计一般遵循信号源分布系统的顺序。一般来说信号源主要有两大类(同轴电缆直接引入除外):基站信号有线接入，基站信号无线接入(直放站)。基站信号有线接入或微蜂窝接入是通过射频电缆直接连接到基站的输出口，实现基站的有线接入，由于基站输出功率很大，系统较为简单，对于较小面积的室内覆盖，通常只需要合路器/分路器、耦合器对基站信号功率进行分配即可；对于较大面积的室内覆盖，如果信号分配的末端衰耗太大，可以在其间增加干线放大器基站信号无线接入是以室外宏蜂窝作为室内覆盖系统的信号源，即无线接入方式，在室外站存在富余容量的情况下，通过直放站将室外信号引入室内的覆盖盲区适用于低话务量和较小面积的室内覆盖盲区，在市郊等偏远地区使用较多。无线接入方式的主要优势在于成本低、工程施工方便，并且占地面积小，其弱点是容易对宏蜂窝无线指标的明显影响。3.1.2 微蜂窝与直放站微蜂窝在作为提高网络容量的应用时一般与宏蜂窝构成多层网。宏蜂窝进行大面积的覆盖，作为多层网的底层，微蜂窝则小面积连续覆盖叠加在宏蜂窝上，构成多层网的上层，微蜂窝和宏蜂窝在系统配置上是不同的小区，有独立的广播控制信道。微蜂窝建设的重点在于天线安装点的选择，由于室内覆盖的预测很困难，所以天线类型的选择、天线安装位置的选择以及功率分配系统的设计将是工作的重点。微蜂窝虽然具有安装方便，适应性广、规划简单、灵活、信号稳定、可靠、通信质量好等特点，但微蜂窝的造价高，且需要解决传输问题。在对微蜂窝进行安装时必须精确定位话务热点和覆盖盲区。由于建设微蜂窝的设备投入与工程周期都较大，所以微蜂窝只适合在话务量集中的高档会议厅或商场使用。直放站是把室外基站信号引入室内，并对工作频段内指定的基站信号进行带通放大，对其它无关的信号则滤除抑制，增强上下行信号场强，改善室内覆盖效果。不需要基站设备和传输设备，造价低，安装方便，且无需传输。直放站系统的优点是投资省、安装方便快捷，可以很快解决信号弱和盲区问题。但其缺点是通过定向天线难以取得单一纯净的信号，系统的话音质量相对蜂窝系统较差，且易造成对其他基站的干扰，而且没有绝对容量，增加收发天线要充分隔离，还会放大噪声，所以对于直放站需要着重强调严格限制直放站的重发覆盖，尽量避免室外泄露，严格直放站的安装规范，不要轻易将放大模块多级连接，否则可能引起自激等。直放站的种类很多，归纳起来分为宽带放大和多通道选通放大两种。一般来说，多通道选通放大直放站具有更好的性能，能够提高信号的质量。但在使用同时也存在一些问题，如:选通的通道载频数一定不能少于源基站配置的载频，否则可能无法占用信道；许多直放站的通道数限制为4，就不能将载频数大于4的基站作为信号源。对于采用射频调频的基站，如果跳频图案包含的频率多于直放站选通的通道数，通话也无法维持。表 3.1 微蜂窝与直放站比较比较内容微蜂窝基站直放站是否增加容量根据需要增加容量不能增加容量信号质量好一般设置优先级可以不可以对网络的影响小控制不好影响很大是否需要传输设备需要不需要是否需要重新规划频率需要不需要是否需要调整参数需要不需要是否支持多频多系统不支持支持是否支持多运营商不支持支持是否支持容量动态分配不支持(容量预分配)支持安装时间较长较短投资较多较少3.2 直放站在IDS中的应用3.2.1 直放站简介直放站(中继器)属于同频放大设备，是在无线通信传输过程中起到信号增强作用的一种无线电发射中转设备。直放站基本上就是一个射频信号功率增强器。直放站在下行链路中由施主天线在现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而实现基站与手机的信号传递。目前，国内应用的直放站按功率分有0。250W ；按频率分有1501000MHZ；按类型分有数字型、模拟型、数模兼容型；按传输方式分为无线(如图3.1)、有线、光纤(如图3.2)等；按频移特性分有同频直放和移频直放两种。手机手机基站直放站图3.1 无线直放站系统示意图手机手机基站直放站光纤图3.2 光纤传输直放站示意图3.2.2 直放站工作原理直放站接收来自BTS的射频信号，将其下变频至中频，通过滤波得到要求的信号，用于向目标服务区域发送都是保持信道质量的最佳方法原始信号转发到其他区域时，频率转换和中频滤波从移动终端到BTS的回路上，一般也采用频率转换和中频滤波方法建立清晰的射频通信路径。