GSM网络室外直放站的设计

GSM 网络室外直放站的设计 在 GSM 无线网络中由于各种原因的影响不可能达到完全的无缝隙覆盖 在一些偏远的农村 处于 盲区的厂矿企业采用室外直放站进行覆盖是一种快捷 经济的好办法 室外直放站系统的设计主要包括稳 定性设计和覆盖设计两个方面 1 直放站的稳定性分析 直放站实际上是一种特殊的放大器 在下行链路上 其输入端就是放大器的上行天线接口 输出端 就是下行天线接口 在上行链路上恰与此相反 同时它又是一种上下行天线之间存在信号耦合的反馈放大 器 根据放大器的稳定性理论 要使放大器稳定须满足幅度平衡条件 AF 1 式中 A 为放大器的开环增 益 F 为放大器反馈系数 同时还要满足反馈信号与输入信号同相 这称之为相位平衡条件 下面对直放站的稳定性进行分析 直放站是上下行信号都放大的双向放大器 一般上行增益要比下 行增益小几 dB 只要下行放大器稳定就能保证整个直放站的稳定 直放站的稳定性分析实际上就是下行 链路的稳定性分析 由于无线信号的多径传播 直放站系统中的重发信号经过反馈路径总有某些信号分量 与输入信号同相 要使系统稳定必须从幅度平衡条件考虑 将 AF 1 表示为 dB 形式 G L 0 或 G L 1 G 为放大器的开环增益即直放站主设备两天线接口之间的增益 L 为反馈路径的损耗 信号从下行 天线接口至上行天线接口之间的损耗 一般情况下直放站的最大增益是固定的 它等于设备内各放大环节最大增益之和 在实际应用中 设备并非工作于最大增益状态 而是在满足覆盖要求的增益下运行 称之为工作增益 Gw Gw Po Pi 2 其中 Po 为直放站的输出功率 两载频设备一般在 33dB 左右 Pi 为设备输入功率 Po Poa Gtx 3 Pi Pia Grx 4 Gtx Grx 分别为上行和下行天线的增益 Poa Pia 分别为整个直放站系统 含天线 的输出和 输入的信号功率 根据以上关系 幅度平衡条件 Gw L 0 可表示为 Po Pi L 或 Po Pia Grx L 5 上式中 L 是直放站设备输入口和输出口之间的隔离度 即由收发信天线的增益和天线间的空间隔离 两部分组成 L L 空间 Gtx Grx 可见 直放站系统的稳定性与直放站的输入信号强度 Pi 输出信号强度 Po 收发信天线隔离度 L 三个因素有直接关系 其中 Po 是已知的 L 与收发信天线间的传播环境和收发信天线的增益有关 Pi 由 基站到直放站间的传播环境有关 从式 Po PiPo Pi 当然 要使直放站系统稳定运行除要满足 Po Pi L 外 还需要 Pi 大于直放站主机的灵敏度 一般 在 75dBm 左右 2 收发信天线隔离度的估算 由上文可以看出上下行天线之间的隔离度对于整个系统的稳定是至关重要的 在直放站勘测选址过 程中需要对隔离度进行正确的估算 天线之间的隔离是多方面因素共同作用的结果 主要包括 空间隔离 和建筑物隔离 下文计算的隔离度为信号从下行天线接口至上行天线接口之间的损耗 2 1 空间隔离 空间隔离是指收发信天线间相距一定距离形成的空间损耗 可用下面半经验的公式计算 1 水平隔离度 Lhu 22 20lg d Dt Dr Gtx Grx 6 Lh 31 5 20lgd Dt Dr Gtx Grx GSM900 情况 式中 Dt Dr 为两天线的水平方性向函数 水平方向圆图 造成的损耗 具体数值可以在天线方向图中 查得 如右图所示的方向图中 在 55 角时有 3dB 的附加损耗 当上下行天线夹角为 180 时 方向性 损耗即为天线的前后比 2 垂直隔离度 Lv 28 40lg d Dt Dr Gtx Grx 7 Lv 47 1 40lgd Dt Dr Gtx Grx GSM900 情况 在该式中 为天线的俯仰角 