農(nóng)話接入基站扇區(qū)化設(shè)計(jì)

摘要　主要介紹基于RASYS農(nóng)話接入網(wǎng)基站裂化的技術(shù)，詳細(xì)闡述了扇區(qū)裂化設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

0、前言

為了解決中國(guó)農(nóng)村的通信問題，根據(jù)農(nóng)村用戶分布廣、散，地形復(fù)雜的特點(diǎn)，為節(jié)省工程投資和維護(hù)成本，運(yùn)營(yíng)商在農(nóng)村的用戶接入網(wǎng)主要采用無線接入方案。

目前，我國(guó)農(nóng)村無線接入網(wǎng)絡(luò)主要采用華為、中興、大唐的無線接入設(shè)備組網(wǎng)，用戶已達(dá)數(shù)百萬戶。

在農(nóng)話無線接入規(guī)劃設(shè)計(jì)中，根據(jù)用戶預(yù)測(cè)，對(duì)業(yè)務(wù)發(fā)展的不同階段，在無線接入側(cè)，不同小區(qū)配置不同的無線資源。隨著用戶數(shù)量不斷增長(zhǎng)，基站容量需要相應(yīng)擴(kuò)容，天線系統(tǒng)也必須適當(dāng)調(diào)整，常常要求對(duì)覆蓋扇區(qū)的裂化方式進(jìn)行改造。

本文以華為RASYS無線接入基站為例，就天線扇區(qū)裂化情形，進(jìn)行專題研究，以便在工程分期建設(shè)時(shí)，指導(dǎo)不同建設(shè)期之間的銜接，方便擴(kuò)容、割接，從而節(jié)省后期工程投入。

1、農(nóng)話接入網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

華為公司的RASYS系統(tǒng)由基站控制器（RAC）和RAU、用戶終端以及配套的監(jiān)控、網(wǎng)管設(shè)備組成，RAC通過標(biāo)準(zhǔn)的V5.2接口接入固網(wǎng)的C&C08交換機(jī)。

每個(gè)基站均通過E1電路，經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)接入到RAC，RAC通過V5.2接口接至固網(wǎng)交換機(jī)，用戶端使用固定電話機(jī)。

RASYS無線接入網(wǎng)絡(luò)采用CDMA2000的空中接口技術(shù)，具備CDMA2000的技術(shù)特征�；�站容量具備軟容量的特點(diǎn)，采用功率控制技術(shù)，具有軟切換功能，使用話音激活技術(shù)等。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　RASYS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

a）基站的無線資源能力。阻塞率為5%時(shí)，單載頻有35 Erl，每用戶忙時(shí)話務(wù)量按0.03 Erl計(jì)，單載頻基站可接納1 153個(gè)用戶進(jìn)行話音通信（目前低速數(shù)據(jù)通信需求可以忽略不計(jì)，估算基站容量時(shí)，以話音通信為主）。

b）基站的容量規(guī)劃。農(nóng)村用戶分布廣，初期要求基站容量較小。根據(jù)規(guī)劃，一般配置單載頻，在規(guī)劃第二期、第三期業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)時(shí)，考慮逐步擴(kuò)容載頻。

c）基站的天線配置。在初期配置天線時(shí)，少部分基站選用單載頻、全向天線組網(wǎng)，大部分基站選用單載頻、定向天線組網(wǎng)。選用全向、定向天線的原則，主要取決于規(guī)劃期末用戶的發(fā)展、無線覆蓋環(huán)境以及相鄰基站的相互干擾程度等。

對(duì)于配置單載頻、使用定向天線的基站，采用功分器將小區(qū)扇區(qū)化。

2、功分器損耗及安裝設(shè)計(jì)

2.1　功分器插入損耗

RASYS單載頻基站發(fā)射功率為20 W，使用增益為10 dBi的全向天線或65°半功率角的、增益為15.5 dBi的定向天線。用戶接收端可使用兩種固定臺(tái)，室外型和室內(nèi)型。其中固定臺(tái)發(fā)射功率為250mW，使用兩種增益天線：室外型固定臺(tái)使用11 dBi定向天線，室內(nèi)型固定臺(tái)使用2.15 dBi全向天線。

當(dāng)基站使用65°半功率角定向天線時(shí)，一般采用功分器實(shí)現(xiàn)天線定向扇區(qū)化。由于功分器的插入，必然增加鏈路衰減。

RASYS農(nóng)話接入系統(tǒng)使用Kathrein公司的功分器。對(duì)于型號(hào)為K6320227的一分二功分器，頻率為450 MHz（380～512 MHz），上行插入衰耗為3 dB；對(duì)于型號(hào)為K6320227的一分三功分器，頻率為450 MHz（380-512 MHz），上行插入衰耗為4.8 dB，下行鏈路功分器沒有插入損耗。

