直放站知识梳理.docx

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直放站知识梳理

直放站概述

1.直放站的定义

直放站（中继器）属于同频放大设备，是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备。

直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强器。

直放站在下行链路中，由施主天线现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。

在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基地站与手机的信号传递。

直放站是一种中继产品，衡量直放站好坏的指标主要有，智能化程度（如远程监控等）、低IP3（无委规定小于-36dBm）、低噪声系数（NF）、整机可靠性、良好的技术服务等。

使用直放站作为实现“小容量、大覆盖”目标的必要手段之一，主要是由于使用直放站一是在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖，二是其造价远远低于有同样效果的微蜂窝系统。

直放站是解决通信网络延伸覆盖能力的一种优选方案。

它与基站相比有结构简单、投资较少和安装方便等优点，可广泛用于难于覆盖的盲区和弱区，如商场、宾馆、机场、码头、车站、体育馆、娱乐厅、地铁、隧道、高速公路、海岛等各种场所，提高通信质量，解决掉话等问题。

2.直放站的种类与类型

（1）移动通信直放站的种类

---从传输信号分有GSM直放站和CDMA直放站;

---从安装场所来分有室外型机和室内型机;

---从传输带宽来分有宽带直放站和选频（选信道）直放站;

---从传输方式来分有直放式直放站、光纤传输直放站和移频传输直放站。

（2）移动通信直放站的类型

GSM移动通信直放站

GSM移动通信直放站是解决基站覆盖而存在信号盲区的一种方式。

通过架设直放站不但能改善覆盖效果，同时能大大减少投资基站之成本。

GSM直放站是为消除GSM900MHz/1800MHz频段移动通信网的小范围信号盲区或弱信号区而设计生产的通信设备。

被广泛应用于地下商场、停车场、地铁、隧道、高层建筑的办公室、娱乐场所、电梯或私人住宅等基站信号所无法到达的信号盲区，同时对于消除城市因受高楼大厦影响而产生的室外局部信号阴影区或边远郊区个别村镇的弱信号区也具有相当好的覆盖效果。

CDMA移动通信直放站

CDMA直放站可以扩大CDMA基站的覆盖范围，大大节省CDMA网络建设的投资（一个CDMA直放站的投资约为一个CDMA基站的十分之一）。

特别是在高层楼宇、地下（如地铁）、以及盲区等特殊环境下，CDMA直放站将充分发挥它的优势。

由于各种地理环境和用户的要求不同，所需的CDMA直放站的类型也不同。

CDMA直放站是为了消除移动通信网覆盖盲区或弱信号，延伸基站信号覆盖的一种中继设备，它能解决消除城市因受高楼大厦影响而产生的室外局部信号阴影区，地下停车场、地下隧道、商场、电梯等基地无法到达信号的盲区，提高了覆盖范围增强了信号覆盖延伸。

GSM/CDMA光纤直放站

光纤中继移动通信直放站由靠近基站侧的近端机及覆盖区侧的远端机两部分组成，适用于在基站拟建直放站区有高山阻挡或两者相距甚远，同时基站和覆盖区之间具备光缆情况下建站。

