GSM移动通信网络直放站建设与优化

固定无线接入

由于移动运营市场竞争的日益激烈和用户规模的扩大，把解决网络覆盖规模作为建设重点，网络的覆盖质量和覆盖的完善性成为各运营商迫切需要解决的问题。

原来对移动需求为运营商所忽视的GSM网络边缘县乡移动用户发展迅速。运营商需要部署网络以满足这些用户快速增长的需求。在不同县地域交界处由于人口密度的关系话务量小，在丘陵地带很多乡镇多处于盆地，有覆盖盲区。因此，建设直放站是迅速解决这些地区覆盖的快捷方案。高速公路和铁路在山区经常穿越隧道和涵洞形成信号盲区，直放站可用于解决信号的连续覆盖。城市密集区，基站数量较多，一般不存在大范围的信号盲区，小功率（1W以下）直放站可用于解决小范围区域的补盲以及建筑物内、地下商城、地下停车场及因屏蔽不能使信号直接穿透区域的信号覆盖问题。

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。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、填补盲区、容量再分配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、车站、体育馆、娱乐厅、地铁、隧道、高速公路、等各种场所，提高通信质量，解决掉话等问题。

一、移动通信直放站的种类及特性：
   从传输信号分有GSM直放站和CDMA直放站; GSM及CDMA的直放站工作频带不同。

   从安装场所来分有室外型机和室内型机。 室外型直放站有输出功率大噪声系数低等优点，室内直放站是简易型的，因此要求应比室外型低，尤其是输出功率、增益、噪声系数、传输时延和电压驻波比等。

   从传输带宽来分有宽带直放站和选频（选信道）直放站。 宽带直放站的中心频率和带宽任意可调，满足不同客户要求，带外抑制好，不同营运商之间的信号不会产生相互干扰。信道选择直放站能工作在两信道或四信道，可扩展。每信道单独功放，不会相互干扰，性能稳定

   从传输方式来分有直放式直放站、光纤传输直放站。直放式直放站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。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。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。在市区和通话密度较高的地区直放式室外直放站往往将多个基站或多个扇区的信号加以放大，引入过多的直放站后会降低通话质量，优化工作困难，所以在市区和通话密度较高的地区不应过多使用直放式室外直放站。光纤直放站由近端机直接耦合基站的射频信号，引入干扰少，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、光纤直放站还可组成其它使用系统（如光纤室内分布系统）。

二、移动通信直放站的选型
以前，使用宽带选择式的直放站应用于模拟网。但在数字GSM网系统中，使用宽带选择式的直放站，会对所有频段内接收到的所有信号进行放大，这样就会出现同频小区干扰、切换时掉话、降低基站的灵敏度、语音质量差、直放站覆盖范围明显缩小等现象，严重影响到整个网络的正常运行。

　　而信道选择式直放站作为一种网络优化工具，能实现良好的盲区覆盖，同时对原有的整个基站网络不会造成干扰。

采用信道选择式直放站，应使该直放站具有以下的性能：
    1、噪声系数低。直放站的噪声系数小于5dB，从而保证了手机在收到-100dBm的信号电平时仍能保持正常的通话质量。否则在手机收到-90多甚至-80多dBm的信号时就无法通话。

  2、滤波器性能好。直放站使用的滤波器矩形系数、带内平坦度等指标好，保证对环境干扰的抑制最好，必免造成的三阶互调及杂散等干扰信号太强，即使直放站的输出功率很大或者是手机的接受信号电平很强但仍然无法正常通话。

  3、每时隙自动输入电平控制。直放站对于不同时隙话务信道具有自适应增益控制功能，当某时隙的信号强度放大输出后将要超出最大输出功率时，直放站就会提前把这个时隙的输出电平降下来，以保证这个话音信道的最佳输出信噪比，也不会影响其他时隙的输出信号质量。

    4、选择性能好的天线。天线选择的好坏，往往会直接影响到最终的覆盖效果。其中施主天线用于接收基站信号，要求水平波束角小、方向性好、增益高、前后比大，重发天线用于覆盖盲区，通常要求采用定向天线，增益高、前后比大，较强的上波瓣抑制、较好的零填充特性，天线下倾角机械可调，另外还有互调、驻波比等参数值得考虑，同时要求天线的体积小、重量轻、安装简单，所选的馈线及接头符合国际标准、电气性能好。

