直放站在移动系统中的应用.docx

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直放站在移动系统中的应用

直放站在移动通信系统中的应用

在移动通信组网布局中，出于投资及地形地物等方面的考虑，会出现覆盖不到的地域，通常称为盲区或死角，如村镇、旅游风景区、公路、铁路、厂矿、隧道、小区、别墅等地方。

而解决这些问题的最经济、最有效、最直接的方法，就是采用移动通信中继设备——直放站（Repeater），扩大和延伸基站的覆盖范围，提高现有网络设备利用率。

直放站有以下几种常见类型：

无线直放站、光纤直放站、移频直放站。

第一节各类直放站的使用

一、无线直放站

1）无线直放站的概念

直放站实际上就是一个同频双向放大的中继站（Repeater），用以实现接收和转发来自基站和移动用户的信号，其中有一类为无线直放站（RFRepeater）。

它的主要特点是其信号的引入采用无线（射频）空间耦合方式，即通过采用施主定向天线从基站引入信号，所以直放站的站址处必须能接收到良好的基站信号。

其输出信号的频率与输入信号的频率相同，故其信道是透明的。

无线直放站主要由施主天线（对基站方向）、直放站主机、和用户天线（对用户方向）三个部分组成。

施主天线的作用是沟通基站和直放站间的上下链路，一般采用方向性强、增益高的定向天线。

用户天线用于覆盖区的信号发射和接收，一般采用定向板状天线。

直放站主机包括双工滤波器（Duplex）、低噪声放大器（LNA-lownoiseamplifier）、功率放大器（PA-poweramplifier）等。

前向放大器放大基站至移动台的下行信号（前向信号），反向放大器放大移动台至基站的上行信号（反向信号），由于上下行信号频率相差很大即双工间隔很大（如GSM900、CDMA800的双工间隔为45MHz），可利用双工滤波器和前端滤波器方便地将两路信号分开。

室外直放站一般可获得80dB以上的增益，覆盖距基站30km以内的地区，主要为离基站不太远的村镇、公路、厂矿、旅游区等地域。

无线直放站接入信源基站的方式（空间耦合）使无线直放站无需另外架设传输线路，加快了建站速度、降低了工程投资，使之具有极高的性价比，同时还具有简单、易于安装、见效快等优点。

2）无线直放站建设应注意的问题

（1）.信源的选取

直放站信源的选取直接关系到无线直放站的整体覆盖效果。

必须保证施主天线的接收信号强度足够强，以保证直放站的输出功率及信号质量。

根据以往经验，直放站的接收信号电平不宜低于-75dBm。

从频率角度出发，施主信源小区信号应在现场电磁环境中占主导，比相邻小区信号高6dB以上最佳，这样可以避免切换和信道间相互干扰的问题发生。

另外，施主基站应该有话务容量冗余可以负担直放站覆盖区域内的话务量。

（2）.选频方式

无线直放站根据选频方式，可分为两种，一种是频段选频直放站，一种是载波选频直放站。

电磁环境千变万化，对于电磁环境相对干净的区域，无线直放站可以采取宽带选频的方式，此类选频方式的设备投资相对较低，有较高的性价比，而且完全可以胜任覆盖；在施主信源小区不能占主导的情况下，可以采用具有优良选频特性的载波选频直放站，该类型直放站可任意选择运营商工作频带内若干个带宽200KHz的载波信号，针对性的放大施主小区信号，滤除无用小区信号，实现优质覆盖。

但载波选频直放站不适合射频跳频的系统。

（3）.供电方式

供电方式有两种可供选择，一种为220V交流电供电，另一种为太阳能供电。

对于偏远地区及电源不太稳定区域应采用交流电加电池浮充供电系统以保证直放站系统的不间断供电；对于无电源供给地区如边远山区、公路、海岛和草原等，无线直放站可以利用太阳能供电系统供电。

