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GSM飞地覆盖系统 二零零九年一月 1 飞地系统直放站村村通解决方案飞地系统介绍飞地系统直放站介绍飞地系统解决方案 2 飞地系统介绍 一 飞地系统介绍二 飞地系统优越性分析 3 一 飞地系统介绍 1 背景介绍自信息产业部提出解决村村通工程以来 目前全国村通率达到90 距 十五 规划中村通的目标还有近4万个行政村的任务 各移动通信运营商作为重要的运营企业 承担了很多村村通覆盖任务 各运营商进行农村地区的网络建设存在诸多的实际问题 如 偏远乡村的地域广 受经济条件制约 通信状况较差 且配套设施落后 话务量低 一些风景旅游区只是节假日时话务量较高 距离城镇较远 接收不到来自城镇的基站信号 采用原频率进行传输 900MHz和1800MHz 则易受外界环境影响 无线传播路径损耗较大 山区地型复杂 原频率绕射能力不强 信号容易被阻挡 4 运营商建网初期面临高投入 低回报的压力 因此需采用一种受外界环境影响较小 绕射能力强的系统进行传输和覆盖 实现对农村的大区域的无线通信服务 针对以上情况 福建新大陆通信公司研发出GSM飞地系统直放站 即利用200MHz频段进行远距离传输 在目标区域采用移频直放站还原为900MHz进行覆盖 大大增加了可靠传输距离 减少了投资 可以有效解决城市频率资源较为紧张的覆盖区和多丘陵 多山 森林类复杂地形下的 孤岛覆盖 村村通工程 应急通信和远距离监控等典型的应用场景 5 飞地系统是一种把GSM信号移频到低频频段中进行远距离传输的系统 它在近端把GSM频段信号选频并移频至1M 4M带宽200MHz频段 在远端把信号还原于原频段 进行线性放大后覆盖 2 1系统构成飞地覆盖系统构成如下图所示 主要由五部分组成 1 近端机近端机的主要作用是对GSM上行和下行信号进行滤波 移频和放大 2 飞地系统介绍 6 2 中继天线面向近端机 远端机 的定向天线 接收和发射移频信号 3 远端机远端机的主要作用是对近端机放大的中继频率信号进行滤波 再移频到所需的频率 900MHz或1800MHz 同时进行放大 实现对覆盖区域的信号覆盖 4 重发天线面向盲区覆盖的定向天线 发射近端机的下行信号 接收手机的上行信号 5 操作维护中心对飞地系统进行远程监控 保证系统的稳定运行 7 近端机既可安装在施主基站机房内 通过射频电缆直接耦合基站的信号 也可以根据环境的需要将近端机安装在基站覆盖区内的其他地方 如下图所示 远端机机安装在盲区 飞地系统近端机和远端机之间的无线链路为施主链路 链路占用150MHz 250MHz的频段 8 飞地系统通过近端机将基站900MHz信号变成150MHz或250MHz微波中继信号传输给远端机 远端机再将该150MHz或250MHz微波信号变频成基站900MHz下行信号发射给移动台 上行链路也一样 这样扩大了基站的覆盖范围 以基站4载频配置为例 下图即为GSM飞地系统近端机和远端机的原理框图 近端机原理图远端机原理图 2 2系统原理 9 2 3飞地系统与其他直放站系统的比较飞地系统由于其特殊的选频和中继能力 使其具备了一般直放站系统没有的特性 下表对宽带直放站 移频直放站 光纤直放站和飞地系统进行了比较分析 因此对于地形复杂的环境 飞地系统相比较的优势使其成为解决GSM信号远距离传输和覆盖的重要方案 10 二 飞地系统优越性分析 1 飞地系统中继和覆盖能力分析飞地系统使用150MHz至250MHz频段 和GSM900或GSM1800频段相比 飞地系统频段电波绕射能力更强 传播损耗更小 更适合特殊地形下GSM信号的远距离传输和覆盖 1 1绕射能力分析电磁波具有类似光波的特性 近距离传输时 由于功率余量大 即使中间有阻挡也能够通过反射波或天线旁瓣进行通信 但远距离时 一定要求收发天线之间实现 视线无阻挡 11 菲涅尔半径的计算公式如下 R 0 5 D 0 5 为波长 3 108 f 米 D为两天线的距离 因此在山区等障碍物较多的非视距传播环境下 飞地系统有较强的克服地形环境传输的能力 12 1 2空间传输损耗分析信号在自由空间的传播损耗与信号的频率密切相关 信号频率越高 单位距离的衰耗越大 信号在自由空间的衰耗损耗PL可由下式计算 PL dB 32 45 20lgf 20lgd假设传播相同的距离 900MHz信号将比150MHz或250MHz信号多衰减 