GSM網(wǎng)絡(luò)室外直放站的設(shè)計(jì)

    在GSM無(wú)線中由于各種原因的不可能達(dá)到完全的無(wú)縫隙覆蓋，在一些偏遠(yuǎn)的，處于盲區(qū)的廠礦采用室外直放站進(jìn)行覆蓋是一種快捷、的好辦法。室外直放站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和覆蓋設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。
1．直放站的穩(wěn)定性
直放站實(shí)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(shí)它又是一種上下行天線之間存在信號(hào)耦合的反饋放大器，根據(jù)放大器的穩(wěn)定性，要使放大器穩(wěn)定須滿足幅度平衡條件：AF＜1式中A為放大器的開(kāi)環(huán)增益，F(xiàn)為放大器反饋系數(shù)，同時(shí)還要滿足反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相，這稱之為相位平衡條件。
dB，只要下行放大器穩(wěn)定就能保證整個(gè)直放站的穩(wěn)定，直放站的穩(wěn)定性分析實(shí)際上就是下行鏈路的穩(wěn)定性分析。由于無(wú)線信號(hào)的多徑傳播，直放站系統(tǒng)中的重發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)反饋路徑總有某些信號(hào)分量與輸入信號(hào)同相，要使系統(tǒng)穩(wěn)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(kāi)環(huán)增益即直放站主設(shè)備兩天線接口之間的增益，L為反饋路徑的損耗，信號(hào)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(shè)備內(nèi)各放大環(huán)節(jié)最大增益之和。在實(shí)際中，設(shè)備并非工作于最大增益狀態(tài)，而是在滿足覆蓋要求的增益下運(yùn)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(shè)備一般在33dB左右）， Pi為設(shè)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(gè)直放站系統(tǒng)（含天線）的輸出和輸入的信號(hào)功率。
根據(jù)以上關(guān)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(shè)備輸入口和輸出口之間的隔離度，即由收發(fā)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(jiàn)，直放站系統(tǒng)的穩(wěn)定性與直放站的輸入信號(hào)強(qiáng)度Pi，輸出信號(hào)強(qiáng)度Po，收發(fā)信天線隔離度L三個(gè)因素有直接關(guān)系，其中Po是已知的，L與收發(fā)信天線間的傳播環(huán)境和收發(fā)信天線的增益有關(guān)，Pi由基站到直放站間的傳播環(huán)境有關(guān)。
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(hào)（Pia）越弱所需的隔離度越大。同時(shí)（5）式也確定了要使直放站穩(wěn)定工作必須滿足的隔離度條件：L>Po-Pi
當(dāng)然，要使直放站系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行除要滿足Po-Pi<L外，還需要Pi大于直放站主機(jī)的靈敏度。（一般在-75dBm左右）。
2．收發(fā)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(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定是至關(guān)重要的，在直放站勘測(cè)選址過(guò)程中需要對(duì)隔離度進(jìn)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(jié)果，主要包括：空間隔離和建筑物隔離。（下文的隔離度為信號(hào)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(fā)信天線間相距一定距離形成的空間損耗。可用下面半經(jīng)驗(yàn)的公式計(jì)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(shù)(水平方向圓圖)造成的損耗，具體數(shù)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(shí)有3dB的附加損耗。當(dāng)上下行天線夾角為180。時(shí)，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(shù)，與水平方向性函數(shù)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(nèi)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(hào)衰落而形成隔離。這種隔離沒(méi)有較為奏效的，一般采用直接代入經(jīng)驗(yàn)值的方法。如一堵墻的隔離度為10~20dBm。
  3、隔離度的測(cè)量
由于無(wú)線信號(hào)的傳播受多方面因素的，通過(guò)計(jì)算只能較為粗略的確定隔離度的大小，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中如果需要比較準(zhǔn)確的隔離度值可以才通過(guò)實(shí)地測(cè)量的辦法獲得。
將已知強(qiáng)度為p的信號(hào)加在下行天線上，用測(cè)試手機(jī)在上行天線處測(cè)量接收到的信號(hào)強(qiáng)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(biāo)稱功率與實(shí)際輸出功率
