无线工程（Wireless+Engineering）第九讲.ppt

2020/6/10,1,无线工程（WirelessEngineering）,黄铭Tel_mail：minghuang2005年月,云南大学信息学院SchoolofInformationScienceandEngineering,YunnanUniversity,2020/6/10,2,九、无线网络优化,一、前言进入21世纪，移动通信正由第二代向第三代逐步过渡。作为第二代系统的骨干网，无论是GSM网或者CDMA网，为了满足不断增长的用户要求，在不断扩容的同时，都在追求实现全服务区的无缝覆盖，这也是移动通信运营部门进行无线网络优化的重要目标。鉴于移动通信的电波传播特性，服务区内会出现许多信号覆盖“盲区”，需要对网络覆盖进行重新规划和调整；在业务负荷集中的繁忙地区，会出现通信话务“热点”，这也需要对移动通信的频率资源进行动态调配。这些问题必须采用蜂窝网的射频无线工程来解决，这一点不仅对目前正在运营的第二代移动通信系统，也对即将问世的第三代移动通信系统具有非常重要的意义。,2020/6/10,3,解决蜂窝移动通信覆盖优化的射频无线工程方案有很多种，它取决于不同的地理环境、室内或小区建筑楼群的特征，也与网络原有的技术特点以及覆盖范围内所需话务量的分配等因素有关。在技术方面该射频无线工程需解决的问题主要有：信号源和覆盖方式的选择，无线链路预算及上下行平衡、电磁干扰及噪声的分析等。在产品方面，各类有源放大器件和无源功率合成分配器件的不断涌现也为射频无线工程解决方案提供了条件。,2020/6/10,4,需要加强覆盖的区域可分为如下几类：1、盲区：移动通信区域内较小的盲点以及移动通信工作区的边界地点称为盲区。在这些盲区中，可能出现的问题是语音质量较差或经常掉话，甚至完全不能通话。2、高密度区：在用户密度特别高，话务量特别大的“热点”地区，如购物中心、娱乐中心、商务中心、会议中心、停车场等地区，经常出现移动通信信道被占满而使通信质量下降，甚至出现阻塞的情况。3、边缘地区：这些地区是现有服务区的边界，其服务质量勉强能达到要求，但同时该地区又有很多潜在的用户。只有更好地覆盖才能吸引更多的用户。4、狭长地区：这些狭长地区有很高的业务量。它们从一个主要服务区延伸出来，或者联接两个相邻系统，比如一条穿过人口密度较低区域的繁忙的高速公路。在这种情况下，用户希望有连续的服务。,2020/6/10,5,无线覆盖整体解决方案：1、室内覆盖综合解决方案：目前存在多种室内蜂窝覆盖系统方案，解决室内优化覆盖问题。2、城市街道覆盖综合解决方案：掉话、切换频繁、单通、有杂音等现象是城市街道网络覆盖经常出现的问题，通过反复路测，配合客户调整网络参数，结合微蜂窝、直放站进行优化覆盖，可提供完整的综合解决方案。3、城市小区覆盖综合解决方案：利用一点对多点无线覆盖系统、管线远端无线系统、综合射频转发系统等方案可以解决城市小区的优化覆盖问题。4、城市地铁综合解决方案：利用室内覆盖和隧道覆盖基本技术，可以成功解决城市地铁的优化覆盖问题。,2020/6/10,6,无线覆盖整体解决方案：5、隧道、溶洞覆盖综合解决方案：利用光纤直放站、无线直放站、太阳能直放站以及基站塔顶放大器等手段可实现超大型公路隧道、铁路隧道及溶洞等的优化覆盖。6、公路、铁路综合解决方案：利用微蜂窝、无线直放站、光纤直放站、太阳能直放站等多种方案可以实现公路、铁路的优化覆盖。7、广大乡村覆盖综合解决方案：利用塔顶放大器、微蜂窝放大器、远端无线系统以及高增益多波束定向天线等多种手段可解决边远农村的覆盖。8、电梯覆盖解决方案：有多种手段可实现进出电梯和高速运行中电梯内的切换。,2020/6/10,7,无线覆盖整体解决方案：9、海域、海岛覆盖综合解决方案：海域、海岛覆盖是新兴的覆盖目标区域。由于该覆盖区的特殊性，区域广、话务量少，可以利用大功率直放站或塔顶放大器实现覆盖，做到最佳性价比。10、风景区覆盖综合解决方案：这种综合解决方案可以提供从室外风景区覆盖到室内溶洞覆盖，从名胜古迹到地下暗河覆盖。