GSM網絡室外直放站的設計

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在gsm無線網絡中由于各種原因的影響不可能達到完全的無縫隙覆蓋，在一些偏遠的農村，處于盲區的廠礦企業采用室外直放站進行覆蓋是一種快捷、經濟的好辦法。室外直放站系統的設計主要包括穩定性設計和覆蓋設計兩個方面。

1．直放站的穩定性分析

直放站實際上是一種特殊的放大器，在下行鏈路上，其輸入端就是放大器的上行天線接口，輸出端就是下行天線接口。在上行鏈路上恰與此相反。同時它又是一種上下行天線之間存在信號耦合的反饋放大器，根據放大器的穩定性理論，要使放大器穩定須滿足幅度平衡條件：AF＜1式中A為放大器的開環增益，F為放大器反饋系數，同時還要滿足反饋信號與輸入信號同相，這稱之為相位平衡條件。

下面對直放站的穩定性進行分析。直放站是上下行信號都放大的雙向放大器，一般上行增益要比下行增益小幾dB，只要下行放大器穩定就能保證整個直放站的穩定，直放站的穩定性分析實際上就是下行鏈路的穩定性分析。由于無線信號的多徑傳播，直放站系統中的重發信號經過反饋路徑總有某些信號分量與輸入信號同相，要使系統穩定必須從幅度平衡條件考慮。將AF＝1表示為dB形式：

G－L=0或G＝L（1）

G為放大器的開環增益即直放站主設備兩天線接口之間的增益，L為反饋路徑的損耗，信號從下行天線接口至上行天線接口之間的損耗。

一般情況下直放站的最大增益是固定的，它等于設備內各放大環節最大增益之和。在實際應用中，設備并非工作于最大增益狀態，而是在滿足覆蓋要求的增益下運行，稱之為工作增益（Gw）。

Gw=Po-Pi（2）

其中Po為直放站的輸出功率（兩載頻設備一般在33dB左右），Pi為設備輸入功率。

Po=Poa-Gtx（3）

Pi=Pia+Grx（4）

Gtx、Grx分別為上行和下行天線的增益，Poa、Pia分別為整個直放站系統（含天線）的輸出和輸入的信號功率。

根據以上關系，幅度平衡條件Gw－L<0，可表示為

Po-Pi<L，或Po-Pia-Grx<L（5）

上式中L是直放站設備輸入口和輸出口之間的隔離度，即由收發信天線的增益和天線間的空間隔離兩部分組成，L=L空間-(Gtx+Grx)

可見，直放站系統的穩定性與直放站的輸入信號強度Pi，輸出信號強度Po，收發信天線隔離度L三個因素有直接關系，其中Po是已知的，L與收發信天線間的傳播環境和收發信天線的增益有關，Pi由基站到直放站間的傳播環境有關。

從式Po-Pi<L中看出在同樣的覆蓋（Po相同）要求下，上行天線處的信號（Pia）越弱所需的隔離度越大。同時（5）式也確定了要使直放站穩定工作必須滿足的隔離度條件：L>Po-Pi

當然，要使直放站系統穩定運行除要滿足Po-Pi<L外，還需要Pi大于直放站主機的靈敏度。（一般在-75dBm左右）。

2．收發信天線隔離度的估算

由上文可以看出上下行天線之間的隔離度對于整個系統的穩定是至關重要的，在直放站勘測選址過程中需要對隔離度進行正確的估算。天線之間的隔離是多方面因素共同作用的結果，主要包括：空間隔離和建筑物隔離。（下文計算的隔離度為信號從下行天線接口至上行天線接口之間的損耗）

2.1空間隔離

空間隔離是指收發信天線間相距一定距離形成的空間損耗。可用下面半經驗的公式計算：

（1）水平隔離度

Lhu=22+20lg(d/λ)+Dt（θ）+Dr（θ）-(Gtx+Grx)（6）

Lh=31.5+20lgd+Dt（θ）+Dr（θ）-(Gtx+Grx)（GSM900情況）

式中Dt、Dr為兩天線的水平方性向函數(水平方向圓圖)造成的損耗，具體數值可以在天線方向圖中查得，如右圖所示的方向圖中，在55。角時有3dB的附加損耗。當上下行天線夾角為180。時，方向性損耗即為天線的前后比。

