（通信与信息系统专业论文）五类线分布系统的监控子系统的设计与实现.pdf

杭州电子科技人学硕十学位论文 摘要 随着移动通信网络的不断优化与完善，室外的信号覆盖已得到极大的改善，如何改善室 内的信号覆盖是当前电信运营商网络优化的主要任务。目前主要有三种入户覆盖手段，分别 是五类线分布系统、c a t v 线分布系统和f e m t o c e l l 家庭基站。采用五类线入户覆盖方案，通 过双绞线将信源信号引入室内，用户端即插即用，并支持远程供电，可以充分发挥运营商丰 富的固网五类线资源，与局域网共用五类线传输信号，安装方便，后期维护也比较简单，是 一个智能化水平较高的有源天馈分布系统，可快速实现v i p 用户办公室和住宅的精准覆盖。 该方案具有很好的应用前景。 本文依托项目“智能直放站的设计与实现”。采用树型结构组网方案，c d m a 五类线分 布系统由近端和远端两部分组成。为了满足远距离室内覆盖和更大面积的需求，在近端与远 端之间引入了中继单元。中继单元采用一拖八的树型结构。论文主要探讨了五类线分布系统 监控子系统的设计与实现，给出了监控子系统的组成结构，并制定了监控管理中心与五类线 分布系统之间接口的通信协议。通信协议采用分层结构，各层功能之间彼此独立，提高了通 信协议的可扩展性。在该通信协议基础上，对五类线分布系统主要监控功能进行了分析，给 出了通信目的、通信过程和数据包的格式，并设计和实现了监控模块，最后开发了监控管理 中心软件。监控管理中心分为四层：通信层、协议层、数据库层和界面层，对每层的功能进 行了描述，并实现了各层的功能。通过本地串口直连和c d m am o d e m ( s m s ) 两种通信方式 可分别实现对五类线分布系统的本地监控和远程监控。最后搭建了监控子系统测试平台，采 用一个近端带一个远端的结构。近端接口各引脚对应不同的监控数据，通过各引脚输入不同 的电压控制界面数值的变化。测试结果证明：引脚电压的变化能够及时在界面反映出来，进 而表明监控子系统能够实现五类线分布系统的监控功能。 关键词：五类线，室内分布系统，中继单元，监控子系统，监控管理中心 杭州电子科技人学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h ec o n t i n u o u s o p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，t h eo u t d o o rs i g n a lc o v e r a g eh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d ，a n dh o wt oi m p r o v ei n d o o rs i g n a l c o v e r a g ei st h et e l e c o m m u n i c a t i o no p e r a t o r s c u r r e n tm a i nt a s ko f n e t w o r ko p t i m i z a t i o n a tp r e s e n t t h e r ea r et h r e em a i nh o u s e h o l dc o v e r a g em e t h o d s ，t h e ya r ec a t - 5u t pd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，c a t v l i n ed i s t r i b u t i o ns y s t e ma n df e m t o c e l l s i nt h i sp a p e r , c a t - 5u t ph o m ec o v e r a g es c h e m ei s u s e d ， a n dt h es o u r c es i g n a li si n t r o d u c e di n t ot h er o o mt h r o u g ht w i s t e dp a i r , a n dt h ec l i e n ts i d es u p p o r t s p l u ga n dp l a ya n dr e m o t ep o w e rs u p p l y t h i ss c h e m ew h i c hs h a r ec a t - 5u t pw i t hl a nt o t r a n s m i ts i g n a l sc a ng i v ef u l lp l a yt oo p e r a t o r s r i c hc a t - 5u t pr e s o u r c e so ff i x e dn e t w o r k ，a n di t h a sa d v a n t a g e so fc o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o na n dr e l a t i v e l ys i m p l ep o s t m a i n t e n a n c e s oc a t - 5u t p d i