光纤直放站兼备宽带、选带、选频等功能。

传输距离可达20Km，由于空间隔离度好，不产生同频干扰，重发方向可采用全向天线覆盖，以提高覆盖效果。

应用波分复用式分光、分路技术、光纤直放机还可组成其它使用系统。

3.移动通信直放站的构成

移动通信直放站的构成因种类而异。

（1）直放式直放机

下行从基站接收信号，经放大后向用户方向覆盖；上行从用户接收信号，经放大后发送给基站。

为了限带，加有带通滤波器。

（2）选频式直放站

为了选频，将上、下行频率下变频为中频，进行选频限带处理后，再上变频恢复上、下行频率。

（3）光纤传输直放站

将收到的信号，经光电变换变成光信号，传输后又经电光变换恢复电信号再发出。

（4）移频传输直放站

将收到的频率上变频为微波，传输后再下变频为原先收到的频率，放大后发送出去。

（5）室内直放站

室内直放站是一种简易型的设备，其要求与室外型机是不一样的。

4.直放站的应用

（1）直放站的应用原则

根据直放站系列产品的特点和移动通信网络的需求，不同的地理环境及应用场合，系统的解决方案是不同的，这需要认真分析，区别对待。

对于无线直放站来说，信号的隔离显得尤为重要。

无线直放站是从空间接收信号，势必要求空间信号尽可能纯净；而在基站较为密集区域，分离不同基站或扇区信号的难度将大大增加，容易使直放站增加对基站干扰。

所以在基站较为密集区域，建议尽量采用有线信号的引入方式，比如光纤直放站。

在不具备使用光纤直放站条件的场所，只能采用无线直放站，但其施主天线必须具有足够的方向选择性。

针对各类地区及应用场所，由于基站的密集性、用户话务量等不同，建议采用如下直放站的应用原则：

城市密集区

由于用户量大，基站数量较多，一般不存在大范围的信号盲区，直放站只是用于解决小范围区域的补盲以及建筑物内的信号覆盖。

在光纤到楼尚未普及的情况下，需采用无线直放站。

随着建筑物的增多，所需的直放站数量也会随之增加，就会出现一个基站配置多台直放站的情况。

但直放站的引入必然对基站产生干扰，干扰会随着直放站数量的增多而加大，特别是大功率直放站的引入，会使系统干扰明显加剧。

因此，在城市密集区应当采用小功率（1W以下）直放站。

城市边缘

在CDMA网络建设初期，由于基站数量较少，可以采用大功率的无线或光纤直放站。

城市边缘地区，主要是解决信号覆盖问题。

在已铺设光纤的地区最好采用输出功率为10W的光纤直放站。

无光纤资源时，可利用无线直放站进行延伸覆盖。

采用方向性好的施主天线提取较为纯净的源信号，输出功率为5W/10W，等同于基站的输出，达到较好的覆盖效果率。

郊区、乡村

郊区、乡村主要是解决覆盖问题。

在铺设光纤的地区最好采用大功率光纤直放站（10W/20W）扩大覆盖范围。

对于无光纤资源但又能收到基站信号的地区，可采用无线直放站解决覆盖问题。

特殊情况下，还可采用移频直放站来增加覆盖距离。

（2）直放站的应用场合

GSM、CDMA和光纤直放站和室内覆盖系统为各种信号盲区可提供不同的详细解决方案，其适应范围如下：

扩大服务范围，消除覆盖盲区，如高山，建筑物，树林等阻挡物而形成的信号盲区；

在郊区增强场强，扩大郊区站的覆盖；

沿高速公路架设，增强覆盖效率；

解决室内覆盖，如大型建筑物内信号衰减信号盲区、地下商城、地铁、遂道等衰减信号盲区；

将空闲基站的信号引到繁忙基站的覆盖区内，实现疏忙；

其它因屏蔽不能使信号直接穿透之区域等。

功率/电平（dBm）：

衡量放大器的输出能力，一般单位用w、mw、dBm来表示。

注：

dBm是取1mw作基准值，以分贝表示的绝对功率电平。

换算公式：

电平（dBm）=10lgmw

5W　→10lg5000=37dBm

10W→10lg10000=40dBm

20W→10lg20000=43dBm

从上不难看出，功率每增加一倍，电平值增加3dBm。

回波损耗211917.616.615.614.0

（dB）

三阶交调：

若输入两个正弦信号f1和f2由于放大器的非线性作用将产生许多互调分量，其中的2f1-f2和2f2-f1两个频率分量称为三阶交调分量，其功率P3和信号f1或f2的功率之比称三阶交调系数M3。