在直放站的說(shuō)明書(shū)中往往標(biāo)明設(shè)備的單載頻功率（一般在36dB），也就是設(shè)備只放大一個(gè)頻點(diǎn)時(shí)的輸出功率，實(shí)際工作中頻點(diǎn)數(shù)量每增加一倍設(shè)備輸出功率就減少3dB。
5、覆蓋預(yù)測(cè)
直放站開(kāi)通的最終目標(biāo)是滿足覆蓋需要，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)設(shè)備的覆蓋情況進(jìn)行預(yù)測(cè)是十分必要的。
5.1 Okumura/Hata公式
　　Okumura/Hata模型是較為廣泛的覆蓋預(yù)測(cè)模型，它是以準(zhǔn)平滑地形的市區(qū)作基準(zhǔn)，其余各區(qū)的影響均以校正因子的形式出現(xiàn)。Okumura/Hata模型市區(qū)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(qū)準(zhǔn)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(dòng)臺(tái)天線有效高度（m）
　　d ：移動(dòng)臺(tái)與基站之間的距離（km）
α(hm)：移動(dòng)臺(tái)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(jī)天線有效高度為1.5米，則在GSM900系統(tǒng)中，α(hm)約為0。上式可表達(dá)為：
Lb=146.833-13.82lghb+（44.9-6.55lghb）lgd-s(a)       
　　對(duì)于郊區(qū)采用如下修正辦法：
Lbs＝ Lb（市區(qū)）－2[lg（f/28）]2-5.4       （12）
對(duì)于鄉(xiāng)村采用如下修正辦法
Lbs＝ Lb（市區(qū)）－[lg（f/28）]2-2.39(lgf)2+9.17lgf-23.17    （13）
對(duì)于開(kāi)闊地采用如下修正辦法
Lbq= Lb（市區(qū)）－4.78（lg f）2＋ 18.33lg f－40.94    （14）
5.2 Okumura/Hata公式在直放站覆蓋估測(cè)中的應(yīng)用
在應(yīng)用Okumura/Hata公式之前要對(duì)覆蓋區(qū)建筑特點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真，不能盲目運(yùn)用，要根據(jù)具體情況選擇合適的修正方法。
對(duì)于如果采用鄉(xiāng)村模型預(yù)測(cè)結(jié)果將與實(shí)際結(jié)果差別較大。我國(guó)現(xiàn)階段的村莊分布零散不均勻，村與村之間多為開(kāi)闊地（農(nóng)田），村莊面積較小，村內(nèi)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(hào)傳播。一般情況下，村內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度要比村外低10-30dB。在丘陵和山地，村莊往往處于地勢(shì)較低的洼地或山谷之中，村莊之間是高地或大山。嚴(yán)重影響信號(hào)的傳播。鑒于我國(guó)現(xiàn)階段農(nóng)村建筑物特點(diǎn)可以采用市區(qū)修正方法對(duì)農(nóng)村覆蓋進(jìn)行預(yù)測(cè)。建筑物密度可通過(guò)下式計(jì)算獲得：
a＝戶數(shù)×150/村莊面積       （15）
6、室外直放站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟
室外直放站的設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和覆蓋設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，通過(guò)以上論述，可以把直放站的設(shè)計(jì)步驟歸納如下：
（1）根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度、覆蓋及地理因素選擇選擇上站地點(diǎn)。
（2）根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度，設(shè)備輸出功率以及上下行天線的參數(shù)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(shí)實(shí)地測(cè)量隔離度。
（4）覆蓋預(yù)測(cè)模型如：Okumura/Hata模型進(jìn)行覆蓋預(yù)測(cè)。如不能保證覆蓋，則要調(diào)整直放站的下行天線過(guò)高等以滿足覆蓋需求。
（5）根據(jù)設(shè)計(jì)方案實(shí)施工程，驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性和覆蓋情況。
7、其他
出于對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的角度考慮，在直放站的設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中除了要遵循上述原則外，還要注意以下幾點(diǎn)：
（1）上行天線應(yīng)對(duì)準(zhǔn)基站，如果上行天線偏離基站，直放站的上行信號(hào)可能會(huì)給附近其他基站帶來(lái)干擾，使掉話增加。
（2）上行增益要恰當(dāng)設(shè)置，如果上行增益過(guò)大會(huì)使上行信號(hào)過(guò)強(qiáng)，使基站接受放大器飽和以致無(wú)法接收信號(hào)。如果上行信號(hào)過(guò)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(yīng)過(guò)大，有些直放站為了滿足覆蓋，設(shè)置了過(guò)大的下行增益，使功放超過(guò)額定功率工作，致使輸出信號(hào)畸變，諧波成分增加帶來(lái)不必要的干擾，是掉話增加。