d 为天线间距 Dt Dr 为两天线的垂直方向性函数 与水平方向性 函数类似 3 倾斜隔离度 Ls Lv Lh 90 Lh 8 式中 为两天线在垂直面内的夹角 2 2 建筑物隔离 建筑物隔离是由于建筑物的阻挡造成信号衰落而形成隔离 这种隔离计算没有较为奏效的方法 一 般采用直接代入经验值的方法 如一堵墙的隔离度为 10 20dBm 3 隔离度的测量 由于无线信号的传播受多方面因素的影响 通过计算只能较为粗略的确定隔离度的大小 在实际工 程设计中如果需要比较准确的隔离度值可以才通过实地测量的办法获得 将已知强度为 p 的信号加在下行天线上 用测试手机在上行天线处测量接收到的信号强度 r 如图 则隔离度为 L p G r D 9 其中 G 为下行天线增益 D 为前后比 4 直放站的标称功率与实际输出功率 在直放站的说明书中往往标明设备的单载频功率 一般在 36dB 也就是设备只放大一个频点时 的输出功率 实际工作中频点数量每增加一倍设备输出功率就减少 3dB 5 覆盖预测 直放站开通的最终目标是满足覆盖需要 在设计过程中对设备的覆盖情况进行预测是十分必要的 5 1 Okumura Hata 公式 Okumura Hata 模型是应用较为广泛的覆盖预测模型 它是以准平滑地形的市区作基准 其余 各区的影响均以校正因子的形式出现 Okumura Hata 模型市区的基本传输损耗模式为 Lb 69 55 26 16lgf 13 82lghb hm 44 9 6 55lghb lgd 10 Lb 市区准平滑地形电波传播损耗中值 dB f 工作频率 MHz hb 基站天线有效高度 m hm 移动台天线有效高度 m d 移动台与基站之间的距离 km hm 移动台天线高度因子 s a 建筑物密度因子 11 其中 a 为建筑物密度 一般可取手机天线有效高度为 1 5 米 则在 GSM900 系统中 hm 约为 0 上式可表达为 Lb 146 833 13 82lghb 44 9 6 55lghb lgd s a 对于郊区采用如下修正办法 Lbs Lb 市区 2 lg f 28 2 5 4 12 对于乡村采用如下修正办法 Lbs Lb 市区 lg f 28 2 2 39 lgf 2 9 17lgf 23 17 13 对于开阔地采用如下修正办法 Lbq Lb 市区 4 78 lg f 2 18 33lg f 40 94 14 5 2 Okumura Hata 公式在直放站覆盖估测中的应用 在应用 Okumura Hata 公式之前要对覆盖区建筑特点进行认真分析 不能盲目运用 要根据具体情 况选择合适的修正方法 对于农村如果采用乡村模型预测结果将与实际结果差别较大 我国现阶段的村庄分布零散不均匀 村与村之间多为开阔地 农田 村庄面积较小 村内建筑物往往高度较小 建筑屏蔽较小 但是十分密 集 其密集程度不亚于大城市的建筑物 建筑物绝大部分为民宅 公共建筑物占很小比例 街道狭窄 不 利于信号传播 一般情况下 村内信号强度要比村外低 10 30dB 在丘陵和山地 村庄往往处于地势较低 的洼地或山谷之中 村庄之间是高地或大山 严重影响信号的传播 鉴于我国现阶段农村建筑物特点可以 采用市区修正方法对农村覆盖进行预测 建筑物密度可通过下式计算获得 a 户数 150 村庄面积 15 6 室外直放站系统的设计步骤 室外直放站的设计主要包括系统的稳定性设计和覆盖设计两个方面 通过以上论述 可以把直放站 的设计步骤归纳如下 1 根据接收信号强度 覆盖及地理因素选择选择上站地点 2 根据接收信号强度 设备输出功率以及上下行天线的参数确定所需的隔离度 并保留一定裕 量 3 综合利用垂直隔离 水平隔离 建筑物隔离保证所需的隔离度 确定天线挂高 上下行天线 距离等 