GSM网络室外直放站的设计

tomyubin

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-Pi<L中看出在同样的覆盖（Po相同）要求下，上行天线处的信号（Pia）越弱所需的隔离度越大。同时（5）式也确定了要使直放站稳定工作必须满足的隔离度条件：L>Po-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/λ) +Dt（θ）+Dr（θ）- (Gtx +Grx)   （6）
Lh=31.5+20lgd+Dt（θ）+Dr（θ）- (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/λ) +Dt（θ）+Dr（θ）- (Gtx +Grx)     （7）
Lv= 47.1+40lgd+Dt（θ）+Dr（θ）- (Gtx +Grx)    （GSM900情况）
在该式中，θ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)(α/90)+Lh      （8）
式中α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－α(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）
α(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，α(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。