s t r i b u t i o ns y s t e mi sa na c t i v ea n t e n n af e e d e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mw i t hh i g hi n t e l l i g e n tl e v e l ，a n d a c c u r a t ec o v e r a g eo fo f f i c e sa n dr e s i d e n c e so fv i pu s e r sc a nb ea c h i e v e dq u i c k l y t h i ss c h e m eh a s g o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h i sp a p e rr e l i e so nt h ep r o j e c t “d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fi n t e l l i g e n tr e p e a t e r c d m a c a t - 5u t pd i s t r i b u t i o ns y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ：c ua n dr uu s i n gt r e es t r u c t u r en e t w o r k s c h e m e i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u e s to f l o n gd i s t a n c ei n d o o rc o v e r a g ea n dl a r g e ra r e a s ，r e l a yu n i t i si n 仃o d u c e db e t w e e nc us i d ea n dr u t h er e l a yu n i tu s e so n ed r a g g i n ge i g h tt r e es t r u c t u r e t h i s p a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm o n i t o r i n gs u b s y s t e mo fc a t - 5u t p d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，a n dg i v e so u tt h ec o m p o s i t i o no fm o n i t o r i n gs u b s y s t e m ，a n df o r m u l a t e sa c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lo fi n t e r f a c eb e t w e e nm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tc e n t e ra n dc a t - 5u t p d i s t r i b u t i o ns y s t e m i nt h i sp r o t o c o l ，h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ei su s e di nr e p e a t e rm o n i t o r i n gs y s t e m s o u t hi n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a n dt h a te v e r yl a y e r sf u n c t i o ni si n d e p e n d e n tf r o me a c h o t h e ri m p r o v et h ee x p a n d a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 b a s e do nt h i sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，m a i nm o n i t o r i n gf u n c t i o n so fc a t - 5u t pd i s t r i b u t i o ns y s t e ma r ea n a l y s e d ，a n d c o m m u n i c a t i o np u r p o s e ，c o m m u n i c a t i o np r o c e s so fe a c hf u n c t i o na n dm e s s a g ef o r m a ta r eg i v e n o u t ，a n dm o n i t o r i n gm o d u l ei sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d a tl a s t ，t h es o f t w a r eo fm o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n tc e n t e ri sd e v e l o p e d i th a sf o u rl a y e r s ：c o m m u n i c a t i o nl a y e r , p r o t o c o ll a y e r , d a t a b a s e l a y e ra n di n t e r f a c el a y e r , a n de a c hl a y e r sf u n c t i o ni sd e s c r i b e da n di m p l e m e n t e d l o c a lm o n i t o r i n g a n dr e m o t em o n i t o r i n ga r er e a l i z e ds e p a r a t e l yb yl o c a ls e r i a l p o r ta n dc d m am o d e m ( s m s ) c o m m u n i c a t i o nw a y s a tl a s t ，m o n i t o r i n gs u b s y s t e mt e s tp l a t f o r mi sb u i l t ，u s i n go n ec uw i t ho n er u s t r u c t u r e d i f f e r e n tp i no fc ui n t e r f a c ei sc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n tm o n i t o r i n gd a t a ，a n dc h a n g e so f i l 杭州电子科技大学硕十学位论文 i n t e r f a c ed a t aa r ec o n t r o l l e db yi n p u t i n gd i f f e r e n tv o l t a g et op i n t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tv o l t a g e c h a n g e so fp i nc a nb er e f l e c t e di nt h ei n t e r f a c ea to n c e ，a n dt h e ni n d i c a t e st h a tt h em o n i t o r i n g s u b s y s t e mc a na c h i e v em o n i t o r i n gf u c t i o n so fc a t - 5u t p d i s t r i b u t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：c a t - 5u t p , i n d o o rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，r e l a yu n i t ，m o n i t o r i n gs u b s y s t e m ，m o n i t o r i n g a n dm a n a g e m e n tc e n t e r l l l 杭州电子科技人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 移动通信的发展 我国公众移动通信起步于2 0 世纪8 0 年代，1 9 8 7 年在广州、上海率先引入t a c s 模拟蜂 窝移动通信系统【l j ，经过近3 0 年的发展，我国己成为全球移动用户最多的国家。工信部发布 的数据显示，截止2 0 1 1 年6 月底，全国移动电话用户数已达到9 2 亿【2 】。移动通信就其发展 历程看，大约每十年就更新一代，目前正处于第二代( 2 g ) 与第三代( 3 g ) 的交接期。第一 代移动通信t a c s 系统由于满足不了大容量移动通信的需求，已于2 0 0 1 年1 2 月3 1 日被关闭； 第二代移动通信g s m 系统规模最大，拥有的用户数最多，c d m a 系统也得到了广泛的应用； 第三代移动通信有三大标准：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和我国具有自主知识产权的t d s c d m a 。 2 0 0 9 年1 月7 日，工信部为中国联通、中国电信和中国移动发布了三张3 g 牌照，分别运营 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 引，目前我国已经进入3 g 移动通信的全面运营阶段。 第一代模拟蜂窝移动通信系统简称1 g ，最早是由美国的贝尔实验室提出的，于2 0 世纪 7 0 年代末8 0 年代初开始商用。