必要时实地测量隔离度 4 应用覆盖预测模型如 Okumura Hata 模型进行覆盖预测 如不能保证覆盖 则要调整直放站 的下行天线过高等以满足覆盖需求 5 根据设计方案实施工程 验证系统稳定性和覆盖情况 7 其他问题 出于对现网的影响角度考虑 在直放站的设计建设过程中除了要遵循上述原则外 还要注意以下几 点 1 上行天线应对准基站 如果上行天线偏离基站 直放站的上行信号可能会给附近其他基站带 来干扰 使掉话增加 2 上行增益要恰当设置 如果上行增益过大会使上行信号过强 使基站接受放大器饱和以致无 法接收信号 如果上行信号过弱 则易受到其他同频或邻频的干扰 增加掉话 3 下行增益不应过大 有些直放站为了满足覆盖 设置了过大的下行增益 使功放超过额定功 率工作 致使输出信号畸变 谐波成分增加带来不必要的干扰 是掉话增加 直放站工程安装时常见问题 1 直放站覆盖区域内 手机接收场强很好 但无法拨打电话 这个问题分析有几种可能 1 施主信号是否正常 2 输入信号不能太强 范围大概在 60dBm 至 35dBm 之间 3 施主 重发天线的隔离度是否能满足要求 有没有自激现象 4 调整设备时上下行链路是 否平衡 重新调整上下行增益 5 对于光纤直放站要考虑时延的问题 基站的搜索窗是否够大 对于 GSM 设备要考虑 TA 值的设置 6 查看设备上行链路是否正常 2 放站输出功率很小 无法满足覆盖要求 分析 1 输入信号强度是否符合设备增益要求 2 下行增益调节范围是否标准 3 ALC 开关是否起 控 将 ALC 关闭 看看输出功率是否正常 4 测试设备下行链路模块是否正常 3 本地监控无法与设备通讯 分析 1 检查监控板供电是否正常 2 检查监控软件的版本是否正确 3 光纤直放站要检查主 从机 光输出功率是否正常 光路损耗是否正常 光收发模块是否正常 4 检查监控板的 CPU 程序和 EPLD 程 序版本是否正确 5 如果以上检查没有发现异常 更换监控板 4 功率指示不准 分析 1 检测直放站直放站功放输出到监控的线缆是否连接好 2 直放站的使用电磁环境复杂 现 场电磁环境下的功率指示可能与生产测试时加纯净的信道信号差异较大 功率指示会有差异 3 现场可微 调监控板上的电位器 JW3 上行 JW5 下行 使功率指示与实际一致 5 上 下行增益不足分析 将直放站下行的衰减设置为 0db 首先根据直放站的增益进行初步计算 出下行输入信号电平 再用频谱仪测试好整机下行输入端口的下行输入信号电平 P1 逐级向后延伸检查 测试各个单元模块的输出电平 然后计算出该模块的增益 用该增益与的每个模块增益进行比较 判断其 增益是否正确 如果发现模块的增益不正常 还需用相同的方法确认与该模块相连的线缆是否正常 如果 线缆正常 则可确定该模块的该模块增益不正常 该模块有故障 特别注意 1 需要仔细检查信号通路 的线缆连接是否正确 是否有松动 脱落 开裂等现象 如果有异常现象 必须首先排除 2 在功放模 块的输出测试时 必须加装 30db 的衰减器 在计算增益时将其计算进去 上行增益的测试方法同下行 的一样 6 安装直放站时 对站址勘测需要注意要点 重点为 1 选站址 2 确定基站载频号 3 测试接收点场强值 4 确定使用设备类型 天线类型 天线安装 高度和位置 5 计算预测设备工作增益 最大输出功率 6 预测覆盖范围及覆盖效果 还有隔离度的预测 7 安装室内分布系统的直放站应注意哪些问题 主要是 1 直放站本身设备是否符合技术要求 2 直放站设置和布局是否合理 即能否满足覆盖 要求 3 安装工艺是否达到要求 8 直放站的防雷有什么要求 地阻一般要求多大 直放站的防雷设计要求请参考有关资料 地阻一般为 0 3 3 因具体土壤条件 是否为雷区 站 址环境和设计要求而异 