11、WLAN综合解决方案，可为GSM/CDMA和WLAN”三网合一”解决方案，将是移动运营商最佳选择的方案，可为将来3G引入打下良好的基础。12、其它：实际上，还会有其它一些优化覆盖系统方案，如航母游乐港室内信号覆盖系统、大型展览场馆、大型运动会场馆覆盖系统等。,2020/6/10,8,室内覆盖系统随着蜂窝网络用户数的不断增长，话务量不断攀升，话务密度也随之增加，高话务热点地区如雨后春笋，这种情况下，经济发达、人口密集城市，室外大站的间距已达到200300m。显然，单纯依靠室外宏蜂窝不可能完全解决热点地区的容量问题，而室内微蜂窝覆盖技术作为一种有效解决容量问题的手段得到越来越多的关注。,2020/6/10,9,实现室内覆盖的技术方案1、微蜂窝有线接入方式以室内微蜂窝系统作为室内覆盖系统的信号源，即有线接入方式。这种方式适用于覆盖范围较大且话务量相对较高的建筑物内解决覆盖和容量问题，在市区中心使用较多。改善大话务量地区的室内信号覆盖，微蜂窝是最佳解决方案。微蜂窝系统的优点是信号稳定、可靠，通信质量好；缺点是建设周期较长，一次性投资大。因此微蜂窝系统大多应用于星级酒店、高级写字楼等比较大型的室内建筑场合。,2020/6/10,10,2、宏蜂窝无线接入方式以室外基站作为室内覆盖系统的信号源，适用于低话务量和允许存在较小面积的室内覆盖盲区的场合，在城市，尤其郊区、农村采用这种接入方式。,2020/6/10,11,3、直放站在室外基站存在富余容量的情况下，通过直放站（Repeater）将室外信号引入室内的覆盖盲区。直放站的应用场合主要有以下几种：a.扩大服务范围，消除覆盖盲区；b.在郊区增强场强，扩大郊区站的覆盖；c.沿高速公路架设，增强覆盖效率；d.解决室内覆盖；e.将空闲基站的信号引到繁忙基站的覆盖区内，实现疏忙。,2020/6/10,12,4、使用微蜂窝和直放站的比较使用微蜂窝和直放站的比较,2020/6/10,13,室内覆盖系统组网方式1、无源射频分布式室内覆盖系统,无源分布式系统,2020/6/10,14,2、有源射频分布式室内覆盖系统,有源信号覆盖系统,2020/6/10,15,3、光纤室内信号分布系统,光纤信号分布系统,2020/6/10,16,4、泄漏电缆分布方式泄漏电缆方案主要用于隧道、地铁或长条形建筑特定环境下的覆盖，其优点是场强分布均匀，可控性高，频段宽，多系统兼容性好。但是造价高，传输距离近，漏泄电缆价格昂贵，其应用范围受到总功率及施工复杂程度的限制。,2020/6/10,17,5、混合分布方式上述几种室内信号分布方式只是最基本的方式。实际系统可以采用上述基本方式的混合方式。一般原则是，在距信号源比较近处，用无源分布（50m以内）；在距信号源有一定距离或信号比较弱时加干线放大器；在距信号源较远或难度较大时，采用有源分布方式（100m以内）或用光纤分布方式；对于长条形走廊或者隧道等，采用泄漏电缆方式。,2020/6/10,18,公路、铁路覆盖系统,群山“盲区”,2020/6/10,19,隧道“盲区”,2020/6/10,20,地形起伏“盲区”,2020/6/10,21,高架桥上的“乒乓效应”,2020/6/10,22,公路上的“乒乓效应”和“孤岛效应”,2020/6/10,23,公路线状覆盖方案如下：,基站+无线直放站,2020/6/10,24,基站+光纤直放站,2020/6/10,25,微蜂窝+微蜂窝功放,2020/6/10,26,直放站的串联运用,2020/6/10,27,基站+太阳能直放站,2020/6/10,28,天线方向图,2020/6/10,29,隧道覆盖天线型式,2020/6/10,30,桥梁覆盖天线选择,2020/6/10,31,地下隧道覆盖方案如下：,利用LCX的隧道通信基本系统,2020/6/10,32,基站覆盖延伸系统,延伸覆盖示意图,2020/6/10,33,多覆盖应用示意图,2020/6/10,34,二、典型方案简介1、GSM网直放站直放站分同频直放站、选频式直放站、光纤传输直放站、移频传输直放站和室内功率放大直放站等。下图是同频无线直放站原理图。