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塔顶放大器简介一：塔放概述 塔顶放大器(英文名字In-line Tower Amplifier,简称ITA)是一项迅速普及的和成功的技术。在过去很长一 段时间内，人们都认为塔放主要是解决GSM基站上、下行不平衡的问题。随着使用数量的增多，现在越来越多的运营商和设备制造商都认识到塔放在提升基站性能和改善网络质量方面的优势。在欧洲的许多运营商将塔放作为GSM基站上的标准配置使用，亚洲的许多国家和地区的运营商正积极采纳这一技术。 二：塔放的发展与趋势 自1994年向市场推出塔顶放大器以来，由于塔放对提升基站性能和改善无线覆盖的特殊作用，目前已被越来越多的运营商和设备厂商所采用。 GSM数字移动通信的发展起源于欧洲。由于其较之模拟移动通信网在容量、服务和安全性的优势，该技术已在全球被广泛应用。由于无线传输存在许多不确定的因素，像模拟网一样，GSM网也有覆盖范围、话音质量和掉话率等问题。由于塔放在解决这些问题上有不可替代的优势，因此在欧洲和北美被广泛应用。据不完全统计，在短短的4年中，欧洲和北美塔放的使用数量达160000台，欧洲的一些运营商在85%的基站上安装了塔放。下表是欧洲一些运营商使用塔放数量的统计： 运营商名称 使用塔放数量 运营商名称 使用塔放数量 英国Orange 20000 德国E-plus 28000 德国D2 12000 法国电信 12000 法国Bouyguos 16000 德国E2 24000 特别应该提出的是，英国Orange公司只有4000个基站，德国E-plus只有6000个基站，那么，这两家公司安装塔放的数量是4-5台/每基站。当然，这些塔放并不是一次采用的，我们对英国Orange公司的逐年使用塔放累计数量作了统计，结果如下： 运营商 1995 1996 1997 1998 英国Orange 4000 10000 16000 20000 从这份统计表中我们可以看出，Orange公司正在不断增加它的塔放使用数量，这也说明塔放的使用在欧洲已逐步得到推广。 在中国市场，由于中国电信采用的GSM制式是源自于欧洲，GSM网中反映出的问题有相同之处，因此，塔放产品正逐步受到运营商的重视。目前，包括广东、北京、上海等十几个省级移动局都已试用和小批量使用塔放。随着用户对改善和提高无线网质量的呼声日益提高和已安装塔放基站的服务质量的改善，可以预期，塔放在中国市场会和欧洲一样将得到普及。 三：安装塔放的效益 安装塔放会带来一些什么样的好处，这是人们通常关心的问题。我们应该说，塔放带来的好处是多方面。这主要是它不同于一般的技术方案，仅仅是解决一个具体问题，就像增大发射机功率，只是基站覆盖范围大一些。塔放从技术原理上是降低基站接收系统噪声系数，从而提高基站接收系统灵敏度，这样它将带来多方面的好处。 1扩大基站覆盖范围。这是由于塔放提高了基站接收灵敏度，改善了基站上下行不平衡问题。可以增加基站有效覆盖半径20-40%。例如：北京某基站在安装塔放后覆盖半径由10.5公里增加到13.5公里;河北某站安装塔放后覆盖半径由8公里增加至11公里。 2提高上行接收电平，改善弱信号覆盖。安装塔放后，基站接收系统增加了12dB的增益，上行接收电平的提高，也就改善了弱信号地区的覆盖问题。下表是我们一定时间测试中统计数据的两个例子： 基站1 基站2 状态 平均上行电平切换次数 平均弱信号断线 塔放安装前 124次 29% 塔放安装后 0.33次 5% 3降低掉话率，提高通话质量。塔放最根本的技术原理是降低基站接收系统的噪声系数。这就是说提高了基站信噪比，也就是提高了通话质量。在我们进行的多达30个基站的测试中，都能看到掉话率的明显降低。最高降低达4个百分点。 4降低手机输出功率，减少上行信号的干扰。干扰是困扰移动通信的一大问题。加装塔放的基站，由于其上行接收电平得到加强。因此，所需的手机发射功率可以降低，这不仅为手机用户带来节省电池和减少辐射的好处，更重要的是它有效降低了上行链路的同频和邻频干扰，尤其在移动用户数高速增长、手机干扰越来越突出的今天，降低手机输出功率的意义是多方面的。 