直放站的工程設(shè)計和調(diào)測

引言

　　近年來，隨著移動通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，移動通信直放站以其有效性和經(jīng)濟性得到了運營商的青睞,在網(wǎng)絡(luò)覆蓋中大顯身手。與基站相比,直放站有結(jié)構(gòu)簡單、投資較少和安裝方便等優(yōu)點，可廣泛用于覆蓋難度大的盲區(qū)和弱區(qū)，如山區(qū)、賓館、地下商場、地鐵、碼頭、車站、隧道及電梯等各種場所，有效改善通信質(zhì)量。目前，直放站已成為優(yōu)化無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要工具和增強網(wǎng)絡(luò)延伸覆蓋能力的一種優(yōu)選方案，因此研究直放站的工程設(shè)計和調(diào)測方法具有重要的現(xiàn)實意義。

直放站的工程設(shè)計

　　在公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過程中，有兩種情況需要建直放站，一種是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，運營商急于擴大服務(wù)區(qū)域，這時省時省力、投資較少的直放站便成為好的選擇；另一種是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時期，在基本覆蓋完成后，需對信號盲區(qū)查遺補漏，各種類型的直放站便成為必然選擇。一旦確定建站，對工程建設(shè)和設(shè)計者而言，首先要進行現(xiàn)場勘測，之后結(jié)合理論計算制訂設(shè)計方案。

　　1.1 直放站的選型和選址

　　為充分發(fā)揮直放站效用，工程設(shè)計者在建站前必須實地測量基站覆蓋區(qū)邊緣的信號場強值，并根據(jù)測量結(jié)果和覆蓋需求以及具體的地理環(huán)境，選擇適宜的直放站類型和站址，確定需轉(zhuǎn)發(fā)的基站載頻，初步確定設(shè)備輸出功率及收發(fā)天線的類型、安裝位置及離地面高度，準備前期基礎(chǔ)工程，如鐵塔、機房、供電、接地等。

　　在市區(qū)等基站分布密集區(qū)域分離不同基站或扇區(qū)信號的難度較大，容易增加對基站的干擾，所以盡量不建直放站。必須建站時，應盡量采用有線信號的引入方式，如光纖直放站。在不具備建立光纖直放站條件的場所，只能采用無線直放站。建立無線直放站要求施主天線必須具有足夠強的方向性，并選擇功率較小的直放站（1W以下）。在城市邊緣、山區(qū)及鄉(xiāng)村，因為設(shè)立直放站的主要目的是解決信號覆蓋問題，所以在已鋪設(shè)光纖的地區(qū)最好采用大功率（10Ｗ/20Ｗ）光纖直放站，無光纖時可利用無線直放站進行延伸覆蓋，采用方向性好的施主天線提取較為純凈的源信號，輸出功率為5Ｗ/10Ｗ，等同于基站的輸出，可達到較好的覆蓋效果;另外，在移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，由于基站數(shù)量較少，可以采用大功率的無線或光纖直放站，以擴大覆蓋范圍。

　　直放站站址對其覆蓋能力影響很大。為擴大覆蓋范圍，首先，直放站的安裝要有一定的高度。在山區(qū)可以選擇山頂或高坡來實現(xiàn)；平原地區(qū)必須建設(shè)鐵塔，這樣既可以提高施主天線和服務(wù)天線間的隔離，又有利于獲得較強的輸入信號，輸出功率有限的直放站才可以有較大的覆蓋。其次,直放站應安裝在基站覆蓋區(qū)邊緣處（基站信號強度一般為-85 dBm～-95 dBm）。直放站距離基站太近，易與基站形成重疊覆蓋，移動臺信號一路通過直放站延時后到達基站，一路直接到達基站，易形成多徑干擾;直放站距離基站太遠，施主天線接收到的信號弱，則直放站前向輸出功率較小，覆蓋范圍較小，達不到擴大覆蓋面的目的。再次,由于重發(fā)天線是定向天線，直放站站址最好選在盲區(qū)外（見圖1）靠近盲區(qū)邊沿處（一般50米～200米），如果選在盲區(qū)內(nèi)（見圖2），則不能達到最佳覆蓋效果。