即M3=10lgP3/P1（dBc）

f3=2f1-f2

f4=2f2-f1

f5=3f1-2f2

f6=3f2-2f1

插损：

当某一器件或部件接入传输电路后所增加的衰减，单位用dB表示。

滤波器（filter）：

通过有用频率信号抑制无用频率信号的部件或设备。

选择性：

衡量放大器工作频带内信号的增益及对带外辐射信号的抑制能力。

-3dB带宽即增益下降3dB时的带宽、-40dB、-60dB同理。

噪声系数：

指放大器在工作频带范围内，输出信噪比与输入信噪比的比值，实际使用中化为分贝来计算。

单位用dB表示。

耦合度：

耦合端口与输入端口的功率比,单位用dB表示。

隔离度：

信号泄露到其他端口的功率与原有功率之比，单位dB表示。

耦合器：

是从主干通道中提取出部分信号的器件，是一种非等功率分配的器件。

耦合度＝5dB,隔离度＝20dB

定向度=耦合度＋隔离度

定向度＝25dB

天线（antenna）：

天线是将高频电流或波导形式的能量变换成电磁波并向规定方向发射出去或把来自一定方向的电磁波还原为高

频电流的一种设备。

天线增益（dBi）：

指天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的能力。

一般把天线的最大辐射方向上的场强E与理想全向天线均匀辐射场场强E0相比，以功率密度增加的倍数定义为增益。

Ga=E2/E02

天线方向图：

?

是天线辐射出的电磁波在自由空间存在的范围。

方向图宽度一般是指主瓣宽度即从最大值下降一半时两点所张的夹角。

?

E面方向图指与电场平行的平面内辐射方向图；

?

H面方向图指与磁场平行的平面内辐射方向图；一般是方向图越宽，增益越低；方向图越窄，增益越高。

天线前后比：

指最大正向增益与最大反向增益之比，用分贝表示

光端机：

主要由光发射机和光接收机组成，功能是将要传送的电信

号及时、准确的变成光信号并输入到光纤中进行传播（光

发送机）；在接收端再把光信号及时、准确的恢复再现成

原来的电信号（光接收机）。

由于通信是双向的，所以光

端机同时完成电/光（E/O）和光/电（O/E）转换。

波分复用器：

光分波器或光合波器统称光复用器，它能将多个载波进

行分波或合波，使光纤通信的容量成倍的提高。

目前采

用1310nm/1550nm波分复用器较多，它可将波长为1310nm

和1550nm的光信号进行合路和分路。

光衰减器：

就是在光信息传输过程中对光功率进行预定量的光衰减

的器件。

按衰减值分3、5、10、20dB五种，根据实际需

要选用。

n爱尔兰A公式：

A=λ次/秒×μ秒/呼叫

业务载荷=呼叫率×呼叫持续时间

Erl=呼叫次数/秒×秒/呼叫

如：

一幢小型办公楼的电话呼叫率为50次/小时，每次通话平均时间是5分钟，那么出楼的中继线上的业务负荷就是

50次/小时×（5/60）/次=250/60=4.2Erl

n工作原理：

施主天线将接收到的基站下行信号送到双工器，双工器对信号进行滤波后将上行信号送到低噪声放大器进行第一级放大，放大后的信号含有杂散信号这时必需对信号再次进行滤波，为了不影响后级的工作效率及对其它信号有好的抑制度，必须选择一个有好的波形矩数的滤波器才可以达到要求，在这么高的频率一般普通的滤波器没办法达到要求，我们采用中频频段选择器在中频进行滤波才可以达到要求。

通过调整滤波器的中心工作频率可使整个工作频段上移或下移，这样可根据现场的实际情况进行灵活调整。

将滤波后的信号送到大功率放大器进行放大，最后信号经双工器再次滤波后从重发天线发射出去对欲覆盖区进行信号覆盖。

移动台的上行信号以同样的工作原理反向进行放大工作。

光纤：

传输光信号的光导纤维，分多模光纤、单模光纤两大类。

光纤材料是玻璃芯/玻璃层，多模光纤的标准工作波长为850/1310nm，单模光纤的标准工作波长为1310/1550nm，衰减常数为：

0.35dB/km左右

盲区:

①无基站下行信号或下行信号微弱,小于-95dBm的区域.

②下行信号电平良好,上行信号微弱的地方.

③下行信号电平良好,但接收的下行信号中有多个基站信号,信号强度相差不大时,也可认定为盲区.