a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 是第一个真正意义 上的随时随地通信的大容量的蜂窝移动通信系统。另外，具有代表性的还有欧洲的t a c s ( t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、北欧的n m t 及日本的h c m t s 系统等。从技术角度 上看，这些系统都采用频分多址f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 方式实现对用 户的动态寻址功能。蜂窝式网络结构可以满足用户数量增长的需求，频率规划实现了载频复 用，扩大了服务范围【4 j 。 第二代数字蜂窝移动通信系统简称2 g ，于2 0 世纪9 0 年代初开始商用，其中具有代表性 的有欧洲的g s m ( g l o b a ls y s t e m sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 和北美的i s 。9 5 ，另外还有日 本的p d c 系统等。我国是g s m 用户最多的国家，自投入商用以来，g s m 稳步发展，不断 得到验证。从技术特色上看，与第一代移动通信系统相比，第二代移动通信系统在容量和功 能上都有了很大提高，但在系统构成上差别不大，主要在多址方式、调制方式、信道编码、 分集技术等方面采用了数字技术。g s m 采用时分多址t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 方式实现对用户的动态寻址功能，i s 9 5 采用码分多址c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 方式实现对用户的动态寻址功能，不同用户被分配到不同的码道里；g s m 和i s 9 5 分别采用 g m s k 和q p s k 数字式调制方式；g s m 和i s 9 5 分别采用帧间交织方式和块交织方式抗时间 选择性衰落；g s m 和i s 9 5 分别采用自适应均衡和r a k e 接收技术抗频率选择性衰落与多径 干扰。 第三代移动通信系统简称3 g ，它以多媒体业务为主要特征，于2 1 世纪初投入运营。其 中具有代表性的有欧洲与同本的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 和我国具有自主知识产权的 杭州电子科技人学硕十学位论文 t d s c d m a ，另外还有北美的w i m a x 和欧洲的d e c t 。第三代移动通信系统支持室内环境 下2 0 4 8 k b i f f s 、车辆环境下1 4 4 k b i t s 、步行环境下3 8 4 k b i t s 。w c d m a 标准继承了g s m 标准 化程度高和开放性好的特点，实现了核心网络基于g s m g p r s 网络演进，并保持与 g s m g p r s 网络的兼容性【5 】。目前全球7 0 以上的运营商选择w c d m a 标准建设网络。 c d m a 2 0 0 0 系统可以在原来i s 9 5 系统的基础上平滑升级而成。从技术特色上看，3 g 中引入 了业务的动态性，用户可以选择话音业务、数据业务，还可以选择多媒体业务，并且用户选 择业务是随机的。w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 采用频分双工( f d d ) 的工作方式，而t d s c d m a 采用时分双工( t d d ) 的工作方式。在3 g 中采用多用户检测、智能天线技术、发端分集、 空时编码技术来克服多址干扰，采用o v s f ( 正交可变扩频因子) 码满足不同速率业务的需 求。另外在数据业务方面采用t u r b o 码，使误码率降低。 1 2 室内覆盖产生的背景 随着社会经济的高速发展，城市中建成了大量购物中心、酒店、住宅楼、地铁和地下停 车场，移动台在室内的使用频率越来越频繁。尤其是在高级写字楼和交通集散地，移动信息 的沟通和交流需求日益增加。用户不再满足于室外良好的通信质量，同时也要求无线通信环 境在室内也达到无缝覆盖。 室内移动通信存在以下几个问题： ( 1 ) 覆盖方面 移动信号经建筑物屏蔽后，信号强度变弱，在建筑物内部不能完全覆盖，有些角落场强 很弱甚至没有场强。3 g 工作在超短波频段，电波绕射能力比2 g 信号差，穿透损耗较大，跟 2 g 网络相比，在建筑物内部3 g 网络会有更多弱信号区出现，用户打电话时特别容易掉线【6 】。 ( 2 ) 容量方面 一些建筑物如客运中心、大型超市，由于人口密度大，某一时间有很多人使用电话，而 信道资源有限，用户接入网络困难，容易造成网络拥塞。 ( 3 ) 质量方面 在建筑物高层，终端能够接收到来自周围多个基站的导频信号，这些导频信号场强接近， 而且有时没有一个信号的强度足够大而成为真正的主导频【| n ，当通过某一导频信号接入到基 站后，其他导频信号就是干扰，使得与基站的连接不稳定，不同时刻与不同的基站互连，并 在这些基站间不停的切换，这就是乒乓切换效应。 室内覆盖正是为了解决以上问题而提出来的。