5增加经济效益。加装塔放的基站由于有效覆盖范围扩大，因此，可节省移动网建设资金。另一方面，由于塔放对上行链路电平和质量改善，不仅可以提高业务信道的通话质量，还可以提高信令信道的传输质量，从而提高接入、寻呼、位置更新、越区切换等控制消息的成功率。换句话说，这可以提高无线资源的有效利用率，容纳更大的话务量，从而提高经济效益。其对话务量的影响，是体现其经济效益的直接原因。下表是我们统计数据中有关话务量的统计： 基 站1 基 站2 呼叫次数 话务量 呼叫次数 话务量 塔放安装前 938 9.25 138 1.66 塔放安装后 860 10.42 171 2.13 增长率 -8% 12.6% 23.9% 28.3% 从基站1的数据可分析，尽管呼叫次数减少，但话务量增加。这主要是通话质量改善后，平均通话时间延长，简单说电话好打了。基站2，在话务量和呼叫次数都增长的情况下，话务量的增长仍高于呼叫次数增长5个百分点。这说明话务量的增加中有一部分来自于通话质量的改善。 四：增加设备厂商基站的竞争力 移动通信在中国已取得巨大发展。据权威部门预测，在未来4-5年内，中国移动通信的发展潜力是巨大的。中国大陆的移动运营商主要有两家，即中国移动通信集团和中国联通公司。而移动基站设备主要供应商国内、国外达12家。由此可以看出中国大陆移动设备供应商的竞争将是激烈的。 移动基站系统，直接面对用户。由于基站分布较广，工作环境差异很大。因而在实际环境下，稳定高效的基站系统性能是运营商考核供应商设备好坏的一个重要内容。所以提高基站系统性能是产品竞争中的一项重要措施。 现在已有许多设备厂商为了提高基站系统的技术指标，都在其基站上加装塔顶放大器。那么加装塔放的基站会有什么样的优势呢？我们认为有如下几个方面： 1技术优势。塔放安装于接收天线下，即跳线和馈线之间（如右图）。从接收系统来说，它是一个前置放大器，这样系统的噪声系数为： Nf=F1+（F2 -1）*Lc /G 可以看出，系统的噪声系数主要取决于前级塔放 的噪声系数。若F1=1.5dB,G1=12dB,Lc=3dB, F2=5dB。我们可以计算: 没有塔放时,系统噪声系数NF1=8dB 加装塔放后,系统噪声系数NF2=2.4dB 降低近5.6dB。实际上它带来的好处很 多，列表如下： 指标 原因 指标变化 接收噪声 NF=F1+(F2*Lc-1)/G 灵敏度 -NF RS 信噪比 1/NF r 误码率 e-r Pe 手机输出功率 塔放+12dB增益 上行同频干扰 手机输出功率降低 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，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。例如：某基站有效覆盖半径5km，加装塔放后其有效覆盖半径增加30%，即达到6.5km。那么，不装塔放时4个基站的覆盖面积为： S1=4 x 3.14 x 52=314km2 加装塔放后，3个基站的覆盖面积为： S2=3 x 3.14 x 6.52=398km2 这就是说，用加装塔放的基站组网，可将通常的4 x 3组网方式改用 3 x 3组网方式，节省25%的基站数量。这样在运营商招标时，就增加了竞争力。 3性能价格比的优势。我们举一个例子来说明这个问题。对一个标称-110dBm灵敏度的基站，若基站接收机噪声系数NF2=3dB，馈线损耗Lc=3dB，则检测门限值DT=8dB，那么，实际在天线口的接收灵敏度为： RS1=-121*+Lc+(NF2-1)/Lc+DT=-121+6+8=-107dBm *-121为噪声功率，是一个常数，由KTB计算出。其中K=1.38x10-23 温度T=290度，带宽B=200KHz。 而加装塔放后，若塔放噪声NF1=1.5dB，增益G=12dB，基站接收系统的接收噪声系数为： NF=NF1+(NF2 x Lc-1)/G=1.413+(1.995 x 1.995-1)/15.85=1.6=2dB 基站系统天线端口实际接收灵敏度为: R2=-121+NF+DT=-121+2+8=-111dBm 我们可以考虑，一个普通基站若灵敏度希望从-107dBm提高到-111dBm，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。 