對(duì)于功分器插入衰耗，按一分二功分器描述（見圖2）。

圖2　一分二功分器原理示意圖

發(fā)射方向（Tx）：端口1來自功放的功率信號(hào)經(jīng)過功分器平均分配到端口2和端口3（見圖中紅色部分）。

接收方向（Rx）：圖中只標(biāo)示了端口2進(jìn)來的接收信號(hào)，若端口3有相同或不同的信號(hào)，分析方法相同。但若有相同信號(hào)，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)加減，信號(hào)相差較大時(shí)，可以忽略。端口2和端口3并不與50 Ω接口匹配，因此25%的信號(hào)被反射回去，25%的信號(hào)去向端口3，只有50%的信號(hào)由端口1到達(dá)接收機(jī)，因此損耗為3 dB。端口2和端口3之間的隔離度為6 dB。

同樣道理，可以推算出一分三功分器的衰耗（見圖3）。

圖3　一分三功分器原理示意圖

如上所述：一分二的功率分配損耗為3 dB，端口隔離為6 dB；一分三的功率分配損耗為4.8 dB，端口隔離為9.5 dB。

需要說明的是，圖2和圖3中功分器的功率分配比例均由設(shè)備廠家提供。

2.2　功分器安裝設(shè)計(jì)

根據(jù)農(nóng)話接入容量規(guī)劃，相應(yīng)的載頻配置的演變規(guī)律遵從圖4方式。

圖4　基站載頻配置演進(jìn)

通常，農(nóng)話接入網(wǎng)絡(luò)初期，配置單載頻，容納1 153個(gè)用戶進(jìn)行話音通信，發(fā)展第二階段，配置二個(gè)載頻，容納約2 000用戶進(jìn)行話音通信，第三階段配置三載頻，可容納約3 000用戶進(jìn)行話音通信。

對(duì)于采用功分器基站，為適應(yīng)規(guī)劃后期發(fā)展需要，要求功分器安裝在機(jī)房?jī)?nèi)的基站設(shè)備頂部或附近。以下討論功分器安裝在基站設(shè)備頂部或附近時(shí)的安裝設(shè)計(jì)。

2.2.1　RASYS單裁全向基站改造為雙載頻雙功分基站

如果采用S0.5/0.5方案，天線全部置換成定向天線，增加4根饋線（如果要減少割接時(shí)長(zhǎng)，可以考慮全部使用新的饋線）。改造天饋線連接圖如圖5所示。

圖5　單載頻全向基站改造為雙載頻雙功分基站連接示意圖

2.2.2　RASYS單載頻三功分基站改造為雙載頻雙功分基站

如果采用S0.5/0.5方案，只需要改變跳線的連接方式即可完成。改造天饋線連接圖如圖6所示。

圖6　單載頻三功分基站改造為雙載頻雙功分基站連接示意圖

2.2.3　RASYS雙載頻雙功分基站改造為三載頻三扇區(qū)基站

如果采用S1/1/1方案，只需要改變跳線的連接方式即可完成。改造天饋線連接圖如圖7所示。

圖7　雙載頻雙功分基站改造為三載頻三扇區(qū)基站連接示意圖

2.2.4　S0.5/0.5、S0.3/0.3/0.3與全向基站的差異

全向基站覆蓋范圍為基站四周均處于理想環(huán)境（無障礙物），且各個(gè)方向的覆蓋基本一致，但如果采用S0.5/0.5或S0.3/0.3/0.3，則覆蓋范圍受定向天線方向圖的影響，每個(gè)方向覆蓋不再均勻，因此必須關(guān)注這種差異性。

3、定向天線和扇化增益

有3個(gè)扇區(qū)的基站，如果使用理想的120°半功率角天線模式（如圖8（a）所示），就只收到來自1個(gè)扇區(qū)的信號(hào)，從而干擾減小2/3，這樣扇區(qū)信噪比提高3倍，導(dǎo)致容量也可以增加3倍。

然而這只是理想狀態(tài)，實(shí)際的120°和理想的模式有一定差異（如圖8（b）所示）。同樣，使用65°半功率角天線模式和理想的模式也有一定差異。

圖8　120°扇區(qū)中方向天線的天線模式

事實(shí)上，各個(gè)扇形天線的輻射模式間總有一定的重疊，約為15%，干擾也不會(huì)準(zhǔn)確減少3倍。更準(zhǔn)確的扇化增益表達(dá)為

式中：

N——扇區(qū)數(shù)