（4）.隔离度

隔离度要求是无线直放站工程中很关键的一项指标，一旦施主天线和用户天线间隔离度不能满足直放站增益的需求（隔离度小于增益），无线直放站则会产生自激。

提高隔离度的办法通常是增大两付天线的垂直或水平距离，选择高前后比的天线或利用地形、地物增大隔离度。

（5）.控制上行噪声

基站引入直放站后造成基站上行噪声上升，使基站接收机的灵敏度下降，影响程度与直放站上行增益设置有关，增益越大影响越大，在直放站工程设计时应充分考虑到这点。

将上行增益设置到最合理值，控制上行噪声电平，将其对网络的影响降到最低。

原则上应保证上行噪声上升不高于2.4dB，这样才能保证不对施主基站造成大的影响。

（6）.监控系统

室外无线直放站做为对移动网络的补充，它在现行网络的覆盖中发挥了越来越重要的作用。

由于大多数直放站安装在室外，给维护工作带来了很大的困难。

监控系统能对其进行参数设置、调整，在网络维护方面起了非常重要的作用，是必不可少的一项补充。

二、光纤直放站

1）光纤直放站的概念

光纤直放站主要由中继端机（或近端机，在基站机房内耦合信号）、光传输网络、远端机和天线系统组成。

如下图所示：

中继端机将基站射频信号耦合下来，并将射频信号转换成光信号；

光传输网络将信号传送到远端；

远端机主要包括双工滤波器（Duplex）、低噪声放大器（LNA-lownoiseamplifier）、功率放大器（PA-poweramplifier）、光端机等设备，将射频信号从光信号中解调出来，并滤波、放大；

用户天线用于覆盖区的信号发射和接收，可采用全向或定向天线。

前向放大器放大基站至移动台的下行信号（前向信号），反向放大器放大移动台至基站的上行信号（反向信号），由于上下行信号频率相差很大即双工间隔很大（如GSM900、CDMA800的双工间隔为45MHz），可利用双工滤波器和前端滤波器方便地将两路信号分开。

光纤直放站一般可获得80dB以上的增益，主要完成为离基站较远的村镇、公路、厂矿、旅游区等地域的覆盖。

该系统具有建站速度快、工程投资低，见效快等优点，具有极高的性价比。

2）光纤直放站建设应注意的问题

（1）.信源的选取

信源的选取直接关系到整体覆盖效果。

必须保证施主基站应该有话务容量冗余可以负担光纤直放站覆盖区域内的话务量。

（2）.光纤的传输距离

在应用GSM直放站组网时，必须考虑到系统的传输时延。

理想情况下，由于时隙保护作用，移动台与基站间的距离达到35公里时仍能进行通话，但考虑到直放站本身的时延和覆盖区域的时延，所以无线直放站的最大传输距离不超过25公里。

由于光纤的传输时延是自由空间传输的1.5倍左右，所以光纤直放站的最大传输距离不超过15公里。

（3）.供电方式

供电方式有两种可供选择，一种为220V交流电供电，另一种为太阳能供电。

对于偏远地区及电源不太稳定区域应采用交流电加电池浮充供电系统以保证系统的不间断供电；对于无电源供给地区如边远山区、公路、海岛和草原等，可以利用太阳能供电系统供电。

（4）.安全性

光纤直放站一般安装在野外，安全性十分重要。

一方面要做好防雷措施，做好接地工作；整个系统一般要做好天线、馈线、主机、铁塔良好接地，接地电阻要小于5欧姆。

另一方面要做好防盗措施。

（5）.控制上行噪声

基站引入光纤直放站后造成基站上行噪声上升，使基站接收机的灵敏度下降，影响程度与光纤直放站上行增益设置有关，增益越大影响越大，在光纤直放站工程设计时应充分考虑到这一点。