,同频无线直放站原理图,2020/6/10,35,光纤传输直放站见下图,普通双光纤方式,2020/6/10,36,波分复用方式,2020/6/10,37,同纤传输方式,2020/6/10,38,多覆盖端应用方式,2020/6/10,39,2、无线直放站工程参数计算众所周知，常温（17）下热噪声功率为-174dBm/Hz，而G网带宽为200kHz，所以对G网输入端的等效热噪声功率为-121dBm，如果基站接收机噪声系数为3dB，则可以认为基站接收系统的等效噪声功率为-118dBm。在静态条件下，G网规范中基站接收机灵敏度为-104dBm，所以只要当基站接收机接收信号超过灵敏度时，其信噪比（C/N）就会大于14dB从而满足中、低速率数据传输的信噪比要求。（按GPRS编码方案CS1CS3的要求当未开启跳频时的C/N应为913dB）。因此在静态条件下，为了不影响基站接收性能，由于直放站上行输出噪声而使基站接收机噪声电平的增量应控制在15dB之内；而对于话音而言，噪声电平增量应不大于2dB。,2020/6/10,40,然而，在工程设计中我们应考虑的是动态条件，也就是应该考虑实际移动环境中噪声的恶化以及阴影慢衰落的余量。此时，基站接收机实际接收到的信号功率应高于灵敏度值，通常在-85dBm-95dBm范围之间。即使按-95dBm的信号功率来计算，允许的噪声功率也应该在-107dBm-110dBm，（此时C/N=1215dB），为了不对基站接收性能造成影响，在动态条件下由直放站上行引入到基站的噪声功率电平在-115dBm-120dBm是合理的。,2020/6/10,41,直放站等效噪声系数和上行增益一个基站带一个直放站的系统见下图,直放站系统图,2020/6/10,42,基站噪声增量：,直放站噪声增量：,其中噪声增量因子：,式中：NFBTS为基站噪声系数；NFrep为直放站噪声系数。Nrise与基站、直放站的噪声系数、直放站上行增益、上行路径衰耗值有关。基站和直放站的噪声系数是已知常数，上行路径衰耗在一定时间内也是相对稳定值，因此，噪声增量因子决定于直放站上行增益的大小。基站直放站系统噪声增量NF与噪声增量因子Nrise的关系如下图所示。,2020/6/10,43,直放站上行增益确定方法：首先确定基站允许的最大噪声增量NFBTS。在工程设计中，当直放站用于郊区、农村、乡村的盲区信号覆盖、话务量不大情况下，一般取NFBTS2dB；如果是用于公路覆盖，为扩大直放站的覆盖范围，取NFBTS3dB；如果直放站是在市区或作为室内分布系统的信号源时，在满足应用的情况下，取NFBTS1dB。,噪声增量和噪声增量的因子关系,2020/6/10,44,通过上图噪声增量曲线查出增量因子Nrise、直放站噪声增量NFrep，则直放站等效噪声系数NFrep=NFrep+NFrep(1)计算直放站到基站空间传播衰耗Lp。在基站天线与施主天线视通条件下，用自由空间路径损耗公式计算：Lp=32.42+20log(d)+20log(f)(2)其中：d为空间距离，单位km；f为工作频率，单位MHz。计算直放站到基站综合路径衰耗LBTS-rep。LBTS-rep=Lp+LBTS-cabl+Lrep-cabl-GBTS-antGrep-ant(3)式中：LBTS-cabl基站馈线损耗；Lrep-cabl直放站施主天线馈线损耗GBTS-ant基站天线增益；Grep-ant施主天线增益。用公式计算直放站上行增益Grep上行。Grep上行=LBTS-rep+Nrise+NFBTSNFrep(4),2020/6/10,45,例1：计算在一个基站带一个直放站系统里，要求对基站的噪声影响控制在2dB以内直放站的上行增益。已知：d=1km、LBTS-cabl=Lrep-cabl=3dB、GBTS-ant=14dB、Grep-ant=18dB、NFBTS=NFrep=4dB。解：用公式(2)计算自由空间路径衰耗Lp=32.4+20log1+20log900=62dB用公式(3)计算综合路径衰耗LBTS-rep=62+3+3-14-18=36dB根据已知条件NFBTS=2dB，查上图求得增量因子Nrise=-2.3dB。