20 lg900 lg150 15 56dB比250MHz信号多衰减 20 lg900 lg250 11 85dB因此 900MHz在自由空间的损耗是150MHz信号的32倍 是250MHz信号的16倍 在其他条件不变的情况下 150MHz 250MHz可以传输更远的距离 13 1 3中继和覆盖能力飞地系统的传输能力取决于近端机和远端机之间的信号拉远能力 因此 飞地系统的拉远能力不仅与中继的发射功率有关 还要取决于环境的复杂度 在实际应用时 多应用中继功率为5W 10W的设备 其拉远距离如下 复杂的山区环境 拉远8 10KM 较为简单的环境 拉远10 15KM 飞地系统的远端机一般采用10W 20W进行覆盖 可实现直径为2 5KM区域的覆盖 14 2 频率资源需求分析 2 1飞地系统所需频率资源飞地系统将原有的占用离散频点的信号进行选频 利用2 3MHz带宽进行中继传输 在远端在将信号恢复到原有频点上 以下行为例 其过程如下图所示 15 为保证上下行之间及飞地系统与其他系统间的隔离度 飞地系统中继信号频率利用可采用2种方式 1 占用150MHz 250MHz间1个连续13MHz频谱 频谱占用情况如下图1所示 2 占用150MHz 250MHz间2个不连续的5MHz频谱 频谱占用情况如下图2所示 图1图2 16 2 2 各省频率资源分析为分析飞地系统可用频率资源 对全国主要省份150 250MHz频率资源进行了调研 和各地区的无委会进行了沟通 主要省份的调研情况如下表所示 17 全国150 250MHz频段资源使用情况如下 1 该频段资源使用存在着政府审批 各地无委会审批并备案 行业性应用 政府虽未审批 但某些行业一直占用 和私自占用 如个人对讲机 等多种复杂情况 2 从政府已审批资源来看 广播 航空 对讲系统和环保监测等无线系统主要占用了该频段的资源 3 多数地区无委会明确表示该频段监管存在难度 对讲系统和个人无线电系统经常占用该频段资源 4 多数省份在该频段无飞地系统可用的连续频率资源 5 由于郊区和农村等特殊情况 考虑到飞地系统传输路径多为地形复杂 人口密度低的地区 因此频率资源仍可灵活处理 18 3 投资成本分析由于村村通工程主要针对偏远乡村进行覆盖 故存在以下几个特点 1 村村通覆盖地区用户少 单位用户消费水平低 话务量不高 2 边缘地区道路崎岖 环境复杂 网建费用大大高于其他地区 3 村落 盲点区域 距周边基站较远 周边基站信号无法覆盖此区域 4 以一体化基站来覆盖个别的村落盲点需单独开通传输 投入成本过高 因此需要采取特殊的建设思路 以保证工程建设的高性价比 为最大程度地节省投资 需选取建站速度快 地形适应性强 易维护的系统 下面就传统的以大功率光纤拉远直放站覆盖和飞地系统覆盖这两种实现村村通的方案进行比较分析 19 3 1光纤拉远覆盖 上图所示 在乡镇的中心地带具有机房条件的地方架设拉远型宏站 满足中心地带本地的覆盖和容量需求 同时通过射频拉远接口 在周边地区架设大功率光纤拉远设备 通过光纤直连到宏基站的射频拉远接口 共享本地单元的基带处理能力 实现乡镇和农村区域覆盖 20 采用光纤拉远的覆盖方式必然要克服复杂的地形环境建设传输线路 不仅建设成本高 而且维护难度大 光纤拉远系统的成本主要分光纤近端和远端机设备费用 传输建设费用 配套费用和天线费用等 以10KM为拉远距离 光纤系统的成本如下 21 3 2飞地覆盖系统如果采用下图所示的飞地系统 则无需考虑复杂的传输施工和维护 投资以飞地近端机和远端机为主 仍然以10KM为拉远距离 飞地系统的成本如下 22 因此 在10KM拉远场景下 飞地系统的投资成本是传统光纤拉远系统的一半左右 拉远距离越远 飞地系统成本优势越明显 由于无需传输施工 飞地系统的工程周期将比传统工程大大缩短 23 GSM飞地系统直放站介绍 概述 系统主要特点及功能 系统构成及工作原理 系统特性指标 设备控制 调试接口 安装与维护 24 1 概述随着我国移动通信事业的飞速发展 移动通信用户量正不断地增加 建筑物等对电磁波的屏蔽效应 使得隧道 地铁 地下商城 娱乐城 停车场以及酒店 写字楼 地形复杂偏远的农村等以及一些封闭的大型建筑物内也无法正常接收移动通信信号 直放站是一种用于弥补移动网络中基站覆盖不足 扩大基站覆盖范围 填充覆盖盲区的一种极其有效的设备 而飞地系统直放站以其受外界环境影响小 绕射能力好 