将上行增益设置到最合理值，控制上行噪声电平，将其对网络的影响降到最低。

原则上应保证上行噪声上升不高于2.4dB，这样才能保证不对施主基站造成大的影响。

（6）.监控系统

光纤直放站做为对移动网络的补充，它在现行网络的覆盖中发挥了越来越重要的作用。

由于光纤直放站安装在室外，给维护工作带来了很大的困难。

监控系统能对其进行参数设置、调整，在网络维护方面起了非常重要的作用，是必不可少的一项补充。

三、移频直放站

1）移频直放站的概念

移频直放站具有无线转发、双向放大GSM基站上下行链路信号、有效扩展和填补移动通信覆盖盲区的功能。

在利用直放站扩大网络覆盖的一些场合，由于受安装条件的限制，收发天线的隔离度很难保证，如公路边的电线杆、铁塔、乡村的屋顶等。

这种场合使用一般的直放站，开不出足够的系统增益和输出功率，不能有效补充和延伸网络的覆盖。

而移频转发系统采用移频转发技术，只需较小的收发天线隔离度，就可以输出足够的系统增益和输出功率，比较好地解决这些地域GSM网络的覆盖。

移频直放站由中继端机、远端机及天线系统（包含链接天线）组成。

如图所示：

中继端机：

通过直接或无线耦合的方式将基站射频信号（F1）耦合下来，并将射频信号转换成链接频率（F2）的信号；

链接天线：

将链接频率由中继端机传至远端机，IS-95系统中链接频率采用带内移频的方式（F2为800M系统中的频点），GSM系统中链接频率采用1500M公共频段、DCS1800M、1900M三种系统的频率作为链接频率；

远端机将链接频率（F2）的信号转换成原射频信号（F1）并滤波、放大；

用户天线用于覆盖区的信号发射和接收，可采用全向或定向天线。

移频直放站一般可获得较高的增益（直接耦合增益最大为27dB，无线耦合增益可获105dB的增益），主要完成为离基站较远的村镇、公路、厂矿、旅游区、住宅小区等大型地域的覆盖。

该系统具有建站速度快、工程投资低，见效快等优点，具有极高的性价比。

2）移频直放站建设应注意的问题

（1）.信源的选取

选取信源基站时必须保证施主基站应该有话务容量冗余，避免因引入移频直放站系统而导致网络拥塞。

同时，GSM900M系统的移频直放站多为2载频设备，当需覆盖话务量较高的大型区域时，可以采用并联主机的方式达到扩容的目的。

并联方式如下：

（2）.链接频率的选取

链接频点的选取需与运营商协调，这样既不会扰乱运营商的频率规划又可以尽量避免系统间的干扰。

同时，两个链接频点之间至少要相差5个频点（1MHz），而且确保没有邻频、同频干扰。

频点选取需进行扫频测试。

（3）.供电方式

供电方式主要为220V交流电供电，远端机还可以外接蓄电池供电。

（4）.安全性

移频直放站一般安装在室外，安全性十分重要。

一方面要做好防雷措施，做好接地工作；整个系统一般要做好天线、馈线、主机、铁塔良好接地，接地电阻要小于5欧姆。

另一方面要做好防盗措施。

（5）.控制上行噪声

基站引入光纤直放站后造成基站上行噪声上升，使基站接收机的灵敏度下降，影响程度与光纤直放站上行增益设置有关，增益越大影响越大，在光纤直放站工程设计时应充分考虑到这一点。