室内覆盖是一种能够明显提高室内无线通 信质量的方法，通过室内分布系统实现基站信号在室内均匀分布，使室内拥有良好的无线覆 u 皿o 传统室内分布系统没有把有限的功率覆盖到手机用户最主要的活动区域，导致吸收话务 的能力不强。利用五类线将信号引入室内进行覆盖，以“赠送v i p 用户终端”的名义，真j 下 解决了天馈入户困难的问题，这就是本文所讲的五类线分布系统。 2 杭州电子科技人学硕十学位论文 1 3 直放站监控系统概述 直放站是一个射频信号功率增强器，是一种解决通信网络延伸覆盖能力的优选方案和实 现“小容量、大覆盖”目标的必要手段之一【s l 。直放站是否正常运行直接关系到整个通信网 络的运行状况，直放站主要在室内、偏远山区等信号薄弱的地方使用，有些直放站所处的地 理环境复杂，不能时常人工巡检，必须设计一套监控系统来实时监控直放站的工作状态，及 时发现和解决设备故障，保障直放站可靠运行 9 。直放站监控系统主要用来监控直放站内部 各个模块的工作参数、环境和故障情况。 1 3 1 直放站监控系统的发展历程和现状 到目前为止，直放站监控系统主要经历了四个阶段的发展。 ( 1 ) 简单的车间调测阶段 第一阶段监控系统是为了满足自动化的需求而开发的，在生产车间技术人员用其主要完 成生产测试和工程开通时简单的参数调测，使得直放站生产时指标调测工作量减少【1 0 】。主要 采用电缆直连的通信方式，如图1 1 所示。 i 本地操作维护中心l 电缆直连 i 直放站 l li 图1 1 简单的车间调测阶段监控系统结构图 ( 2 ) 初级的远程监控阶段 第二阶段监控系统实现了直放站远程参数调测与告警管理。采用的管理方式很有效，主 要采用9 6 k b s 的异步p s t n 数传通信方式，使用厂家自定义的协议交换数据。该阶段监控系 统能够管理的直放站数量有限，结构如图1 2 所示。 图1 2 初级的远程监控阶段监控系统结构图 ( 3 ) 集中网管监控阶段 随着直放站的大量使用，维护成本也随之增加，如何实现直放站的集中监控引起了各大 运营商的高度关注。第三阶段监控系统在同一个平台上对不同厂家的直放站设备进行集中监 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 控，为运营商提供了集中式网管监控解决方案，实现了多个网络( g s m 9 0 0 、c d m a 8 0 0 等) 统一管理、多种设备统一监控、多种协议统一接入和多种功能统一使用。监控系统结构如图 1 3 所示。 图1 3 集中网管监控阶段监控系统结构图 ( 4 ) 综合网管监控阶段 第四阶段监控系统由多个功能相对独立的部分组成，与第三阶段监控系统相比，结构和 功能都有了很大变化，如直放站的工作状态能够实时发送到维护人员的手机上，使得直放站 产生故障后能够立即修复。该阶段监控系统更能满足运营商实际运营要求，监控系统结构如 图1 4 所示。 图1 4 综合网管监控阶段监控系统结构图 目前，国内外有很多企业生产直放站，如广州京信、武汉虹信、上海欣民等，其中广州 京信的监控系统在功能和操作方便性方面更具特色，市场占有率也较高。虽然这些公司的直 放站监控系统各具特色，但总体来讲，大多数直放站监控系统仍采用监控终端、通信信道和 远端监控中心三部分组成。监控终端大多采用单片机作为主控制器，也有少量使用d s p 作为 处理器，监控终端采集直放站内部的现场数据，然后利用移动网络或公共电话交换网( p s t n ) 4 杭州电子科技人学硕十学位论文 以短消息或语音数据的形式把现场信息发送到监控中心，或者把监控中心发送的命令信息通 过移动网络传到监控终端，以达到对直放站的控制和监控。监控中心主要使用v b 开发的监 控应用软件，在监控中心应用软件方面，技术已经比较先进。随着通信网络的日益庞大和用 户的需求提高，采用以前的直放站监控系统随之暴露出一些问题，一是由于采用单片机作为 处理器，处理事务相对较少；二是采用短信方式传输数据，费用成本相对较高，传输速度较 慢。 1 3 2 直放站监控系统的组成结构 直放站监控系统由监控模块、通信信道和监控中心三部分组成】。监控模块安装在直放 站设备内部，主要完成设备上电初始化与自检、数据采集及传送数据到监控中心的功能。在 硬件实现上，可以采用单片机或a r m 作为主控制器。通信信道完成监控模块与监控中心的 数据传输，可以采用p s t n 数传、m o d e m ( s m s ) 、m o d e m ( p s 域) 和有线i p 等通信方 式。监控中心安放在机房内，完成对直放站设备的状态检测和远程设置以及对告警信息的处 理。直放站监控系统组成结构如图1 5 所示。 p s t n 数传 g s m c d m a t c p i p 图1 5 直放站监控系统组成结构 1 3 3 直放站监控系统管理功能 直放站监控系统应能提供配置管理、性能管理、告警管理、系统管理、用户管理等管理 功能【1 2 1 。 配置管理：读取和修改直放站的参数，由监控管理中心发起。设置值保存在直放站设备 掉电可保存的存储器中，在设备重新启动时，根据这些值来重新恢复各项参数值。 性能管理：实时采集直放站设备所有的性能参数，由监控管理中心发起，实现对网络性 能的监测。 告警管理：当直放站设备发生故障时，应能及时向监控管理中心发送告警信息，并以声 音、颜色变化等方式通知维护人员，确定故障的性质和位置，及时解决故障，恢复设备的正 常运行。 