利用直放站提高公众移动系统的覆盖范围

1、利用直放站提高公众移动系统的覆盖范围ALF AHLSTROM瑞典阿尔贡系统有限公司直放站系统应用于GSM移动网络的时间并不长，因为GSM与此有关的标准05.05直到1994年才由ETSI提出并为SMG所接受。在蜂窝移动通信系统中使用直放站虽比此时稍超前一点，但是大规模采用直放站技术还是在新一代产品出现以后。 概括地说，直放站通过放大基站上下行链路的信号来提高链路余量。根据放大信号的频带宽度，比如是对一段频带进行放大还是对GSM单个无线通道进行放大，直放站被分类为宽带可选型和通道可选型。直放站只能使用在网络中需要扩大覆盖范围，但不需要增加容量的地区。通过增强中继效率等途径，直放站还可用来提高容量

2、的利用率。 直放站最通常的用法是填补蜂窝小区的空白区域。这些空白区域是由山丘、自然物等对无线信号的遮挡所形成的，同样它们也可以是被无线电波不能穿透的建筑物屏蔽的室内盲区。直放站还可以用于扩展蜂窝小区边界。安装直放站需要考虑的一些因素会导致在室内外应用上的许多不同限制，下面我们将详细讨论这些问题。 1 无线选择与隔离度 直放站的使用使天线的应用范围扩大。通常情况下，直放站至少需要两副天线，因为这两副天线应用的目的不同，因此要求具有不同的特性。 一副天线(以下简称施主天线)用来拾取来自施主基站(BTS)的下行链路信号，并同时重新转发上行链路信号。由于通信是点对点的，所有具有高增益和窄水平波束的天线

3、应当最适合。普遍性的倾向认为Yagi天线最符合要求，但实际情况确不行，因为一般来说Yagi天线在水平方向上具有相当高的侧瓣电平。与此相比30°40°水平波束角的角反射器天线或对数周期天线会更适合这种特殊应用。另一副天线(以下称之为重发天线)用于将下行链路信号重发至覆盖区并拾取来自移动台的上行链路信号。在室外应用时，如要直放站覆盖一个类似山谷这样的很大区域，这种天线可以是普通基站使用的定向型天线，但需具有很高的增益；在隧道覆盖中，最常用的是Yagi天线或螺旋状天线；在室内环境下，经常要求使用特殊设计的室内天线，甚至要构筑重发天线网络来完全地覆盖建筑物内的各个相互隔离的部分。室

4、内天线的设计通常不需要像普通的基站天线那样应具备抗恶劣环境的要求。室内重发天线网络会引入较多的电缆和分配器损耗，因而通常仅使用于覆盖较小的区域。 直放站提供可用增益的一个严格制约因素是施主天线和重发天线之间的隔离度。必须注意的是，直放站的增益决不可以超过恰好不发生自激时的隔离度系数。所谓隔离度就是施主或重发天线任一有输入时反映到对方的该信号输出衰减程度。依据于环境电平的稳定情况，直放站增益和隔离度之间一般要求有1015dB的余量。最新型直放站一般都有自激控制和监视功能。一般在室外基站的正前方向安装基站时隔离度通常是严格的制约因素，但在室内或隧道等场合应用时，由于山丘或建筑物对重发天线的屏蔽，通

5、常可容易得到足够的隔离度。 2 噪声电平和灵敏度转移 为简化讨论，这里引入了“有效施主路径损耗” (EDoPL：Effective Donor Path Loss) 概念。它是由从基站(即合路器输出或多路耦合器输入)的馈线接头到直放站施主端口的所有损耗和增益组成。在这里假设上行链路和下行链路的EDoPL是相等的（尽管实际情况并不都是这样）。 同一基站由于参数设置不同，其噪声系数是变化的，通常情况下的变化范围为59dB。若给定GSM无线通道的热噪声系数(-121dBm,RNF 20° C)，到达基站的来自直放站的噪声电平为：121RNF直放站增益EDoPL(dBm),这数值将被附加到基

6、站本身的热噪声系数(-121dBm)当中，在噪声受阻的系统中，这一关系对于直放站的增益是较严格的因子，因为可用的最大增益(在上行链路)应为RNF+3dB小于EDoPL,以使其对基站的噪声影响减至最低，由此得出的结果表明，直放站的灵敏度转移比BTS本身会小近似10dB，在很多应用中，直放站所工作的系统是干扰受限的，因此从直放站引入到BTS噪声可以用干扰电平来代替。 3 饱和度 如果到达基站（BTS）的信号电平足够大，GSM系统可以降低移动台的输出功率。该功能对直放站应当是透明的，不致使信号电平过高，使直放站达到饱和。由于开机后随着移动台达到满功率，在一般网络设计准则下应当是距离最近的移动台达到基