三、移动通信直放站工程设计
  1、 直放站的覆盖距离
  直放站的覆盖距离由输出信号功率、输出信号信噪比、重发天线增益、重发天线安装高度、地形地貌五个因素决定。在前三项 都是一定的情况下，决定覆盖距离的就是后两项。如果选点合适。在保证通话质量的前提下，直放站在市区可以覆盖2—3公里，在郊区覆盖5公里左右，在开阔地可到10公里以上。下面是一个路径损耗的参考公式：
直放站信号输出为33dBm，重发天线增益17dBi,手机在收到-100dBm时仍能正常通话，考虑到车体、一般低层建筑的穿透损耗20dB，允许的路径损耗为：130dB,把它带入Hanta公式就可得出不同环境和天线安装高度下的最远覆盖距离。Hanta公式：
市区：
Lm=69.55+26.16lgf-13.82log(hb) +[449.9-6.51log(hb)]log(d)
郊区：
Lm=L(市区)-（2（Lg(f/28)）²+5.4）
其中:
　　取频率f=900MHz，hb为业务天线高度。
利用郊区公式，假设业务天线高度hb=50m,
　通过路径损耗Lm可以测出覆盖距离 d=6公里。
如果安装高度较高（如半山坡上）达到100米。算出距离：d=10公里。

另外，直放站的覆盖距离还受直放站自身带来的时延影响，一般直放站自身有5µs时延，GSM定时提前量决定了基站覆盖距离为35公里。加一台直放站缩短1.5公里。从基站经直放站到手机的最大传播距离为33.5公里。

2、直放站的选点
直放站属于同频放大设备，接收基站的下行信号，然后重发给盲区内的移动台；也接收移动台的上行信号，重发给基站，因此上下行链路存在着重发信号被另一天线接收到的问题，这就是直放站天线隔离度的概念。换句话说，天线隔离度是指从直放站某一端口发出的信号到另一端口的空间衰减值，其中包括了连接两天线的增益。在无线直放站的使用中，合适的隔离度不是一个固定值，它是与直放站的增益相关联的。如果天线隔离度大于直放站增益，则天线接收到的另一天线的重发信号会越来越小，经过直放站放大后的输出信号也越来越弱，就不会对基站造成影响；反之，如果隔离度小于直放站增益，重发信号会不断增强，引起自激，从而影响基站。由此可见，天线隔离度决定了直放站增益的大小，间接决定了直放站是否可达到最大的输出功率，影响直放站的覆盖范围。

然而，是什么影响着天线隔离度的大小呢？直观的说是直放站安装地点的地形，因此直放站的选点是直放站工程中及其重要的一环。下面着重先容直放站的选点问题。

2.1接收信号要求
直放站安装地点的施主基站BCCH信号场强（测试手机）
Rxmin=Pmax-Gmax-Gant
Rxmin:直放站安装地点施主基站BCCH信号最小场强。
假设：
Pmax:直放站最大输出功率，+33dBm。
Gmax:直放站最大增益，90db。
Gant:施主天线增益，16dBi.
则：Rxmin=+33dBm-90dB-16dB=-73dBm

    只有在直放站点测得的信号大于-73dBm, 直放站才有可能满功率输出。若信号小于-73dBm,则直放站不能满功率输出，会影响到直放站的覆盖范围。

2.2直放站站址定位

2.3施主天线及重发天线的位置关系。

影响施主天线及重发天线的位置关系主要是收发隔离度，及信号从直放站前向输出端口至前向输入端口（或者从反向输出端口至反向输入端口）的空中路径衰减值，其大小直接影响着直放站的增益配置，在确定天线位置后，一定要测量隔离度。直放站前向输出功率比反向输出功率大，主要考虑前向链路的收发隔离度。收发隔离度分为水平隔离度和垂直隔离度。

直放站施主天线与重发天线完全背靠背最小水平距离通常为20米左右。此距离是指安装地点信号场强仅达到要求的最小强度，施主和重发天线方向相反且两天线连线与基站到盲区连线平行两天线间没有建筑物或物品隔离情况下的距离。　　

直放站施主天线与重发天线完全背靠背最小垂直距离通常为10米左右。此距离是指安装地点信号场强仅达到要求的最小距离，施主天线与重发天线方向相反，且两天线间没有建筑物或物品隔离情况下的距离。通常天线垂直安装在铁塔上。

如果两天线之间有隔离物，如楼顶的水箱、小屋等，安装时要做到两天线相互看不见。如果建筑物为钢筋混凝土结构，施主天线在满足信号接收强度的基础上，应尽量靠近建筑物（通常重发天线可放在建筑物上面，施主天线靠近建筑物侧墙）；如果建筑物为一般砖结构，应考虑用建筑物隔离和拉长距离的方法来满足隔离度要求。如塔上平台可做隔离物，天线可分别安装再平台上、下塔身处。