将上行增益设置到最合理值，控制上行噪声电平，将其对网络的影响降到最低。

原则上应保证上行噪声上升不高于2.4dB，这样才能保证不对施主基站造成大的影响。

（6）.监控系统

移频直放站做为对移动网络的补充，它在现行网络的覆盖中发挥了越来越重要的作用。

由于光纤直放站安装在室外，给维护工作带来了很大的困难。

监控系统能对其进行参数设置、调整，在网络维护方面起了非常重要的作用，是必不可少的一项补充。

第二节单台直放站引入的干扰

由于电子器件存在热噪声，直放站在正常工作时不可避免会有噪声电平输出，其输出的噪声电平为：

PREP-Noise=10log（K、T、B）+FREP+GREP（dB值）

式中PREP-Noise——直放站上行输出噪声电平；

K——波尔兹曼常数（1.38×10-23）；

T——噪声温度，可取295K（绝对温度）；

B——GSM载波信号带宽，0.2MHz；

Frep——直放站噪声系数（dB）；

Grep——直放站上行增益（dB）；

直放站上行输出的噪声电平PREP-Noise经过上行路径损耗后发送到基站，在基站接收机输入端注入直放站的噪声，引入到基站的噪声电平为

Prep-inj=Prep-Noise–Ld（dB）

式中Ld：

从直放站上行输出端口到基站接收端口的路径损耗（dB）。

由于直放站噪声的引入，在基站输入端的总输入噪声将是基站噪声与引入的直放站噪声之和，如下式所示：

PBTS-Noise-Total=PBTS-Noise+Prep-Inj

式中PBTS-Noise=10log（K、T、B）+FBts为基站输入端噪声电平（dB）；

FBts：

基站的噪声系数（dB）。

由上式可知，直放站的引入，将使基站接收机输入端的噪声电平增加，这种噪声增量用dB值表示为：

=10log

将PBTS-Noise和PREP-INj代入上式，则在基站输入端由直放站引入的噪声增量为：

ΔFBTS-rise=10log[1+10

]（dB）

=10log[1+10

]（dB）

Nrise=（FREP-FBTS）+（GREP-Ld）（dB）

Nrise我们定义为噪声增量因子，由上式可知：

噪声增量因子Nrise=直放站与基站的噪声系数差+上行增益与路径损耗差。

噪声增量因子Nrise可以≥0或≤0，其数值越大，引起基站的噪声增量就越大，对基站的影响就越大；其数值越小，对基站的影响就越小。

在工程设计中，直放站和基站的噪声系数是已知的常数，因此噪声增量因子的变量是直放站上行增益GREP和直放站与基站间的路径损耗。

一旦直放站安装完毕，进入开通调试时，上行路径损耗中值在短时间内会是相对稳定的值，此时上行增益的大小决定噪声增量因子，显然上行增益越大，噪声增量因子越大；上行增益越小，噪声增量因子越小。

在实际工程中我们会注意到，如果将上行增益调得太小会减小直放站的上行覆盖范围。

直放站与基站级联工作的系统里，直放站的上行覆盖距离与噪声增量因子的四个参数（直放站噪声系数FREP、基站噪声系数FBTS、直放站上行增益GREP、以及直放站到基站间的路径损耗Ld）有关。

应用级联放大器噪声系数的分析方法，可以求解出当直放站与基站级联工作时，在直放站输入端也会产生噪声增量，直放站级联系统的输入端等效噪声系数，要高于直放站本机的噪声系数，在直放站上行输入端引入的噪声增量同样可用噪声增量因子Nrise来表示，如下式所示

由上式可知，基站噪声增量与噪声因子Nrise成正比，而直放站的噪声增量与噪声增量因子成反比。

当基站覆盖区引入直放站后，基站和直放站的噪声系数均增加一个噪声增量，分别为：

基站总噪声系数FBTS-Total=FBTS+△FBTS-rise

直放站级联总噪声系数FREP-Total=FREP+△FREP-rise

当Nrise=0时，基站和直放站的噪声系数均在原有数值上增加了3dB，对上行覆盖范围的影响是相同的。

当Nrise＜0时，基站的噪声增量将＜3dB，Nrise越小，对基站的噪声影响就越小，例如，当Nrise=-10dB时，△FBTS-rise只有0.4dB，这时对基站的覆盖范围不会有影响。