无线传播路径损耗小 投资成本低 可以灵活与基站配套使用 信道个数可随意选择 还具有热备份功能提高设备的可靠性 且对于移频中继频率可随意选择 占用带宽小 抗干扰能力强等优点被许多地方广泛试用 非常适用于偏远农村的村村通覆盖工程 该系统是依据 900 1800MHzTDMA数字蜂窝移动通信网直放站技术要求和测试方法 及企业标准 专门设计用于900MHzTDMA数字蜂窝移动通信网的全双工 线性射频的放大设备 作为移动通信网的一个组成部分 广泛应用于蜂窝移动通信村村通工程的网络优化中 25 2 系统主要特点及功能2 1主要特点1 全部采用模块结构 易于安装 维护及控制 2 近端机与远端机之间采用220 236MHz频率传输的方式 既有传输距离远 受外界环境影响小的特点 3 全部模块均采用RS485控制 均可通过上位机对各模块进行独立操作 查询 设置各模块的工作状态 因此设备具有工作稳定 覆盖效果好 现场设计 施工更为灵活的优点 4 设备采用多载频移频的方式 移频中继频率可随意设置 占用频带小 频率设置灵活 步进为200KHz 因此受外界频率干扰小 并且该设备中配有载频开关功能 当用户量增加时 可通过软升级的方式 打开关闭信道即可 不需增加载频板 26 5 一台移频近端机可拖多台移频远端机 覆盖更为灵活 更适用于农村 偏远地区 6 避免了同频干扰 可全向覆盖 干扰少 7 传输距离远 可达20公里以上 8 提供RS 232接口控制和监视状态及告警 9 全封闭室外型及后贴箱体散热片结构 10 功率调节动态范围宽 功耗低 系统噪声小 11 增益可调范围大 可通过上位机软件 对每一模块进行增益调节 系统增益调节范围大于60dB 系统最大增益可达110dB 调试方便 适用范围广 12 供电系统具有过压 过流 防雷保护 后备蓄电池功能以及输入电压动态范围宽可从AC160 AC290V 27 2 2主要功能1 AutoShut Down功能2 过输出保护功能3 开门告警功能4 ALC电平控制功能5 软件设置增益功能6 载频开关设置功能7 本机功率输出显示功能8 主要模块自测告警功能 28 2 3适用范围移频直放站的主要应用在以下场合 1 偏远山区和广大农村地区 2 海岛区域或景区覆盖 3 应急通信 4 远距离监控 5 地铁 隧道及室内分布系统 6 受地形影响的阴影区域 7 医院 商场等大型建筑物内 29 3 系统构成及工作原理3 1系统构成 基站耦合型移频直放站由五部分组成 1 移频直放站近端机直放站近端机主要提供对信号滤波 移频 放大 控制功能 30 2 移频直放站远端机直放站远端机主要提供对近端机放大的中继频率信号进行滤波 再移频到所需的频率信号进行放大 控制功能 实现对覆盖区域的信号覆盖 3 中继天线面向近端机 远端机 的定向天线 接收和发射移频信号 4 操作维护中心 5 重发天线重发天线主要是面向盲区覆盖的定向天线 接收手机的上行信号 发射近端机的下行信号 31 3 2工作原理近端机 1 基站的下行信号经过耦合后通过双工器输入到系统 双工器输出信号通过低噪声放大后 再进行移频 放大 滤波等操作把工作信道移频为移频信道后 在衰减单元里调节为适合于系统的电平后经过PA进行高功率放大 PA输出的移频信号最终通过中继天线发射出去 2 近端机的上行信号是由远端机的中继天线发射过来的移频信号通过近端机的中继天线输入进入系统进行低噪声放大后 再经过移频器进行移频 放大 滤波等操作后将移频信道移频至工作信道 然后在衰减单元里调整为系统所需要的电平 再通过PA进行功率放大 PA输出信号最终送入基站系统 32 远端机 1 近端机的下行移频信号通过中继天线输入 在双工器里与上行信号分离后 将所需要的信号输入到系统 双工器输出信号通过低噪声放大后 通过移频器进行放大 滤波 把移频信道移频为所需的工作信道 再经过PA进行功率放大 PA输出的工作信号最终通过重发业务天线来覆盖 2 远端机的上行信号是由手机发射过来的信号 通过远端机的重发业务天线输入 在双工器里分离出所需信号 双工器输出信号通过低噪声放大后 通过移频器进行放大 滤波 再把手机信号移频为移频信号后 通过PA进行功率放大 PA输出的移频信号最终通过中继天线发射出去 33 3 3系统框图如图 1 近端机 34 下行链路各模块主要指标 上行链路各模块主要指标 35 2 远端机 36 下行链路各模块主要指标 上行链路各模块主要指标 