其原理如图3.3所示。LNABPFBPFLNAMixerMixerSAWFSAWFLNALNADiplexerDiplexer图3.3 典型直放站原理框图3.2.3 直放站在蜂窝移动通信网中的应用在一个蜂窝移动通信网中，任何一个基站或小区所服务的区域应该是在经过实际测试、话务量调查、干扰调整、覆盖调整以及一系列的优化工作之后在地图上规划出来的区域。在这个区域里仍旧会有些照射不到的地方(或称阴影区)，或照得太远的地方如果照不到的地方的话务量不可忽视，就应该设法将该区域照明(即应该使信号强度在该地区达到一定的水平)；如果照得太远的地方发生干扰，或破坏了上述规划覆盖区域，就应该设法缩小其覆盖区(这是网路优化中很重要而烦琐的工作，也费时最长)。由于目前许多城市采用直放站改善阴影区的方法不甚得当，以下讨论其使用方法:1、在远郊区为扩大覆盖范围而采用直放站所谓远郊区，一般指基站比较稀少的地区，在设置直放站的附近没有干扰信号源(或者可以忽略)，而且直放站与宿主基站之间的距离也比较远，这种直放站的目的就是扩大服务区，话务量不是限制条件。为了避免直放站至宿主基站之间的电波传播损耗有较大的波动，这一段应该保持视距，即自由空间传播。因为在900 MHz频段，十几公里距离的范围内气象对电波传播的影响很小，或者说可以忽略不计。因此这一段距离上的电波传播损耗可以利用自由空间电波传播公式计算，即 (3-1)式中，L是直放站至宿主基站间的自由空间电波传播损耗(dB),为工作波长，d为直放站和宿主基站之间的距离。(1) 直放站前向链路各参数的考虑直放站前向链路的输出功率(直放站至移动台方向)可以表示如下P=Pl-Ll+Gl-L2+G2-L3+G4+G5 (3-2)式中，P-直放站前向链路输出功率(dBm)P1- 宿主基站之发射功率(dBm)L1- 宿主基站之馈线损耗(dB)G1- 宿主基站的天线增益(dB)G2- 直放站的后向天线增益(dB)L3- 直放站后向馈线损耗(dB)G4- 直放站前向放大器(直放站收自宿主基站发向移动台方向的放大器)增益G5- 直放站的前向天线增益(dB)这些参数的设置可以参考下列原则：直放站的前向链路输出功率有自动功率限制(譬如其起控点为每载波33dBm)时，其它各参数的选择可以考虑在基站发射功率最大时，不致使每载波的输出功率P33dBm。这样在基站控制其发射功率时(如果有前向链路功率控制)不会使直放站启动自动功率限制(功率限制的启动会扰乱系统的自动功率控制)。直放站的后向天线增益与其方向性有关，要在最经济的基础上使之避免接收来自其它基站的干扰信号。也就是在允许的情况下适当展宽天线半功率角以期降低造价。G1和G2，要根据上述条件补偿综合损耗以期使每载波的P=33dBm(2) 直放站后向链路各参数的考虑对于直放站后向链路(直放站与宿主基站之间链路)各参数的考虑，也可以参照前向链路的考虑方法，但有两点要特别注意:一般后向链路都有自动功率控制，即移动台的发射功率随基站接收电平的变化而变化。移动台至直放站的电波传播损耗不是自由空问损耗，其传播损耗受环境影响很大，无法掌握其规律。这要在直放站安装完毕后，经实测决定直放站接收机可能的最大输人电平。这个电平可能带有一定的随机性，应该经过大量测试得出统计规律，取其90%时间(或根据当地的具体规定)不会超过的电平作为最高电平。在这个电平下计算直放站后向放大器增益，使其输出功率不超过直放站后向功率限制点。然后计算后向天线增益等参数，使基站接收机之输人电平达到理想的数值(最好在-90dBm-40dBm之间，在有功率控制的情况下，多数是-80dBm)。其次要考虑的问题是基站因带有直放站而引起的基站(或小区)参数的变化。譬如由于直放站的存在，该基站在延长方向上的覆盖距离最好不要超过时间提前量的最大限制，以免占用两个时隙(多数情况下不会有这么长的距离)；再譬如该基站的邻区设置，应该把与直放站覆盖范围相毗邻的区域也列在它的邻区名单上。此外越区切换各参数的设置、离开服务区最低电平的设置等都要把直放站所带来的覆盖变化考虑在内。