增益（dB）：

指放大器在线性工作状态下，最大输入信号电平时的放大能力，即放大倍数，采用分贝作为计量单位（dB）。

即：

（A为功率放大倍数）

如：

把2W信号放大到20W输出，其放大倍数为１０倍。

dB=10lgA=10lg10=10*1=10

2W=33dBm20W=43dBm即　放大10dB

驻波比（回波损耗）（VSWR）：

指设备输入端（或输出端）的输入信号（或输出信号）与反射信号的比值。

即回波损耗，输入一个信号然后测量其反射回来的功率比值。

附：

驻波比——回波损耗对照表：

SWR1.21.251.301.351.401.50

光纤直放站

2008-10-2717:

46

摘要：

在网络中运用直放站是低成本、快速解决网络覆盖的有效手段。

本文介绍了光纤直放站的工作原理、特点及有关的计算，对如何在GSM网络中运用光纤直放站，提高网络质量和网络设备利用率阐述了笔者看法。

　　关键词：

光纤直放站网络覆盖

　　近10年来，移动通信高速发展，运营商之间竞争日益激烈，客户对网络服务质量的要求不断提高。

面对市场竞争的压力和客户近乎苛刻的网络质量要求，运营商都纷纷加大网络投资的力度，提高网络质量。

　　建设GSM直放站是低成本、快速提高网络覆盖和网络质量的有效手段。

根据信号引入的方式不同，直放站可分为无线直放站、干线放大器和光纤直放站。

光纤直放站运用的历史较短，但与无线直放站和干线放大器相比有独特的优势，随着光器件价格降低，产品不断成熟，在网络中的运用不断增多。

下面，笔者谈一谈光纤直放站在网络中的运用。

　　一.光纤直放站的工作原理

　　光纤直放站的原理见图一，主要有以下几个部分组成：

光近端机、光纤、光远端机（覆盖单元）。

光近端机和光远端机都包括射频单元（RF单元）和光单元。

无线信号从基站中耦合出来后，进入光近端机，通过电光转换，电信号转变为光信号，从光近端机输入至光纤，经过光纤传输到光远端机，光远端机把光信号转为电信号，进入RF单元进行放大，信号经过放大后送入发射天线，覆盖目标区域。

上行链路的工作原理一样，手机发射的信号通过接收天线至光远端机，再到近端机，回到基站。

　　二.光纤直放站的传输方式

　　光纤直放站的最大特点是通过光纤进行信号传输，光纤传输可以单独敷设，也可以利用现有的传输网络，主要有3种方式：

普通双光纤方式、波分复用方式和同纤传输方式，其中波分复用和同纤方式都需要使用波分复用器。

一般来说，如果能够从基站敷设光纤至光远端机或现成的光纤网络中有富余的纤芯，都采用普通双光纤的方式解决光纤传输的问题。

采用波分复用器可以提高光纤的利用率，但由于波分复用器投资较大，一般较少使用。

　　三.光纤直放站的特点

　　无线直放站通过接收空间传播的无线信号进行放大，从而扩大基站的覆盖范围。

光纤直放站与无线直放站的最大区别在于施主基站信号的传输方式上，光纤直放站是通过光纤进行传输，而无线直放站通过空间传播，因此，光纤直放站有以下几个优点：

（1）工作稳定，覆盖效果好。

　　光纤直放站通过光纤传输信号，不受地理环境、天气变化或施主基站覆盖范围调整的影响，因此工作稳定，覆盖效果好。

（2）设计和施工更为灵活。

　　根据无线直放站的工作原理，无线直放站需把施主天线安装在可以接收到GSM信号的地方，而且接收信号强度不能小于－80dBm，所以无线直放站一般只能安装在基站覆盖范围的边缘，并向顺着基站覆盖的方向延伸覆盖。

同时，为了防止直放站自激，还需保证施主天线和覆盖天线有足够的隔离度。

因此，无线直放站的安装位置和方式受到一定限制，而且一般采用定向天线进行覆盖，覆盖范围较小。

光纤直放站在设计时无需考虑安装地点能否接收到信号；不需考虑收发隔离问题，选址方便；覆盖天线可根据需要采用全向或定向天线，因此，设计和施工的灵活性大。

　　四.光纤直放站设计中需考虑的问题

　　1.传输距离

　　光纤直放站采用光纤进行传输，光信号在光纤中传输的损耗非常小，光纤直放站信号传输的距离主要是受信号时延的限制。

GSM数字移动通信采用TDMA时分多址技术，每载频分为8个信道分时共用，即每载频8个时隙。

时隙之间的保护间隔很小，为消除手机MS到BTS的传播时延，GSM系统采用MS提前一定时间来补偿时延，时间提前量的取值范围是0～233μS，对应信号传播约70公里，由于信号一来一回是双向的，所以，GSM信号在每载频8个时隙时，空间传播距离是35km。