系统管理：为用户提供简单直观的界面，方便用户对直放站设备进行操作维护管理。 用户管理：为不同级别的用户提供不同的系统访问权限，只有输入正确用户名和密码的 用户才能进入系统，才能对系统的参数进行查询和设置。 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作与论文内容安排 针对c d m a 室内覆盖中存在的弱覆盖区、覆盖盲区、导频污染等问题，提出了一种家庭 手机用户能够接受的入户覆盖方案一五类线分布系统，以“赠送v i p 用户终端”的名义，真 正解决天馈入户困难的问题。实现了对五类线分布系统的监控管理，制定了五类线分布系统 的监控子系统南向接口通信协议，并根据此协议，完成了监控系统监控模块的设计和监控管 理中心软件的设计与实现。 论文内容安排如下： 第一章介绍了移动通信的发展历程、室内覆盖产生的背景以及直放站监控系统的发展历 程、组成结构和管理功能。 第二章介绍了室内覆盖的实现方法，直放站的分类，各类型直放站的原理和特点，以及 直放站的主要技术指标。讨论重点是直放站对施主基站底部噪声抬升的影响。 第三章介绍了五类线分布系统的组成结构和特点，以及中继单元的设计与实现。 第四章讨论了监控子系统的组成结构和监控子系统南向接口通信协议，并对监控子系统 南向接口对直放站设备提供配置管理、性能管理、告警管理和远程升级等功能进行了分析， 对各功能通信行为、通信过程进行了定义，最后探讨了监控模块的设计和实现。 第五章是论文的重点和难点，探讨了监控管理中心软件的设计和实现，就通信层、协议 层、数据库层和界面层的设计和实现分别进行了讲解。并搭建了监控子系统测试平台，对主 要功能进行了测试。 第六章是全文总结，并对下一步要进行的工作进行了展望。 6 杭州电子科技大学硕十学位论文 第2 章室内覆盖系统和直放站概述 对于第三代移动通信系统( 3 g ) 而言，由于其工作在2 0 0 0 m h z 频段，与2 g 相比，移动 信号绕射能力更差，穿透损耗更大，因此存在着更多的弱信号区和信号盲区。在网络工程建 设中，需要采用室内覆盖系统将基站信号进行延伸，以解决弱区和盲区覆盖问题，提高室内 覆盖指标，改善通话质量。 2 1 传统室内覆盖方案 传统室内覆盖系统是由信号源和室内分布系统组成。下面分别介绍信号源和室内分布系 统。 2 1 1 信号源 信号源分为宏蜂窝基站、微蜂窝基站和直放站三种，应根据待覆盖区域的话务需求、周 围网络情况和采用的室内分布系统的类型来选择信号源【1 3 】。 宏蜂窝基站以较大的功率发射射频信号，覆盖半径大，服务区信号质量好，能够满足高 话务需求，同时扩大了系统的容量。但成本较高、安装不方便，特别是在话务量不高的情况 下，宏蜂窝基站的利用率较低。在覆盖面积较大和话务量较高的场所时，宏蜂窝基站具有独 特的优势。 微蜂窝基站输出功率没有宏蜂窝基站大，作为信号源时，具有成本低、安装方便的优点。 在话务量不高的情况下，会有部分话务量没有被使用，造成资源的浪费，微蜂窝基站利用率 不高。在覆盖面积中等和话务量中等的场所时，微蜂窝基站是首选。 直放站作为信号源时具有安装方便，成本低的特点。它的引入会影响施主基站底噪的抬 升，调试不当会造成适得其反的效果。当服务区域话务量较高时还会增加对施主基站小区的 负担。为了充分利用室外宏基站的容量，在覆盖面积较小和话务量较低的场所时，应选择直 放站作为信号源。 2 1 2 室内分布系统 室内分布系统实现信号源信号在建筑物内部各个地方的均匀分布，用来解决信号弱区和 盲区的覆盖问题。室内分布系统有很多种分类方法，可以根据使用器件或传输介质来分，室 内分布系统主要有无源电分布系统、有源电分布系统和光纤分布系统三种【1 4 1 。 2 1 2 1 电分布系统 通过功率分配器件和馈线将信号源信号传输到安装在室内各个位置的天线来实现移动信 号均匀覆盖，由于信号在馈线中传输具有损耗，导致移动信号出现衰减，可以通过在信源与 天线之间引入干线放大器来补偿信号的衰减，使得天线口的功率达到一定要求。无源电分布 系统中使用的器件全是无源的，信源功率没有得到补偿；有源电分布系统引入干线放大器对 7 杭州电子科技人学硕十学位论文 移动信号进行了功率补偿。 2 1 2 1 1 无源电分布系统 2 1 2 1 1 1 无源电分布系统的构成 无源电分布系统主要由功分器、耦合器、合路器、馈线、室内天线等组成。 ( 1 ) 功分器：是等功率分配器件，常见的有二功分、三功分、四功分等类型； ( 2 ) 耦合器：提取部分信号，将信号分配到不同的支路上，是一种非等功率分配的功率 分配器件，常见的有5 d b 、6 d b 、1 0 d b 、1 5 d b 、2 0 d b 、3 0 d b 和4 0 d b 等种类； ( 3 ) 合路器：它将不同制式的基站信号合路成一路信号，大致可以分为两类：通带相连 的合路器和通带非相连的合路器。通带相连的合路器能将多个同频段信号合成一路信号输出； 通带非相连的合路器能将多个不同频段的发射和接收信号合路成一路信号【l5 1 。多用于建筑物 分布系统中的信号源合路中； ( 4 ) 馈线：传输信号的媒介，室内分布系统中多使m r 2 ”和7 8 ”英寸馈线； ( 5 ) 天线：室内分布系统中采用的天线主要有定向天线和全向天线两种，与室外基站使 用的天线相比，具有安装方便、发射功率小、体积小的特点，符合“小功率，多天线 的室 内覆盖设计思想。 