——全向小區(qū)的干擾因子，=0.6

——扇形小區(qū)的干擾因子，=0.85

從而扇化增益X為2.6。

以dB形式可表示為

10lgX=10lg2.6=4.1 dB

由此可知：基站全向天線改為定向天線時(shí)，天線扇區(qū)化帶來扇化增益為4.1 dB。

4、無線鏈路空間損耗

RASYS農(nóng)話接入網(wǎng)使用450 MHz頻率，覆蓋預(yù)測(cè)采用Okumura-Hata模型。該模型以市區(qū)傳播損耗為標(biāo)準(zhǔn)，其他地區(qū)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。

市區(qū)的路徑損耗中值標(biāo)準(zhǔn)公式為

式中：

Lp——市區(qū)基站到固定臺(tái)的路徑損耗（dB）

f——載波頻率（MHz），范圍為150～1 500 MHz

hb——基站有效天線高度（m），范圍為30～200 m

hm——固定臺(tái)有效天線高度（m），范圍為1～10 m

d——基站到固定臺(tái)的距離（km）

Ahm——有效固定天線修正因子（dB），其值取決于環(huán)境

在郊區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)模型可以修正為

在農(nóng)村（開闊地），標(biāo)準(zhǔn)模型可以修正為

從無線鏈路空間衰耗計(jì)算公式中可以看出，無線信號(hào)在空中的衰耗主要受到信號(hào)傳播距離、傳播使用的頻率以及環(huán)境影響，而基站覆蓋的扇區(qū)分裂不會(huì)影響其空中傳播衰耗。

5、宏基站扇區(qū)裂化對(duì)鏈路預(yù)算的影響

鏈路預(yù)算分下行鏈路預(yù)算和上行鏈路預(yù)算。

對(duì)于下行鏈路預(yù)算，就是要求保證用戶終端能可靠接收基站的信號(hào)，滿足規(guī)定的誤幀率要求，主要取決于基站發(fā)射功率、饋線的衰耗、插入器件的插入損耗、基站天線增益、無線鏈路空間衰耗、終端接收靈敏度等增益和衰減。

對(duì)于上行鏈路預(yù)算，就是要求保證基站能可靠接收用戶終端的信號(hào)，滿足規(guī)定的誤幀率要求主要取決于用戶終端發(fā)射功率、饋線的衰耗、終端天線增益、無線鏈路空間衰耗、基站接收靈敏度等增益和衰減。

改變鏈路中任一個(gè)因素，都將影響鏈路預(yù)算，并很有可能影響用戶的通信，特別是網(wǎng)絡(luò)邊緣的用戶通信最有可能受到影響。

對(duì)于RASYS網(wǎng)絡(luò)已建基站，當(dāng)進(jìn)行宏基站扇區(qū)改造時(shí)，從以上分析可以看出，由于扇化增益和功分器插入損耗這兩方面原因，下行和上行鏈路預(yù)算將受到不同的影響。

在下行鏈路預(yù)算中，基站天線扇區(qū)化帶來扇化增益4.1 dB，雖然使用功分器，但功分器不帶來插入衰耗，功率均等分配到各扇區(qū)。

在上行鏈路預(yù)算中，基站天線帶來扇化增益4.1 dB，由于使用功分器，給鏈路帶來插入損耗，一分二的功率分配損耗為3 dB，端口隔離為6 dB；一分三的功率分配損耗為4.8 dB，端口隔離為9.5 dB。

對(duì)上行和下行鏈路預(yù)算的具體影響情況見表1和表2。

表1　農(nóng)話接入基站扇化時(shí)下行鏈路預(yù)算變化情況

表2　農(nóng)話接入基站扇化時(shí)上行鏈路預(yù)算變化情況

從表1和表2的結(jié)果可以看出，在農(nóng)話接入網(wǎng)絡(luò)已建基站基礎(chǔ)上，對(duì)宏基站天線的扇區(qū)進(jìn)行裂化，雖然使用功分器帶來了插入損耗，但CDMA系統(tǒng)在天線進(jìn)行扇化后，會(huì)帶來扇化增益。上行鏈路，功分小區(qū)提高增益1.1 dB，單載頻小區(qū)提高增益4.1 dB；下行鏈路，提高增益4.1 dB。綜合效果是提高鏈路增益。

6、結(jié)束語(yǔ)

從以上分析可以得出結(jié)論：在進(jìn)行農(nóng)話接入基站優(yōu)化設(shè)計(jì)中，由于扇區(qū)化的結(jié)果是提高鏈路增益，擴(kuò)大基站覆蓋范圍，因此，不必?fù)?dān)心會(huì)降低邊緣用戶通信概率和正常使用。