当引入光纤直放站延伸信号传播距离时，信号的传播时延包括了在光纤直放站上的时延和在空中传播的时延。

光信号在光纤的介质中传播时，速度是无线信号在空气中传播的2/3，加上直放站的时延（大约1.5μS）和无线信号在空中传播时延，因此，光纤直放站距离基站最远不应该大于20km。

　　2.直放站增益的计算

　　引入直放站设备，给手机和基站之间的信号增加了热噪声，增加热噪声的直接后果是降低了基站的接收灵敏度。

下面看一下应如何正确设置直放站的增益，减小引入直放站对GSM网络的影响。

　　２.1基站接收端的噪声

　　在没有引入直放站的情况下，基站接收端的噪声为热噪声和基站噪声系数之和，称为基站底噪声。

热噪声的计算公式为：

N＝10Lg[KTB]，其中K为波次曼常数，T为绝对温度，B为信号带宽；基站噪声系数Nfbts一般为2dB。

因此，基站接收端的底噪声电平Npbts为：

Npbts=10Lg[KTB]＋Nfbts=-121dBm/Hz＋2dB＝－119dBm当引入直放站，该基站成为直放站的施主基站后，其接收端的噪声为基站底噪声加上直放站的噪声增量。

　　2.2引入直放站后基站接收端噪声的变化

　　基站接收端接收到直放站的噪声电平与直放站的上行增益有关，下面看一看直放站上行增益对基站输入端噪声的影响。

先从无线直放站引出相关的计算，网络示意图如下：

直放站输出的噪声功率Np'rep为直放站的热噪声N加上直放站的噪声系数Nfrep再加上直放站的增益Grep,即：

Np'rep=10Lg[KTB]＋Nfrep＋Grep

把从基站发射机至直放站的所有损耗计为路径损耗Lp，则直放站产生，在基站接收端的噪声电平Nprep为：

Nprep=Np'rep-Lp=10Lg[KTB]＋Nfrep＋Grep-Lp=-121＋Nfrep＋Grep-Lp

（1）

引入直放站后，基站接收端的总噪声（NP）total为基站底噪声Nbts和直放站在基站接收端产生的噪声Nrep的叠加，即：

（NP）total=10Lg[10Npbts+10Nprep]

=NPbts+10Lg[1+10Nfrep-Nfbts+Grep-Lp]

令10Lg[1+10Nfrep-Nfbts+Grep-Lp]=ΔNbts

（2）

则：

（NP）total=Npbts+ΔNbts

　　从以上推算可以看到，引入直放站以后，基站接收端的噪声电平比无直放站时增加了ΔNbts，这个值为噪声增量。

噪声增量与基站、直放站的噪声系数、直放站的增益、基站发射机至直放站的路径损耗有关。

根据公式

（2）计算：

当Nfrep-Nfbts+Grep-Lp＝0时，基站接收端的噪声增量ΔNbts为3dB；

当Nfrep-Nfbts+Grep-Lp＝－６时，基站接收端的噪声增量为ΔNbts降为0.97dB，也就是说基站的灵敏度下降了0.97dB。

这时，可以认为直放站引入基本上对基站的无影响。

一般，基站噪声系数Nfbts为2dB，那么，按公式

（1）计算直放站在基站接收端产生的噪声电平Nprep为－125dBm。

　　在工程实际中，基站和直放站的噪声系数一定，噪声增量主要受直放站增益和基站发射机至直放站的路径损耗的影响。

基站噪声系数Nfbts为2dB，直放站噪声系数Nfrep为4dB，那么，直放站的增益Grep应比基站发射机至直放站的路径损耗Lp小8dB，才能把基站接收端的噪声增量控制在1dB以内。