但是当Nrise越小时，对直放站的噪声影响就越大。

当Nrise=-10dB时，直放站的噪声系数将增加10.4dB，这意味着直放站的覆盖距离要缩短1倍以上。

当Nrise＞0时，基站的噪声增量将＞3dB，直放站的噪声增量将＜3dB，Nrise越大，基站的覆盖范围距离越小，而直放站的覆盖距离就越大。

综上所述，在由基站和直放站级联组成的无线接入系统里，如果要扩大直放站的覆盖范围，基站将不可避免承受直放站带来的噪声影响，如果希望一个基站带多台直放站时，这种影响将会更大。

为了工程参考方便，下面给出引入单台直放站时，Nrise和基站噪声增量、基站级联噪声增量的关系如下：

第三节多台直放站引入的干扰

上述讨论的级联噪声系数仅仅是1个施主基站配置1台直放站的情况，在实际应用中，经常会需要1个施主基站配置多台直放站。

基站引入多台直放站的应用形式主要有三种：

星形、串联形及星形与串联形混合。

大多数的应用属星形，后两者也会有应用。

对于这三种应用形式，我们只讨论星形和串联形的级联噪声系数，混合形的级联噪声系数可以从星形和串联形的结果中得到。

一、星形结构多台直放站级联噪声系数与上行增益

由多个直放站与基站组成的星形无线覆盖网如图3所示。

星形结构直放站系统示意图

为了分析方便，假设所有直放站具有相同的噪声系数，同时要求各直放站具有相同反向覆盖最大链路损耗，这些假设符合实际应用要求。

为了保证每个直放站能获得相同的反向覆盖最大链路损耗，则要求在基站端接收到每个直放站发来的上行噪声电平必须相同。

由于各直放站到达基站的链路损耗（L1、L2、L3……Ln）各不相同，为了使各直放站发送到基站的噪声电平相同，各直放站的上行增益应满足下式：

G1－L1=G2－L2=G3－L3=Nrise（12）

Nrise=GREP－LBTS—REP

其中：

LBTS-REP=

GREP=

上式表明当直放站与基站之间的链路损耗大时，其直放站的上行增益需要大，当链路损耗小时，其直放站增益也要小，但是各个直放站所设置的上行增益与其对应的上行链路损耗之差值必须相同。

在满足上式的条件下，星形结构的施主基站和各直放站的级联噪声系数分别为：

基站级联噪声系数：

NFBTS-cascade=NFBTS+△NFBTS

=NFBTS+10[1+n·10Nrise/10]（13）

直放站级联噪声系数：

NFREP-cascade=NFREP+△NFREP

=NFREP+10[n+10-Nrise/10]（14）

式中：

n为直放站数

二、串联形结构多台直放站级联噪声系数与上行增益

由多个直放站与基站组成的串联结构如图4所示：

串联形连接的直放站系统示意图

对串联形结构的分析，可等同于级联放大器的等效噪声系数分析。

如果要求各直放站具有相同的上行覆盖最大链路损耗，那么各个直放站在施主基站接收机所贡献的噪声增量必须相同。

应用级联放大器噪声系数分析方法，可以证明在各直放站的上行增益（G1、G2、G3……Gn）满足下式时，各直放站将具有相同的级联噪声系数，也就是具有相同的上行覆盖最大全链路损耗。

L2-G2=L3-G3=…….=Ln-Gn=0（15）

令：

LBTS-REP=L1GREP=G1

在满足上式的条件下，串联结构的施主基站和各直放站的噪声增量与星形结构具有相同的表达式。

串联结构的施主基站噪声增量可用（13）式表示，各直放站的噪声增量可用（14）式表示。

基站级联噪声系数：

NFBTS-CASCADE=NFBTS+△NFBTS

=NFBTS+10[1+n·10Nrise/10]

直放站级联噪声系数：

NFREP-CASCADE=NFREP+△NFREP

=NFREP+10[n+10-Nrise/10]