　　另外，直放站覆蓋密集住宅區(qū)時，應避免在樓群的正面選點（見圖3），因為信號要直接穿透靠前的樓房才能覆蓋到后面的區(qū)域。由于信號在穿透過程中衰減很大，強度將會很弱。如果從高樓的側(cè)面選點（見圖4），信號可從樓與樓之間的空隙穿過，并借助反射達到很好的覆蓋效果。

　　1.2 天線隔離度的計算和測量

　　天線隔離度即信號從直放站前向輸出端口至前向輸入端口（或者從反向輸出端口至反向輸入端口）的路徑衰減值，與直放站設(shè)備本身沒有關(guān)系，它取決于施主天線和重發(fā)天線的安裝位置，與垂直及水平的距離、相向的角度有關(guān)。其大小直接影響直放站的增益配置，關(guān)系到直放站系統(tǒng)的穩(wěn)定。施主天線和重發(fā)天線之間隔離度較大，才能提高主機增益，獲得較大的輸出功率。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(水平隔離度和垂直隔離度)及建筑物隔離。按照工程設(shè)計要求，天線隔離度L（dB）應大于直放站最大工作增益Gmax約10 dB～15 dB，若取值12 dB，考慮通常情況下Gmax為90 dB，故L一般應不小于102 dB。

　　● 水平隔離度Lh是收發(fā)信天線在水平間隔距離上產(chǎn)生的空間損耗，表示公式如下:

　　Lh=22.0+20lg(d/λ)-(Gt+Gr)+(Dt+Dr) （1）

　　其中:22.0為傳播常數(shù);d為收發(fā)天線水平間隔(m);λ為天線工作波長(m);Gt、Gr分別為發(fā)射和接收天線的增益(dB);Dt、Dr分別為發(fā)射和接收天線的水平方向性函數(shù)造成的損耗,具體數(shù)值可以在天線方向圖中查得，當上下行天線夾角為180°時，方向性損耗即為天線的前后比。

　　● 垂直隔離度Lv是收發(fā)信天線在垂直間隔距離上產(chǎn)生的空間損耗，表示公式如下:

　　Lv＝28.0+40lg(d/λ)-(Gt+Gr)+(Dt+Dr) （2）

　　其中:28.0為傳播常數(shù)；d為收發(fā)天線垂直間隔(m);Dt、Dr為兩天線的垂直方向性函數(shù)造成的損耗，與水平方向性函數(shù)類似。

　　● 建筑物隔離度La是指收發(fā)天線間存在建筑物的情況下，因建筑物阻擋造成信號衰落而形成的隔離，這種隔離的計算一般采用直接代入經(jīng)驗值的方法。如一堵墻的隔離度為10 dBm～20 dBm。

　　天線隔離度與水平放置和垂直放置的兩天線空間距離的關(guān)系曲線見圖5（f=850MHZ,Gr=Gt=5dB,La=0)。

　　以上算法是天線隔離度的工程估算法，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地確定隔離度的大小。因此在實際工程設(shè)計中應根據(jù)具體情況進行實地測量，以最大限度滿足現(xiàn)場對隔離度的要求。測量方法如下:



　　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，則隔離度為:

　　L=p+G-r-D （3）

　　其中，G為下行天線增益，D為前后比。

　　1.3 天線的選擇和安裝

　　天線的質(zhì)量往往直接影響到最終的覆蓋效果，其中用于接收基站信號的施主天線應選用方向性更強的天線（如高增益大口徑拋物面天線），要求水平波束角小、方向性好、增益高、前后比大;重發(fā)天線用于覆蓋盲區(qū)，通常采用定向天線（如定向板狀天線），天線波束在水平面和垂直面上應具有較好的方向圖，要求增益高、前后比大，具有較強的旁瓣抑制能力和較好的零填充特性，天線下傾角機械可調(diào)，互調(diào)和駐波比等參數(shù)指標良好，同時要求天線的體積小、重量輕、安裝簡單，所選饋線及接頭符合國際標準、電氣性能好。