　　光纤直放站一般从基站直接耦合信号，光纤直放站的路径损耗Lp为耦合器的耦合损耗，同样的原理，光纤直放站的上行增益需比耦合损耗小8dB左右。

在工程实际中，我们一般选择高耦合比的耦合器，使输入光纤直放站的信号在0dBm，这样，基站至光纤直放站的路径损耗为40dB左右，而光纤直放站的上行增益设置为30dB，保证了光纤直放站引入后，原基站灵敏度基本不受影响。

　　在网络设计中，如果目标覆盖的范围较大，需要到多个光纤直放站并联才能完成覆盖，这种情况下，基站接收端的噪声为基站底噪声与基站接收到各直放站噪声的叠加，即，NPtotal=10lg[10NPBTS+?

0（Nprep）］（Nprep）i为每一个直放站在基站接收端产生的噪声，n为直放站的数量。

为了控制直放站总的噪声水平，即总的ΔNbts保持小于１dB，需要减小每一个直放站的增益。

假设每一个直放站对基站产生的噪声增量ΔNbts相等，那么，n个直放站时每一个直放站在基站接收端产生的噪声Ｎp'rep与一个直放站时产生的噪声－125dBm相比，需满足以下公式：

Ｎp'rep<-125-10Lgn如果每一个直放站的路径损耗相等，那么，n个直放站时，每一个直放站的增益G'rep，比一个直放站时的增益Grep小10Lgn，即G'rep

这样，n个直放站在基站接收端产生的总噪声增量将控制在1dB以内。

总的说来，设置光纤直放站上行增益时需考虑基站发射机至直放站接收机的路径损耗和并联在该基站上光纤直放站的数量。

2.3正确设置光纤直放站的下行增益－直放站与手机之间上下行平衡的计算

设置光纤直放站的下行增益，也就是控制直放站的输出功率，需要考虑的是直放站与手机之间上下行平衡的问题。

为保证上下行平衡，直放站的发射功率需满足以下公式：

直放站发射功率Po＋直放站噪声系数Nf＝手机发射功率Pm＋手机噪声系数Nfm其中：

手机最大发射功率Pm＝33dBm手机噪声系数＝6dB直放站噪声系数＝4dB因此直放站的发射功率Po最大为：

Po=33+6-4=35dBm这是设置直放站下行功率要注意的问题。

　　无线直放站在工程中，设置增益时还需考虑收发天线之间的隔离度，要求增益必须小于收发隔离度，才能避免直放站自激。

光纤直放站一般收发天线相距较远，隔离度不需要考虑。

因此，光纤直放站工程设计和施工时只需要按4.2.2和4.2.3的要求计算上下行增益即可。

　　五、使用案例

　　光纤直放站相对于无线直放站来说，成本相对较高，而且需要敷设光纤，设计和施工难度也较大，但正如本文第3点所阐述，与无线直放站相比，光纤直放站有着无可比拟的优点，光纤直放站主要运用在以下几个不具备安装无线直放站条件的情况：

1、覆盖区域距离基站较远，在该地无法取得基站无线覆盖的信号。

2、覆盖目标区域无线环境非常恶劣，需要采用天线阵对该区域进行覆盖，而该区域无法布放粗大的馈线的情况下，采用光纤直放站，布放光纤传输信号方便设计和施工。

1.隧道覆盖

　　根据规模的不同，隧道长短不一，短的几十米，长的几公里，区域内话务量并不高。

隧道内无线信号传播环境复杂，受隧道大小和转弯等因素影响，无线信号衰减很快，一个基站的覆盖范围有限，因此，适合运用直放站解决覆盖问题。

下面是某隧道的例子。

某隧道由于受到山的阻挡，是信号覆盖的盲区，而且经过实地勘察后发现有以下的问题：

（1）该区域无视距范围内的基站，接收基站信号微弱，低于－90dBm，信号质量差，因此无法安装无线直放站。

（2）该区域距离基站较远，安装覆盖天线的最佳位置距离基站有1公里。

　　为了解决该区域的覆盖问题，我们采用光纤直放站进行覆盖。

基站距离隧道入口有1公里，隧道外信号覆盖较弱，隧道内是覆盖盲点。

这个方案中，光远端机安装在隧