4企业形象优势。中国的移动市场，发展潜力很大，竞争厂家也多。好的产品代表了企业形象，企业形象是发展中的企业的生命。塔放产品能全面提高基站的性能，在长期的使用和比较中，使用塔放的基站体现出如下优点： 1. 组网费用最低 2. 基站掉话率低 3. 越区切换成功率及接通率高 4. 覆盖区域内盲点最少 5. 用户反映最优 上述优点在GSM中反映出的是综合系统性能的提高。在实践中运营商最为关心的是系统性能的优劣。因此，拥有良好系统性能的基站将是OEM厂家在竞争中取胜的基础。 五：非常简便的安装 塔放是一个两端输入输出装置，使用时直接串接在塔顶跳线与馈线之间。由于塔放两端采用标准的7/16”接口，因此安装非常容易。下图是一个塔放安装示意图： 安装方法是这样:在塔顶找一有足够空间的支柱,用紧固圈将塔放固定在支架上,注意塔放BTS接口朝下。然后，通过跳线分别正确连接塔放输入、输出口与馈线、天线连接。通过电流及回波损耗测量，确认无误后，将所有接头用防水胶带密封。塔放接地端，应使用一根粗地线（24mm2截面）接至塔顶地。这样塔放安装就完成。 塔放是高质量的，安装时只要工作电流在80-140mA就说明塔放工作正常。六：对塔放认识上的误区 尽管网络优化的问题已逐步引起运营商的重视，塔放也逐步被人们接受，但是，目前市场上在塔放的认识上还是存在一些误区，主要表现在如下几个方面： 1“增加12dB增益，将对基站阻塞和互调产生影响？” 塔顶放大器实际上是一个宽带、低噪声、高线性放大器。它的1dB压缩输出功率为+10dBm. 发送频段各为+43 dBm二载波的互调物落入接收频段的功率电平为“城市内站距很近，有无必要加塔放？” 这种情况下，多用到降低塔高，加大倾角（扇区情况），降低基站发射机功率，设置C1参数的办法防止越区同频或邻频干扰，本小区的覆盖不是主要矛盾。但上述措施都会有一定限制，所以，总效果不会太好。同时，这是由于频带限制造成的。它保证了频谱有效性，是不得已而为之。当扩充1800频段后，对过于小的扇区站做统一优化，经济效益十分可观。 由于城市环境复杂，在大街上一般问题不大。而室内，特别是受阻挡楼内的一层室内电平，是覆盖的主要矛盾。越区切换需要时间，若车速很高，则难以成功地完成频繁的越区切换。在小区交接处易出现来回切换的现象，或称乒乓效应，浪费网络资源。 在城区的基站上加装塔顶放大器，可改善网络质量、切换、接通率，特别是改善同频干扰。在覆盖半径为300米以上的基站上加装塔顶放大器，会在上述几个方面取得明显效果。 3“塔放加在GSM900基站和GSM1800基站上一样好？” 在两个系统上分别加装塔顶放大器，均会取得很好的网络改善效果。在国内和国外众多的试验和使用实践，已充分证明了这一点。因为塔顶放大器是分频段的，其原理是相同的，其作用是一样的，指标也大体相同，所以，两者没有区别。应当指出的是，GSM1800手机最大功率是1W（30dBm）,而基站仍为43 dBm。而手机灵敏度、基站接收灵敏度很难再提高，所以，其条件相同时，上、下行链路系统增益更为不平衡。 4“塔放只能改变信噪比，不能改变载干比？” 无线电通信系统不避免地会遇到无用的热噪声、失真噪声和干扰噪声。一定的调制解调方式决定了解调门限，Eb/No。它与输入到解调器输入端IF S/N有正变关系，但不等同。 S/N = S/热 + 失 + 干 N是热噪声、失真噪声和干扰噪声的综合。 在基站上加装塔顶放大器，改善接收机的热噪声和失真噪声（接收机更理想化），会降低比特或帧差错率，允许适当增大干扰噪声，使指标又回到原来要求的指标。 但是，加装塔顶放大器，既不改善也不恶化本站输入端客观存在的干扰电平。事实上，如果一个站存在明显的同频干扰，一定是由于站址不理想，小区划分和频率规划、天线调整方面存在问题，应及时解决。因为基站、手机对同频干扰没有防护能力。 5“塔放如何实现5KAMP雷击保护？” 