　　因受多徑效應影響，天線位置的選擇對直放站的覆蓋范圍影響較大，為增大隔離度，施主天線與重發(fā)天線采用背對背安裝方式，重發(fā)天線在上，施主天線在下，充分利用山體、水塔、建筑物等自然地形地物的阻隔，盡量拉開二者的距離（通常兩天線的垂直距離為15米或水平距離20米）。安裝在鐵塔上時，使用鐵塔平臺對天線進行隔離；安裝在樓頂時，使用建筑物或增大天線水平距離進行隔離，如果兩天線之間有隔離物，如樓頂?shù)乃�箱、電梯間等，安裝時應避免兩天線在同側(cè)；若建筑物為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，施主天線在滿足信號接收強度的基礎(chǔ)上，應盡量靠近建筑物（通常重發(fā)天線可放在建筑物上面，施主天線靠近建筑物側(cè)墻）；若建筑物為一般磚墻結(jié)構(gòu)，應考慮用建筑物隔離和拉長距離的方法來滿足收發(fā)隔離度的要求;如果塔上平臺可做隔離，天線可分別安裝在平臺、下塔身處。

　　1.4 理論計算和覆蓋預測

　　基本確定了設(shè)備的輸出功率和天線掛高后，可對轉(zhuǎn)發(fā)信號覆蓋范圍作初步的測算。根據(jù)陸地移動通信電波傳播衰耗特性，在市區(qū)準平滑地形條件下，在800 MHz～1000 MHz頻段可通過Okumura傳播模型計算電波傳播路徑損耗�；�本傳輸損耗表示式如下:

　　Lb(市區(qū))=69.55+26.16lgf-13.82lg(hb) -a(hm) +[44.9-6.55lg(hb)]lgd 。 （4）

　　其中:Lb(市區(qū))為電波傳播路徑損耗（dB）;f為工作頻率（MHz）;hb為重發(fā)天線有效高度（m）;hm為移動臺天線有效高度（m）;d為移動臺與直放站之間的距離（km）;a(hm)為移動臺天線高度因子（dB）。

　　在中小城市里:

　　a(hm)=(1.1lgf-0.7)hm-(1.56lgf-0.8)。 （5）

　　在大城市(建筑物平均高于15m)里:

　　a(hm)=3.2[lg(11.75km)]2-4.97。 （6）

　　若取hm=1.5m, 則a(hm)=0，代入(4)式，得:

　　Lb(市區(qū))=69.55+26.16lgf-13.82lg(hb) +[44.9-6.55lg(hb)]lgd。

　　對郊區(qū)可采用以下修正辦法:

　　Lbs=Lb(市區(qū))-2[lg(f/28)]2-5.4。 （7）

　　對鄉(xiāng)村可采用以下修正辦法:

　　Lbs=Lb(市區(qū))-[lg(f/28)]2-2.39(lgf)2+9.17lgf-23.17。（8）

　　對開闊地可采用以下修正辦法:

　　Lbq=Lb(市區(qū))-4.78(lgf)2+18.33lgf-40.94。 （9）

　　由Lb可以測出覆蓋距離，若不能滿足設(shè)計要求，可適當調(diào)整天線掛高。

直放站的工程調(diào)測

　　直放站安裝完畢后，必須對其上下行增益等參數(shù)進行調(diào)測，以滿足設(shè)計要求，然后到盲區(qū)路測，驗證信號覆蓋情況。若發(fā)現(xiàn)不理想的地方，需重新調(diào)整，以達到最好的覆蓋效果。