7、站的输出功率最大。许多直放站采用自动增益控制(AGG)技术，通过移动直放站的整个动态范围来进行补偿，但是AGG的工作对正在进行的通话的影响，特别是在移动台距离直放站很远时应慎重考虑。 饱和度的问题在室内应用中是最重要的问题，因为室外应用倾向于将重发天线安装在较高的地方，最近的移动台也不能使直放站饱和，采用室内重发天线网络时，由于增加了馈线/分配器的损耗，同样可降低达到饱和度的风险。 4 定时超前和信号延时扩散 直放站的滤波器会造成大约5s左右的时延，这导致了使用直放站的蜂窝小区从基站到移动台的最大覆盖范围从35km减小到33.5km。对于大多数的实际应用，在此距离下来自基站的信号电平是非常低的

8、，没有直放站不可能通信。在用户稀少地区应用时，时延因子需要考虑。 来自移动台或基站信号的多径传播导致接收端的延时扩散，GSM系统通过提供优于9dB的C/R，小于15.5s的时延差使其得到了很好的补偿。大多数原始基站所覆盖的区域都能满足该要求，但在应用直放站的情况下需要特别考虑，包括滤波器的时延在内，在所有区域内接收电平之差小于9dB的直放站信号和非直放站信号的最大路径差是3km。实际上这种情况一般发生在直放站站址位于BTS和直放站的覆盖区域之间。无论如何基站都可以重叠覆盖到直放站覆盖区域内的任何位置。 定时超前和延时扩散是室外应用时一般要涉及到的，而室内应用不会受这些因素的影响。 5 链路平衡

9、 在GSM直放站的应用中，链路平衡由四条链路构成，即介于施主基站和直放站之间的上下行链路和直放站与移动终端之间的上下行链路。下面以安装在室外的直放站系统为例，对完整的下行链路作出如下概算：需要注意的是，EDoPL可通过测量直放站施主口的输入电平和BTS合路器输出口的电平，并用两者相减之差来进行估算（这是一般应进行的现场工作），移动天线折算为0dBi增益。 上例中的上行链路计算如下：  注意一点：由于不考虑分集作用，衰落余量对于上下行链路是相同的。在本例中，下行链路受限于直放站的输出功率，上行链路受限于移动台的输出功率，噪音限制了最大增益(EDoPL-10dB)，因此链路是平衡的。这仅

10、是最普通的情况，但链路余量的计算在优化安装时对所有的链路均应进行，最新一代直放站允许对上行和下行链路的增益分开设置。 6 干扰和切换 与模拟系统相比，GSM对干扰的灵敏度较差。在站址选择接近蜂窝边缘时，使用带宽可选直放站应谨慎，到施主蜂窝基站的距离和到同方向上近邻蜂窝的距离可能只差3倍。若使用全向天线，假设两基站的输出功率相等，近邻蜂窝的下行链路信号到达直放站可能会比目标施主信号低1017dB。这样导致近邻蜂窝小区信道上发起的通话实际来自于蜂窝边界的外面。若发生通话切换，会因相邻小区列表部分不对应而增加掉话的风险,上行链路信号可能会传播到相邻蜂窝的后面，对使用这些信道的最后一蜂窝小区造成同频干

11、扰，网络中的频率复用图案和天线类型在这类问题中决定网络的灵敏度。 但若使用通道可选型直放站，这些问题就都不会发生。由于只对所选的GSM通道进行放大，因而可对系统容量进行很好地保持，这一特性使得通道可选型直放站在室外大范围覆盖时优于宽带可选型，同样重要的问题是应对施主蜂窝所有扇区内的通道放大，以免引起掉话。 7 应用分析 下面的例子很好地反映了许多区域安装直放站可能会遇到的情况。 一个覆盖了部分高速公路的基站，其覆盖半径大约为20km，沿路测试在蜂窝边沿的地面信号强度为93dBm，附近小山顶上的微波链路塔被确定为直放站的站址，以扩展基站覆盖区，在塔顶距离地面350m(包括山高)，手持机的接收电平

12、为71dBm。施主天线使用18dBi，35°水平方向角的对数周期天线，安装在低于塔顶下面15m的位置对准基站方面，此时直放站的输入信号为54dBm，重发天线使用17dBi，60°水平方向角的板状天线装在塔的顶端，所指方向与施主天线相反。需要注意的是，若重发天线装于最高处，确保塔顶附近的零填充区的接收电平是极其重要的，此时的隔离度可充分满足直放站达到85dB增益的要求，输出功率为30dBm，测试结果延高速路向前距塔位10km远处的电号电平仍可达90dBm,因此蜂窝小区延高速路方向的半径扩展了近50。 在该例中,通过使用直放站使得道路覆盖规划达到蜂窝小区的最大半径成为可能，从而

13、可以使沿路所设置基站数目降低25。 8 操作维护系统 由于最新一代直放站在蜂窝网络中已成为一个基本单元，因此同样需要监视和控制以便与网络的操作和维护相匹配。实现这一远端控制功能和告警处理可利用固定电话线或GSM数据传输模式。采用后者可使直放站的安装更加容易，因为传输线路与直放站的位置是无关的。具有远端控制功能的PC在网络优化调整时极其有用。因为许多参数的设置在进行如路测等工作时就可调整。基于Windows环境下的操作和控制程序使操作变得极其容易。 蜂窝网络对直放站的需求极大，这就要求一个操作维护中心系统(OMS)来对其进行支持。目前ALLGON公司成为采用这一系统的唯一厂商，不仅如此，许多更加新颖的