式中：

n为直放站数Nrise=G1-L1

下图给出了引入多台直放站的噪声增量曲线图。

从图中可见，随着直放站站数的增加，直放站噪声增量和基站的噪声增量也随之增加，由此带来的结果是基站和直放站的反向覆盖最大链路损耗减小，覆盖区要比引入单个直放站时要小。

基站、直放站系统等效噪声系数曲线图

综上所述，不管引入单台直放站或多台直入站，为了能更好地达到基站和直放站的覆盖效果，在网络规划设计阶段需将基站和直放站的设计放在一起考虑，需要合理分配噪声增量，在预测上行覆盖距离时，需要考虑噪声增量对覆盖距离的影响。

只有合理分配基站和直放站的噪声增量，才能取得基站和直放站双赢的覆盖效果。

第四节塔放及其它放大器应用

一、塔放的概念

塔顶放大器主要用来解决移动通信基站台上、下行不平衡的问题。

在目前的网络优化与建设中，塔放有着越来越广泛的应用。

二、塔放原理

  基站接收灵敏度的提高一直是一个困难的问题，这主要是由于基站接收系统的有源器件和射频导体中的电子热运动引起的热噪声。

如：

接收回路中的馈线、跳线和基站内的接收分路器、高频放大器等。

这些热噪声的引入，降低了系统接收的信噪比（S/N），从而限制了基站接收灵敏度的提高、降低了通话质量。

信号传输中的多级放大器原理有利于改善系统热噪声的影响。

对一个多级放大系统，它的系统噪声系数为：

NF=F1+（F2-1）/G1+（F3-1）/G1*G2+……

其中：

F1,F2,F3…是第一级到第三级的的噪声系数

G1,G2…是第一级到第二级的增益

从上述公式中可以看出，多级放大系统的噪声主要取决于第一级的噪声系数F1。

塔顶放大器的原理就是通过在基站接收系统的前端，即紧靠接收天线下增加一个低噪声放大器来实现对基站接收性能的改善。

塔放产品一般具有12dB的上行增益，其目的是补偿接收天线到基站接收机之间的馈线损耗。

但这个参数并不是越大越好，当上行增益过大（或基站塔不高，馈线损耗不大）时，容易引起基站接收机的自激从而影响网络指标。

三、塔放的作用

 塔放主要有以下几方面的作用：

1）扩大基站有效覆盖范围

在移动通信系统中，由于基站和移动台发射功率和接收灵敏度的差异，会造成上、下行功率不平衡。

往往易出现移动台能收到基站的信号，而基站收不到移动台的信号，因此对一个基站的覆盖范围取决于移动台到基站的上行有效距离。

塔放降低了基站接收系统的噪声系数，也就是提高了基站接收灵敏度，增加了基站上行传播损耗容量。

通常塔放可降低基站接收噪声系数2-5dB，也就是增加基站上行传播损耗容量2-5dB。

2）改善上行弱信号覆盖

安装塔放后可以改善上行信号电平强度，有效解决因上行信号弱而引起的切换和掉话事件的发生。

这也表明塔放产品对于存在上行弱电平的基站的优化有显著的意义。

3）降低掉话率，提高通话质量

塔放上行部分最根本的技术原理是降低基站接收系统的噪声系数。

塔放的引入可以提高基站信噪比，通话质量可以显著提高。

4）降低手机输出功率、减少上行信号的干扰

干扰是困扰移动通信的一大问题。

加装塔放的基站，由于其上行接收电平得到加强。

因此，所需的手机发射功率可以降低，这不仅为手机用户带来节省电池和减少辐射的好处，更重要的是它有效降低了上行链路的同频和邻频干扰，尤其在移动用户数高速增长、手机干扰越来越突出的今天，降低手机输出功率的意义就尤为突出。

5）投资小、见效快

相对基站建设，塔放产品的使用可有效节约网络建设资金且建设周期很短，可以快速投入运营。

四、总结

 合理运用塔放技术可效提高基站的性能指标并可为网络优化和建设提供一个有效的手段。