（2）垂直隔離度

Lv=28+40lg(d/λ)+Dt（θ）+Dr（θ）-(Gtx+Grx)（7）

Lv=47.1+40lgd+Dt（θ）+Dr（θ）-(Gtx+Grx)（GSM900情況）

在該式中，θ為天線的俯仰角。d為天線間距，Dt、Dr為兩天線的垂直方向性函數，與水平方向性函數類似。

（3）傾斜隔離度

Ls=(Lv-Lh)(α/90)+Lh（8）

式中α為兩天線在垂直面內的夾角。

2.2建筑物隔離

建筑物隔離是由于建筑物的阻擋造成信號衰落而形成隔離。這種隔離計算沒有較為奏效的方法，一般采用直接代入經驗值的方法。如一堵墻的隔離度為10~20dBm。

3、隔離度的測量

由于無線信號的傳播受多方面因素的影響，通過計算只能較為粗略的確定隔離度的大小，在實際工程設計中如果需要比較準確的隔離度值可以才通過實地測量的辦法獲得。

將已知強度為p的信號加在下行天線上，用測試手機在上行天線處測量接收到的信號強度r（如圖），

則隔離度為：

L=p+G-r-D（9）

其中，G為下行天線增益，D為前后比。

4、直放站的標稱功率與實際輸出功率

在直放站的說明書中往往標明設備的單載頻功率（一般在36dB），也就是設備只放大一個頻點時的輸出功率，實際工作中頻點數量每增加一倍設備輸出功率就減少3dB。

5、覆蓋預測

直放站開通的最終目標是滿足覆蓋需要，在設計過程中對設備的覆蓋情況進行預測是十分必要的。

5.1Okumura/Hata公式

Okumura/Hata模型是應用較為廣泛的覆蓋預測模型，它是以準平滑地形的市區作基準，其余各區的影響均以校正因子的形式出現。Okumura/Hata模型市區的基本傳輸損耗模式為：

Lb＝69.55＋26.16lgf－13.82lghb－α(hm)＋（44.9－6.55lghb）lgd（10）

Lb：市區準平滑地形電波傳播損耗中值（dB）

f：工作頻率（MHz）

hb：基站天線有效高度（m）

hm：移動臺天線有效高度（m）

d：移動臺與基站之間的距離（km）

α(hm)：移動臺天線高度因子

s(a)：建筑物密度因子

（11）

其中a為建筑物密度。

一般可取手機天線有效高度為1.5米，則在GSM900系統中，α(hm)約為0。上式可表達為：

Lb=146.833-13.82lghb+（44.9-6.55lghb）lgd-s(a)

對于郊區采用如下修正辦法：

Lbs＝Lb（市區）－2[lg（f/28）]2-5.4（12）

對于鄉村采用如下修正辦法

Lbs＝Lb（市區）－[lg（f/28）]2-2.39(lgf)2+9.17lgf-23.17（13）

對于開闊地采用如下修正辦法

Lbq=Lb（市區）－4.78（lgf）2＋18.33lgf－40.94（14）

5.2Okumura/Hata公式在直放站覆蓋估測中的應用

在應用Okumura/Hata公式之前要對覆蓋區建筑特點進行認真分析，不能盲目運用，要根據具體情況選擇合適的修正方法。

對于農村如果采用鄉村模型預測結果將與實際結果差別較大。我國現階段的村莊分布零散不均勻，村與村之間多為開闊地（農田），村莊面積較小，村內建筑物往往高度較小，建筑屏蔽較小，但是十分密集，其密集程度不亞于大城市的建筑物。建筑物絕大部分為民宅，公共建筑物占很小比例。街道狹窄，不利于信號傳播。一般情況下，村內信號強度要比村外低10-30dB。在丘陵和山地，村莊往往處于地勢較低的洼地或山谷之中，村莊之間是高地或大山。嚴重影響信號的傳播。鑒于我國現階段農村建筑物特點可以采用市區修正方法對農村覆蓋進行預測。建筑物密度可通過下式計算獲得：

a＝戶數×150/村莊面積（15）

6、室外直放站系統的設計步驟

室外直放站的設計主要包括系統的穩定性設計和覆蓋設計兩個方面，通過以上論述，可以把直放站的設計步驟歸納如下：

（1）根據接收信號強度、覆蓋及地理因素選擇選擇上站地點。

（2）根據接收信號強度，設備輸出功率以及上下行天線的參數確定所需的隔離度，并保留一定裕量。

（3）綜合利用垂直隔離，水平隔離，建筑物隔離保證所需的隔離度。確定天線掛高，上下行天線距離等。必要時實地測量隔離度。

（4）應用覆蓋預測模型如：Okumura/Hata模型進行覆蓋預測。如不能保證覆蓋，則要調整直放站的下行天線過高等以滿足覆蓋需求。

（5）根據設計方案實施工程，驗證系統穩定性和覆蓋情況。

7、其他問題

出于對現網的影響角度考慮，在直放站的設計建設過程中除了要遵循上述原則外，還要注意以下幾點：

（1）上行天線應對準基站，如果上行天線偏離基站，直放站的上行信號可能會給附近其他基站帶來干擾，使掉話增加。

（2）上行增益要恰當設置，如果上行增益過大會使上行信號過強，使基站接受放大器飽和以致無法接收信號。如果上行信號過弱，則易受到其他同頻或鄰頻的干擾，增加掉話

（3）下行增益不應過大，有些直放站為了滿足覆蓋，設置了過大的下行增益，使功放超過額定功率工作，致使輸出信號畸變，諧波成分增加帶來不必要的干擾，是掉話增加。（公務員之家整理）