2 1 2 1 1 2 无源电分布系统的工作方式 通过直放站的施主天线直接从附近基站提取信号，信号引入采用空间耦合方式，即通过 采用施主定向天线引入信号。然后通过耦合器、功分器等无源器件进行分路，经馈线将信号 传输到建筑物内各个区域的低增益天线，实现将室外信号引入室内。施主天线一般采用增益 高、方向性较好的定向天线，它是基站和直放站间沟通的桥梁。用户天线一般采用全向天线 或方向性板状天线，用于向覆盖区发射信号和接收用户手机信号。该方式主要用于中小型地 区。对于地铁、隧道等狭长且有弯道的覆盖场景，一般采用泄露电缆分布方式。该方式信号 传输采用泄漏电缆，泄漏电缆上有一系列开口，这些开口就相当于一系列天线，通过在外导 体上产生表面电流，从而在电缆开口横截面上形成电磁场，从而实现信号发射和接收，该方 式具有场强分布均匀的优点【l6 1 。 2 1 2 1 1 3 无源电分布系统的特点 无源电分布系统主要有以下特点： ( 1 ) 成本低； ( 2 ) 设备发生故障的概率很低：由于室内分布系统由一系列无源器件组成，几乎不会发 生故障； ( 3 ) 信号分路容易实现：可通过功分器、耦合器实现信号的分配，且功分器、耦合器种 类多，能够满足各种需求； ( 4 ) 服务范围有限：由于室内分布系统中没有使用功率放大器件，信号源信号功率有限， 同时信号在馈线中传输时会产生衰落，导致到达天线口的功率不会很大，有效服务范围不可 能无限大，一般可以覆盖十几层楼。 8 杭州电子科技大学硕十学位论文 2 1 2 1 2 有源电分布系统 2 1 2 1 2 1 有源电分布系统的构成 射频信号在经过了功分器、耦合器、合路器和馈线的分配和传输后出现了比较大的衰减， 而有时我们的覆盖区域又比较大，到达天线口的功率难以实现较好的信号覆盖，为了实现良 好的覆盖质量，就必须在适当的位置加装有源器件( 如干线放大器) 对信号功率进行放大。 有源电分布系统中除了要用到无源电分布系统中的器件外，还要用到有源器件对功率进 行放大，使得天线口的功率达到一定的要求。 2 1 2 1 2 2 有源电分布系统的工作方式 有源电分布系统的工作方式跟无源电分布系统的工作方式差不多是一样的。但在系统中 的某些位置增加了有源器件对线路损耗进行补偿，再经天线对室内各个区域进行覆盖。因为 有源设备的引入，天线口的功率比较大，扩大了服务的范围。 但是，干线放大器的给网络的影响也很明显，它的引入会给系统带来底部噪声抬升、主 干线路载干比变差、服务质量下降等，特别是当多级干线放大器级联时，上级干放的噪声会 被下一级干放进行放大，形成噪声的累积，这些噪声将严重影响系统质量，在工程设计中， 应杜绝干线放大器级联的现射丌。 2 1 2 1 2 3 有源电分布系统的特点 与无源电分布系统相比，有源电分布系统由于采用了有源器件，可以连接更多的天线， 覆盖范围明显增加，但是有源器件经常会出现故障，这样导致了维护的麻烦，而且成本也要 比无源电分布系统高。 2 1 2 2 光纤分布系统 采用基站直接耦合方式获取信号，从基站引出的信号经过光中继端机完成电光转化后， 经过光纤传输到光远端机，光远端机将光信号转换为电信号，经放大后由天线对室内各个区 域进行覆盖【1 8 1 。电分布系统由于受到功率和上行信号损耗的限制，覆盖范围有限，但光纤的 传输损耗小，布线也比同轴电缆方便，适用于覆盖距离基站较远，面积较大大的室内区域， 但需要较高的投资成本。 综上所述，在选取室内分布系统时，应根据覆盖区域的具体情况而定。为了节省成本， 大都采用电分布系统，当服务范围较大，距离基站较远时，一般采用光纤分布系统。 2 2b b u + r r u 方案 2 2 1 b b u + r r u 方案的组成结构 b b u ( b a s eb a n du n i t ) 是基带共享资源池，根据业务情况分配基带资源给它使用。在业 务处理过程中，系统可以根据实际情况动态调整基带与射频两者的配置关系【l9 1 。当小区出现 坏的基带资源时，如果有冗余的基带资源，可以用来代替原来坏的基带资源，使小区能正常 工作；如果没有冗余的基带资源，为了避免出现不能使用的小区，应重新分配基带资源。b b u 主要完成主控、时钟、基带处理以及与r n c 之间的l u b 接口处理。 9 杭州电子科技大学硕+ 学位论文 r r u ( r e m o t er a d i ou n i t ) 即远端射频单元，具有四通道发信和收信功能，既可以将基 带i q 信号变换成射频信号通过天线发射出去，又可以将天线接收的射频信号变换成基带i q 信号，然后通过光纤传送给b b u 。在基带接口，通过光纤与b b u 相连，在射频接口，通过 电缆与天线相连。可以将多个r r u 组合来支持更多的通道。r r u 主要实现数字中频、收发 信机、功率放大器和低噪声放大器的功能【2 0 1 。b b u + r r u 方案的结构如图2 1 所示。 图2 1b b u + r r u 方案结构图 b b u + r r u 组成一般意义上的基站，它将基站的基带部分和射频部分分开，b b u + r r u 方案又被称为多通道光纤到楼层【2 1 1 ，如图2 2 所示。b b u 与r r u 通过光纤来传输基带信号。 