　　2.1 設(shè)備調(diào)試

　　將天饋線與直放站正確連接，加電開機，調(diào)整直放站增益，使最大工作增益低于天線隔離度約12 dB。以某CDMA直放站調(diào)整為例，該直放站額定輸出功率為30 dBm(1W)，額定增益不超過95 dB，測得施主天線接收點接收的基站場強值為-80 dBm，施主天線為1.8米拋物面天線，則天線增益Ga＝21.6 dBm。因施主天線距主機30米，饋線采用SYV-50-22型低損耗饋線，該型饋線中心頻率為850 MHz時每米損耗約0.03 dBm，則饋線損耗L=0.9 dB。若天線隔離度達到102 dB,則Gmax=102dB-12dB=90 dB，直放站輸出功率Po=-80 dBm+Gmax+Ga-L=30.5 dB。達到設(shè)備的額定輸出功率要求，現(xiàn)場安裝后用E4407頻譜分析儀實測得輸出功率為30.1 dBm，結(jié)果與理論計算值基本一致。

　　調(diào)試直放站時，不可將直放站的增益調(diào)得過大，應在動態(tài)范圍內(nèi)由小到大地調(diào)整，且不可超過最大增益Gmax。增益和輸出功率要留有一定的余量,增益余量不足會引發(fā)直放站自激;功率余量不足易使直放站過載，造成話音質(zhì)量明顯下降甚至系統(tǒng)癱瘓。

　　直放站具有上下兩個鏈路，有各自獨立的增益控制和功率放大能力，調(diào)試時應保持其鏈路平衡。保持鏈路平衡不能簡單地理解為直放站的上下行增益設(shè)置的平衡，而是對應于施主基站的鏈路平衡。直放站加入移動通信網(wǎng)絡(luò)，不能破壞施主基站覆蓋區(qū)已經(jīng)建立的上下通道的平衡，直放站調(diào)整增益平衡的前提條件是:上行增益的調(diào)整要保證底部噪聲不對基站造成干擾，下行增益的調(diào)整不影響輸出信號的線性特性。若下行增益遠大于上行增益，會導致手機接收場強很高，卻打不出電話；若上行增益遠大于下行增益，會導致覆蓋范圍縮小。較合理的范圍是上下行增益相差小于3 dB。

　　2.2 路測確認

　　運用安裝有專門軟件（如東信eastcom2000）的路測儀器進行路測，結(jié)合實地通話測試，確認工程實施效果是否達到原設(shè)計要求，如覆蓋范圍是否滿足需要，施主基站和相鄰基站信號是否受到影響等。若與設(shè)計有較大的出入，就需作出一系列調(diào)整，如重新確定直放站站址，重新調(diào)整天饋線位置，使天線隔離度達到預定值；重新調(diào)整直放站設(shè)備工作參數(shù)，使其達到最佳工作狀態(tài)。在覆蓋公路、隧道等帶狀區(qū)域時，可調(diào)整天線角反射器角度，通過控制波束寬度來實現(xiàn)該區(qū)域的理想覆蓋。路測時應注意識別基站信號、經(jīng)直放站放大的信號和相鄰基站信號。

結(jié)束語

　　鑒于直放站在移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋中的重要性，掌握直放站的工程設(shè)計和調(diào)測方法，對于移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運行維護來說十分必要，從無線電管理的角度而言，也可消除許多干擾隱患。展望未來，隨著3G牌照的發(fā)放和新業(yè)務(wù)的開展，新一輪基站建設(shè)熱潮即將興起，如何更好地發(fā)揮直放站的優(yōu)勢，節(jié)省資金和資源投入，無疑是值得移動通信界研究的一個重要課題。

　　參考文獻

　　[1]盧爾瑞等.移動通信工程.人民郵電出版社,1988（4）

　　[2]高健 羅華斌.直放站的原理與應用.中國無線電,2005（7）