直放站安装地点要高于盲区内建筑物，如果相对高度很大，可调节业务天线的下倾角。如果相对高度较小，一定要考虑盲区内建筑物对重发信号的发射，往往近距离的反射信号远远强于业务天线后向辐射信号，即使施主天线完全背向重发天线，隔离度也很难满足。

2．4直放站信道数配置
直放站所在施主小区的载波数必须小于或等于直放站的信道数。 因为如果直放站不能放大施主小区内的所有信道，则在广播控制信道随机分配通话时隙时，如果分配给覆盖区内用户的是没有放大的载波时隙，则用户电话无法接通。如果基站系统有跳频功能，则在覆盖区内用户的通话时隙跳到没有放大的载波，很有可能产生掉话。一般直放站的标准配置是2载波，因此选择施主基站时，应选择2载波以下施主小区，或扩充直放站配置达到施主小区的信道数。

3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。 　
　
3.1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。

　　3.2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，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0.97 dB，也就是说基站的灵敏度下降了0.97 dB。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。

　　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。

3．3直放站上下行平衡的计算
设置直放站的下行增益，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PRP＋直放站噪声系数NRPF+基站噪声增量 ΔNbts＝手机发射功率PMS＋手机噪声系数NMSF
　　
其中：手机最大发射功率PMS＝33dBm手机噪声系数NMSF＝6dB直放站噪声系数NRPF＝4dB因此直放站的发射功率PRP最大为：PRP=33+6-4-1=34 dBm，上下行是平衡的。如果直放站下行输出功率大于34dBm，则上下行将不平衡，如果上下行出现不平衡，将会:
　　--- 扰乱手机的自动功率控制；
　　--- 由于上下行不平衡，在覆盖区内会产生掉话，影响话务统计中的接通率和掉话率。这是设置直放站下行功率要注意的问题。

4. 光纤直放站设计中需考虑的问题
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。

4．1光纤直放站的传输方式及传输距离
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。

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。

光纤直放站的核心部分是光端机，它的好坏影响直放站的传输质量及可靠性，现在国内光端机质量已相当好，因此，光纤直放站的可靠性是不成问题的，下面对传输距离进行计算。对1.55μm波长的光端机，其已知条件是：
光功率输出为0dBm;光接收灵敏度优于-26dBm;光端机内射频信号具有自动增益控制(AGC)20dB；光端机内电／光及光／电转换时电信号将损耗10dB；光缆损耗≤0.35dB／km；活动连接器衰耗≤0.1dB；波分复用器的损耗≤0.3dB，系统光功率储备7dB(为保证电信号的载噪比而设)。则对于20km远的光缆，就能计算光信号在传输系统中的衰耗为:
     L=光缆损耗 + 连接器损耗 + 波分复用器的损耗=0.35×20+0.1×2+0.3×2＝7.8db。

系统光功率余量=光功率-系统衰耗-光接收门限＝OdB-7.8dB-(-26)dB＝18.2dB，
该值大于系统功率储备7dB，由此可知光纤直放站的光信号可以传输20km远的距离，光／电转换后的电信号还能满足直放站所需电信号载噪比的要求。

4．2光纤直放站增益的计算
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，与直放式直放站同样的原理，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，大家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。

四、直放站优化
直放站在开通时，须知道基站的很多参数，比如说基站的频点数及频点号、基站发射功率、天线方向等等。最主要的是加入直放站以后，基站须修改许多参数，如相邻小区的变化、相邻小区的切换参数等等，否则直放站有可能无法正常工作。特别是邻区列表，因为引入了直放站以后，小区的邻区关系可能发生很大改变，如果不能正确设置，直放站和周围基站的切换则无法成功，将导致掉话率的升高。

直放站优化阶段。在调测完成以后，直放站供应商要对直放站进行优化，如果直放站供应商仅仅考虑直放站的覆盖，一味地将其直放站覆盖范围设大，而不考虑对基站的影响，则很有可能降低基站的接收机灵敏度，地降低了基站的服务质量。

根据网络规划及覆盖要求，路测覆盖范围，调整转发天线的水平角度、俯仰角度和直放站增益，达到直放站理想覆盖。在覆盖公路、隧道等带状区域时，可调整角反射器角度，通过控制波束宽度来满足对该区域的理想覆盖，路测时，应识别基站信号、经直放站放大后的信号、相邻基站信号，并作好相关记录。

直放站是解决移动通信网络延伸覆盖、填补盲区、容量再分配的一种优选方案。在网络优化规划工作中，能对直放站有计划的灵活运用是对网络建设与优化的有益补充。