r r u 可以直接与天线连接覆盖室外，也可以作为信源与室内分布系统相连来覆盖室内，一般 将r r u 放在建筑物的地下车库。 图2 2 多通道光纤到楼层 2 2 2b b u + r r u 方案的特点 b b u + r r u 方案具有以下特点： ( 1 ) 与传统单通道方式相比，多通道的覆盖区域在物理上是分离的，因此通道间具有很 好的隔离特性，能有效地降低干扰。 ( 2 ) 基带资源是共享的，扩容能力强。 1 0 杭州电子科技人学硕+ 学位论文 ( 3 ) 节约站址资源，b b u 可以和r n c 等集中放置在中心机房，r r u 体积小，可以直 接挂在墙上，不需要站址资源。扩容、补盲及解决热点地区覆盖问题时，不用增加站址。扩 容可以通过增加b b u 基带处理能力来解决，补盲可以通过增加r r u 方式快速实现，将盲区 和临近区域设置成同一个小区。对于热点地区的覆盖问题，可以通过新增r r u ，并将它与其 他r r u 配置成不同小区。 ( 4 ) 使用光纤作为传输介质，最远可以传输4 0 k m ，传输损耗小，到达待覆盖区域的信 号强，不需要干线放大器，也就减少了对系统的干扰，并且光纤容量大，容易实现扩容。 2 2 3 信源拓扑 b b u + r r u 方案可以形成复杂的信源拓扑结构，如串联结构和并联结构。 对于串联结构，系统可靠性可表示为各单元可靠性的乘积： 已 k = f _ l ，2 ，l( 2 1 ) 百 在此，我们假设各单元是相互独立的。其中k 为系统可靠度，岛是第f 个单元的可靠度。 由于后级r r u 的可靠性是依赖于前级r r u 可靠性的，导致后级r r u 的可靠性很难得到保 证【2 2 1 。 并联结构中，各r r u 的可靠性是相互独立的，如图2 3 所示。但b b u 的光口数一定， 就无法实现完全并联的拓扑结构，一般采用串并混合的结构，如图2 4 所示。 图2 3 并联结构图 2 3 直放站概述 图2 4 串并混合结构 2 3 1 直放站分类及应用 随着移动通信的发展，为了对无线信号进行放大，一种无线通信设备一直放站应运而生。 最初的直放站设备体积大、价格昂贵、各项指标也较差，引入直放站后对网络产生了很大的 影响。直放站的大量应用出现在第二代数字蜂窝移动通信系统中，已经成为网络优化的重要 设备。直放站不需要很长的建设周期，在解决低话务地区的室内深度覆盖比基站有较大的优 杭州电子科技火学硕士学位论文 势。它没有基带处理模块，不对无线信号进行解调，只对无线信号进行中继和放大，这是它 与基站的不同之处。采用直放站是一种既经济又能快速提高网络质量的方法。 直放站有很多种分类方法，根据使用施主天线还是使用耦合器提取基站信号，可分为无 线直放站和光纤直放站，无线直放站又包括无线同频直放站和无线移频直放站；根据直放站 接入的网络，可分为c d m a 直放站和g s m 直放站；根据使用器件的带宽，可分为宽带型直 放站和选频型直放站【2 3 1 。 直放站主要有以下应用： ( 1 ) 扩大覆盖范围，使用户在任何地方都可以进行通信； ( 2 ) 解决现有室内覆盖中存在信号弱区和信号盲区的问题； ( 3 ) 疏忙，将空闲基站的信号引到繁忙基站的覆盖区，使得繁忙基站覆盖区的移动台使 用空闲基站的容量，使空闲基站闲余话务量得到使用，可有效缓解网络繁忙问题，提高了基 站的利用率； ( 4 ) 在郊区增强场强，扩大基站的覆盖范围。 2 3 2 无线同频直放站的原理及特点 2 3 2 1 无线同频直放站的原理 无线同频直放站通过施主天线接收施主基站的射频信号，将信号放大后再通过重发天线 发射出去，施主天线接收到的信号与重发天线发射的信号具有相同的频率，因此称为无线同 频直放站。 无线同频直放站的组成框图如图2 5 所示，可见它主要是由滤波器和放大器组成的。对 于g s m 直放站，先将接收的信号进行下变频，从9 0 0 m h z 射频信号变为7 1 m h z 中频信号， 然后经过带宽为2 0 0 k h z 的中频滤波器放大处理后将中频信号再上变频到9 0 0 m h z 射频信号， 并进行功率放大，最后通过重发天线发射出去，对服务区域进行补盲覆盖【2 4 1 。g s m 采用f d d 的工作方式，收发频率相差4 5 m h z ，所以对于无线同频直放站来说就有上行和下行两个通路。 上行信号处理过程与下行信号完全一样，在此不再赘述。 下面对无线同频直放站的主要模块和功能进行介绍。 ( 1 ) 双工器( 含滤波器) 双工器主要作用是使发射信号和接收信号之间的隔离度满足特定要求并滤除杂波信号。 滤波器具有抑制带外干扰、杂散干扰和相邻波道干扰的功能。 ( 2 ) l n a ( 低噪声放大器) 低噪声放大器放大信号功率，与其他放大器相比，它具有更低的噪声系数，在直放站中， 上行信号和下行信号都要首先经过低噪声放大器放大。 ( 3 ) 功率放大器 功率放大器的主要功能是放大信号到合适的输出功率，它是直放站的重要组成部分。为 保证输出信号的质量，功率放大器应工作在线性工作区。 1 2 杭州电子科技大学硕十学位论文 ( 4 ) 监控模块 监控模块集成在直放站内部，它可以检测直放站内部各个器件的工作情况，并根据要求 对主要参数进行设置，通过所带的无线m o d e m ，可以将直放站的运行情况报告给监控管理中 心。引入监控模块主要是为了及时发现问题，并上报给监控管理中心，