为了避免直放站前后向天线的耦合超过限值(使直放站产生振荡的值)，最好把直放站设在欲扩展覆盖区域近宿主基站一侧的边缘上，使用面向扩展服务区的定向天线；避免把直放站设在欲扩展覆盖区域的中央而使用全向天线。注意天线附近不要有过大的反射体以免影响两副天线的去耦。2、在城市街道上为消除阴影区而使用直放站这种使用之目的多数是考虑宿主基站的话务量可以包括拟扩展的覆盖区内发生的话务量，而且邻区设置以及越区切换等的处理都对全网有利(从网路优化的角度看)。因此这个扩展覆盖区应该归属于哪一个宿主基站也应该是一定的。目前有些直放站的设置不明确哪个基站是它的宿主基站，直放站的宿主基站在不停地变化，使得移动台在原地就不停地进行越区切换，这从网路优化的角度看是不利的。为了使直放站明确其宿主基站，其后向天线和宿主基站(该小区)的天线之间也应该保持视距，并且直放站后向天线的方向性要尽可能的尖锐。因为一方面城市内的基站比较密集，另一方面直放站与居主基站要保持为视距。其天线就会比较高，可能可以看到几个基站，这就难免会引人不必要的干扰。为此除了要采用高性能的后向天线以外。还要检查直放站后向天线主射束内之延长线上有无可能引人干扰。3.2.4 直放站站址定位问题直放站站址应选在施主基站与盲区之间，避免施主天线与重发天线方向夹角小于90度的情况，尤其是两天线方向相同的情况。首先，两天线的辐射场图重叠，隔离度很难达到要求；其次如果地形条件非常好，隔离度问题能够解决，由于GSM系统技术的限制，和同频干扰的影响，直放站也仅能覆盖11.5km且通话质量较差。由于业务天线是定向天线，直放站站址最好选在盲区外，靠近盲区边沿(大约200500m)。如果选在盲区内，则不能达到最佳覆盖效果。直放站除用于覆盖城乡结合处和偏远地区的盲区外，也经常用于覆盖城市边上的密集住宅区。此时应避免在楼群的正面选点(见图3.4)，因为此时信号只有直接穿透靠前的楼房，才可覆盖到后面的区域，但信号由于穿透时衰减很大，后面区域的信号强度会很弱。如果从楼群侧面覆盖(见图3.5)，信号可从楼房间较大的空隙穿过，并借助反射达到很好的覆盖效果。直放站 图3.4 在楼群的正面选点直放站 图 3.5 在楼群的侧面选点直放站安装地点要高于盲区内建筑物，如果相对高度很大，可调节业务天线的下倾角。如果相对高度较小，一定要考虑盲区内建筑物对重发信号的反射，往往近距离的反射信号远远强于业务天线后向辐射信号，即使施主天线完全背向重发天线，隔离度也很难满足。直放站所在施主小区的载波数必须小于或等于直放站的信道数。因为如果直放站不能放大施主小区内的所有信道，在广播控制信道随机分配通话时隙时，如果分配给覆盖区内用户的是没有放大的载波时隙，则用户电话无法接通。如果基站系统有跳频功能，则在覆盖区内用户的通话时隙跳到没有放大的载波时，很有可能产生掉话。一般直放站的标准配置是2载波，因此选择施主基站时，应选择2载波以下施主小区，或扩充直放站配置达到施主小区的信道数。3.2.5 典型直放站介绍1、宽带无线型GSM直放站GSM直放站的下行链路通过施主天线获得的BTS的下行链路信号，在对双工器中的多种寄生频率进行滤波后进人低噪声放大器，使其满足频率转换和中频放大的需要，下变频器包括混频器和锁相环本地振荡器，然后进行声表面滤波，经过上变频器后一般采用介质滤波器选出原始射频信号。上行链路的处理方法和下行基本相同。这类直放站带内插损0。7 dB，带外抑制12 dB，带宽大于56 dB，设计中采用低噪声放大器，具有33dB增益，隔离度为110 dB；重发时采用收发分路，双天线结构。2、宽带型光纤直放站该类型直放站适用于GSM或TAGS系统，上下行隔离度高于无线直放站，增益可做得较高，即可用于电缆直接与基站连接，也可通过天线收发基站信号；光纤与电缆相比具有频带宽、损耗低、体积小、馈量轻、抗电磁干扰等优点；采用功率大、线性良好的激光器及高灵敏度光接收组件和低噪声器件，系统的噪声低、线性好、通话效果好，传输距离可达50 km。近端设备和远端设备可灵活设置任意组网，也可与市话共线传输。3.3 室内分布系统方案设计随着移动通信事业的深