用公式(4)计算直放站上行增益Grep上行=36+(-2.3)+4-4=33.7dB,2020/6/10,46,NFBTS、NFrise、NFrep关系表,2020/6/10,47,直放站下行输出功率计算直放站下行输出功率应根据设备特性，在达到上下行链路平衡时，计算直放站所需要的发射功率，这样能保证上下行链路的覆盖区距离、通信质量、通信距离的一致性，并减小对其他小区的干扰。上行链路平衡时，必须满足B=L下行max-L上行max=0式中：B是平衡因子；L下行max是前向链路允许最大传输损耗；L上行max是反向链路允许最大传输损耗。对GSM系统，L下行max=Prep-Pm-min-Lui+GuI(5)L上行max=Pm-Prep-min-Ldi+GdI(6),2020/6/10,48,其中：Prep、Pm分别为直放站和手机发射功率；Prep-min、Pm-min分别为直放站和手机接收灵敏度；Gdi、Gui分别为上行和下行增益；Ldi、Lui分别为上行和下行损耗。设Ldi=Lui，Gdi=Gui，当上下链路平衡时B=0，直放站输出功率Prep=Pm-min+Pm-Prep-minPm-min=-121+NFm+C/N，Prep-min=-121+NFrep+C/N则直放站输出功率Prep=Pm+NFmNFrep(7)式中：NFm为手机的噪声系数。,2020/6/10,49,例2：一个基站带一个直放站，计算基站噪声影响控制在2dB时，直放站的输出功率。已知：参数Pm=39dBm、NFm=6dB,NFrep=5dB。计算：NFBTS=2dB，查下表得出Nrise=-2dB,NFrep=4dBNFrep=5+4=9dB，代入(7)公式，求得直放站输出功率Prep=33+6-9=30dBm。,2020/6/10,50,隔离度计算隔离度是指无线直放站覆盖天线与施主天线之间的隔离损耗。直放站下行输出功率比上行输出功率大。所以主要考虑下行链路收、发隔离度。如图。,施主天线与覆盖天线水平安装示意图,2020/6/10,51,在工程中估算隔离度的公式（天线背对背放置）如下：水平隔离度：Ih=22+20lg(d/)-(Gd+Gr)+(Xd+Xr)+Lw(8)垂直隔离度：Iv=28+40lg(d/)+Lw(9)其中，d：为两天线水平或垂直距离；：为天线工作波长（单位：m）；Lw：为阻挡物体损耗；Xd、Xr：分别为施主和重发天线的前后比（单位：dB）；Gd、Gr：分别为施主和重发天线的增益（单位：dB）。如果Gd=Gr=15dB，Xd=Xr=25dB，Lw=0，f=900MHz；施主和重发天线采用背对背安装，根据公式（8）、（9）计算，隔离度和距离之间的关系数据见下表,2020/6/10,52,隔离度和距离的关系表,从表的计算数据可以看出，如使用的天线和天线间的距离相同，垂直安装比水平安装容易满足隔离度要求。当距离增加一倍时，水平隔离度增加6dB，而垂直隔离度增加12dB；水平安装最佳距离在25m，垂直安装最佳距离在2025m，如再增加距离，隔离度增加不明显。为使系统工作稳定，要求隔离度应大于设计中直放站最大工作增益1015dB。直放站隔离度除了与施主天线和重发天线的增益、前后比有关外，还与天线旁瓣抑制比、天线安装位置及周围的环境有关。在实际施工调测中，还与天线的方位角和倾角，或在天线之间安装隔离网来提高隔离度，以满足系统对隔离度的要求。,2020/6/10,53,功率分配系统设计举例例3：某室内覆盖项目，一层、二层是餐厅、三层是娱乐厅、四层是办公区。各区域需要安装天线的位置、天线到主干线上的馈线长度如下图所示。,天线安装位置平面图,2020/6/10,54,各天线口馈入功率要求在10dBm左右，进行功率分配系统设计和功率计算。首先估算各区域需要的功率：F1、F2共8付天线，每付天线要求馈入功率10dBm，则该区域需要功率大约20dBm；F3共4付天线，每付10dBm，则该区域需要功率大约16dBm；F4共3付天线，每付10dBm，则该区域需要功率大约15dBm。4层共需要功率22dBm，再加上馈线、功分器、耦合器的插入损耗估算5dB，总功率需要27dBm左右，因此信源接入按27dBm计算。馈线选用1/2射频电缆（8dB/100m）；耦合器