塔放内靠近BTS端口有一个T形接头装置,用于将馈线内的直流信号耦合到LNA的电压端。该T形接头装置与基站室内使用的T形接头结构相同，具有气体放电管和钳位管两级防雷保护，因此可实现脉冲前沿8us、脉宽20us的5KAMP雷击保护。 6“塔放如何保证500，000小时的平均故障间隔时间？” 塔放主要由三部分构成：低噪声放大器（LNA）、T形接头和滤波器。塔放的平均故障时间是有着三部分的故障率决定的。从所采用的元件，其三部分故障率如下： 低噪声放大器： 0.909x10-6 T形接头: 0.09356x10-6 滤波器: 0.0262x10-6 塔放故障率为: (0.909+0.09356+0.0262)x10-6=1.0288x10-6 塔放平均故障时间:1/1.0288x10-6=972000小时 7“塔放只是适用于一些覆盖不好的基站” 塔放确实解决了覆盖不好的问题。 塔顶放大器由于增加了上行信号增益，对于一些存在上、下行不平衡、掉话率高的基站，能起到很好的改善作用。 而且塔放安装于塔顶，作为基站接收系统的前置放大器，因此它的作用不仅是简单的信号放大，而且改善了整个基站接收系统的性能。 8“塔放只对一些郊区站有用，在城区不适用” 提出这一问题的基础是：郊区站普遍需要在复杂地形下覆盖区域大，因此出现覆盖范围小和盲点多的问题，由于塔放改善了基站上下行不平衡，因此在郊区基站使用塔放是非常有效的。城区基站也存在问题，如：室内覆盖、上行干扰、信号质量和频率利用率等问题。这些问题的解决，使用塔放是最有效的和经济的。 9“塔放会增加干扰” 塔放增加了上行电平增益，会不会像直放站一样带来干扰，这是人们通常关心的问题。这要从塔放的原理来理解，塔放其实是一个高性能的低噪声小信号放大器，它不产生功率辐射，因此也就不会带来干扰。而且塔放提高了基站接收灵敏度，从而使手机发射功率要求更低，这样他实际是降低了上行同频干扰。 10“加装塔放后，可能增加基站的故障率” 塔放采用的元件都是高可靠性的，其平均故障时间超过50万小时，即57年。而且塔放在设计上采用并联放大器结构，即使其中一个放大器失效，仍能工作，塔放内还设有旁路开关，即在塔放完全失效时，旁路开关会自动接通，以保证原有基站的射频传输不会中断。 11“基站灵敏度提高了，可以不用塔放” 基站灵敏度提高了，最重要的是改善了上行覆盖范围，可以采用更大的下行发射功率，扩大基站覆盖。实际上，还存在两个问题：一是通常所说的基站灵敏度并不代表实际的基站接收系统灵敏度(由于馈线和部件等引入的损耗)，二是基站接收灵敏度高，并不表示基站接收的信噪比高，通话质量还是会有问题。加装塔放改善的是基站系统接收噪声，提高了基站实际接收灵敏度。 北电的S8000基站灵敏度为-112 dBm。香港的SUNDAY TELECOM公司拥有800个北电的S8000基站，使用两年后，在近期的优化阶段加装了塔顶放大器。在法国，BOUYGUES公司使用3000个北电S8000基站，其中80%装有塔顶放大器。在美国，WESTERN&WIRELESS公司也使用北电的S8000基站，在这些基站上也安装塔顶放大器。 12“采用高增益天线，可以不用塔放” 高增益天线与塔放有一个相同点，也有一个不同点。相同点是高增益天线和塔放都对上行信号电平带来增益；不同点是高增益天线仅带来增益，而塔放不仅增加增益，而且他降低了系统接收噪声，改善了基站系统的上下行链路不平衡。因此，高增益天线不能代替塔放，相反塔放有可能代替高增益天线。 13“塔放增加了基站成本” 安装塔放的基站可以使用更便宜的馈线和选用指标较低的基站内前置高频放大器，甚至可以不用基站内高频放大器，这能节省很多费用。更重要的是，塔放能提高基站实际接收灵敏度约5dB，我们可以设想，普通基站若想提高5dB的接收灵敏度，需增加多少费用和工作量？！ 14“市场对塔放的要求不强烈” 市场没有强烈要求，是不是可以暂时不用塔放呢？这主要取决于设备厂商的胆识和远见。因为这包含两个潜在的问题。一是运营商没有要求，是现在没有要求，并不代表将来没有要求。我们相信，随着运营商对网络质量的日益重视，对塔放的认识将越深刻；二是其他设备供应商会不会也不使用塔放