9 如何计算直放站会否对基站造成干扰 如何尽量减少干扰 减少直放站对基站造成干扰主要措施是要求直放站天线波束场图有良好的前后比 在建站时要注意 a 天线场图的好坏 b 天线上波瓣的好坏 好的波瓣抑制对减少基站的同频道干扰十分重要 c 直放站天 线的背向辐射引起的干扰有时可以通过调节天线电子或机械下倾角或通过调节天线内部馈电络来减少干扰 10 直放站指标中的 1dB 压缩点怎样解释 根据国家行业标准 YD T 952 1998 中的定义 对 1dB 压缩点输出功率是指增益下降 1dB 时 直放 站输出给标准输出负载的载频功率 放大器有一个线性动态范围 在这个范围内 放大器的输出功率随输 入功率线性增加 这种放大器称之为线性放大器 这两个功率之比就是功率增益 G 随着输入功率的继续 增大 放大器进入非线性区 其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加 也就是说 其输出功率低于 小信号增益所预计的值 通常把增益下降到比线性增益低 1dB 时的输出功率值定义为输出功率的 1dB 压 缩点 用 P1dB 表示 11 一 CDMA 网耦合型光纤直放站 距离 20 公里 开通后手机测得下行场强良好 拨打 1001 有时能接通 有时则无法上线或要七八秒钟才能上线 请问这是由于时延还是上下行不匹配或是别的什么 原因引起的 有以下几种原因 1 可能是因为上下行链路不平衡而引起的 通常检查一下上行链路是否正常 首先检查直放站的 上下行增益设置 确认测试地距离直放站的距离 找到一个最坏的点 一般来说 在这些最坏的点上 接 收到的功率几乎被导频功率 寻呼功率占了 所以看起来信号很强 但是一旦接入业务信道 就没有功率 可以分配了 造成启呼困难 如果接入的 应该也是比较困难的 所以直放站的调整 最主要的还是保证 上下行链路平衡 不能光考虑下行覆盖 应该考虑的 有效的覆盖 2 交换方面的问题 先排除 1001 话务台的因素 因为 1001 的排队机以及中继线有时很忙 我们 一般都是接入一些普通的语音平台 如北京 3 假如离天线不远处测试 出现这样的情况 此时看手机的发射功率是否是正数 因为光纤距离 太长 时延太大 这不是直放站的原因 此时将基站的搜索窗口调大一点 12 光纤直放站最多可以一拖几 公司光纤直放站按理论可以做到 1 拖 8 需定做 考虑到实地开通和维护不方便性 不建议采取 该方式进行覆盖 原因有 a 话务量过于集中到某一个扇区 造成拥塞 尤其在手机登录时最为明显 如 地铁 地下商场等特定地区 b 反向噪声很难控制 由于引入 8 个远端 低噪放和光器件产生 的噪声 直接影响到基站反向的接收灵敏度 减少了基站的反向覆盖距离 如果必须使用 1 拖 8 的系统进 行覆盖 应注意近端需采用耦合三个扇区的方式来分摊话务量和控制噪声 13 直放站的最大输出功率 为了获得较大的覆盖距离 直放站最大的输出功率可高达 43dBm 但需注意以下问题 a 无线直 放站输出自激 当地面信号手机接收电平低于 90dBm 施主天线架高 45m 空中手机接收电平一般在 65 75dBm 加天线增益减线缆损耗 进设备渴望达到 55 65dBm 如果直放站增益为 85dB 直放 站输出功率只能 30 20dBm 由于铁塔高度 施主和重发天线的水平与垂直距离不够等原因 直放站 增益很难达到 85dB 以上 b 设备应保留一定余量 以基站为例 功放的最大输出是 20W 在无用户的 情况下 只要导频和同步信道有输出 功率 2W 多一点 约为 33dBm 输出 相差一个数量级 10dB 左右 所以要保证设备有 6dB 左右的余量 尤其在使用韩国功放的情况下 如没有保证一定的余量 设备极易关断保护 c 光纤直放站