37 3 补充 PLL单元PLL单元为本振产生单元 完成产生一个高频本振信号的功能 此高频本振信号主要用为转换器内部的频率转换 利用此本振信号将射频信号混频到中频信号以及将中频信号转换为射频信号 以便于中频滤波器对带外杂散信号进行滤波 监控系统单元整机系统可以通过监控系统单元对整机的增益 功率 工作信道 移频信道等进行设置和查询 也可以通过该单元对系统内各模块的增益 功率 信道等参数进行设置 查询 38 4 系统特性指标4 1技术指标 1 移频近端机 39 40 41 2 移频远端机 42 43 44 4 3电源要求 4 2外形结构特征 45 4 4请当地移动公司配合的项目 提供引入信号基站的相关信息 协调设备安装地的业主关系 引入市电及抱杆的加工 安装 接地工程等事项 46 5 设备控制 调试接口5 1PC调试1 所需设备1 PC 台式机或笔记本电脑 1台2 本地网管软件 1套3 调试线 1根2 PC配置 最低配置 Pentium级以上 内存64M以上 分辨率1024X768以上5 2开发背景本系统由我公司专为村村通系统开发 本软件运用于通用计算机上 与主系统之间采用RS232串口通讯协议 实现了系统自动报警 系统设置 系统工作状态显示等功能 声明 本软件只适合本公司的配套产品 47 5 3系统功能介绍 监测硬件工作状态主要监测的对象如表1 1示 还包括电源工作的状态 表1 1监测对象表 48 系统设置功能主要包括以下三个方面 系统设置主要设置系统的报警阀值 包括 上温度报警阀值 下温度报警阀值 上交流报警阀值 下交流报警阀值 上直流报警阀值 下直流报警阀值 频点设置主要包括 900M和200M的工作频点的设定 链路设置主要如表1 2示 自动报警功能本系统可自动发现异常工作的器件 并进行报警提示 可尽量避免硬件的损坏 表1 2链路设置表 49 图2 1登陆界面 5 4使用方法首先使用9芯直通线线将PC机的串口和直放机的通信口相连 然后进入软件操作 1 点击可执行文件进入连接界面如图2 1示 50 2 连接串口 图2 2选择串口图图2 3连接图 图2 4连接状态显示图 51 3 手动更新功能点击手动更新如图2 5示 可显示目前状态下的系统相应数据 图2 7自动更新功能示意图 图2 5手动更新指示图 图2 6更新时间显示图4 自动更新功能设置设置更新周期后点击自动更新按钮 将定时更新界面的数据 如图2 7示 52 5 停止自动更新功能点击停止按钮 如图2 8指示 系统将停止自动更新功能 图2 8停止更新功能图6 报警显示功能如果出现异常 报警指示灯将变为红色 相应的数据也变为红色 并发生警笛 正常状态时数据为蓝色并且指示灯为绿色 温度报警左边灯为下温度报警 右边的灯为上温度报警如图2 9示 图2 9智能报警指示图 53 图2 10系统设置图图2 11系统设置图 7 系统设置功能系统设置用来设置系统的报警阀值 点击滚动按钮可改变阀值的大小 如图2 10示 阀值大小设定完毕后点击确定按钮完成设置 点击当前设置可回显当前的设置状态 如图2 11示 54 图2 12900M设置区域图2 13200M设置区域 8 频点设置功能该功能的使用方法与系统设置雷同 9 链路设置900M功放和900M低噪放的设置区如图2 12示 设置方法与系统设置相同 200M功放和200M低噪放的设置区如图2 13示 使用方法与上相同 55 6 飞地系统直放站应用和其他GSM延伸覆盖系统相比 飞地系统主要有以下优势 1 系统绕射能力强 传输距离远 2 抗干扰能力强 覆盖效果好 3 中继频率可以通过软件设置 占用频带小 频率设置灵活 4 工程设计简单 安装简便 成本低廉 5 一台近端可带多台远端 覆盖灵活 6 在电力引入困难区域可选用太阳能供电 7 特有的节能方式减少了不必要的能耗 大大降低了运营成本 因此飞地系统可以适应较为苛刻的自然环境 例如复杂地形下的孤岛覆盖 村村通工程 应急通信和远距离监控均是飞地系统较为典型的应用场景 56 6 1复杂地形下的孤岛覆盖 村村通覆盖 经过多年努力 移动通信网络覆盖已比较完整 但仍然存在很多远离城镇 被大山阻隔的山村 厂矿或临时作业区 这些点由于距离遥远 环境恶劣 投入巨大而一直处于通信的盲点 也是村村通工程需要解决的重点 这些地区具有以下特点 1 地形复杂 传输环境恶劣 2 目标地区容量需求一般 覆盖需求为主 3 远离周边基站 无法得到