CDMA網絡中直放站的選擇和幾種典型應用
2019-11-05 02:26:10
供稿：網友
2001年1月133網全網劃歸中國聯通后，聯通公司提出將在全國范圍內建設一個1330萬用戶的CDMA移動電話網絡。但是，應該清醒地看到窄帶CDMA移動通信系統在中國的發展將會碰到GSM系統的強有力的挑戰，因為GSM系統經過前幾年的快速發展，在全國已有良好的覆蓋，而CDMA系統只在北京、上海、西安、廣州4城市和河北省等市建有網絡。
CDMA運營企業在建網初期，由于受投資成本的限制，不可能大規模地建設基站。而基站數量不足往往會造成無線信號覆蓋不好，導致網絡質量不盡如人意，進而又影響用戶的發展，造成投入成本難以快速回收。CDMA的運營企業在運營初期必須采用低容量、大覆蓋的無線網絡布局的觀點已成共識。由于直放站具有投資成本較低，安裝靈活簡便，可以迅速擴大無線覆蓋的特點，在CDMA網絡建設中，適當地引入直放站，采取以基站為主、直放站做適當補充的混合組網式是有意義的。北京133網人1999年6月開始引入CDMA直放站進行試驗，此后又陸續在北京郊區安裝了一批直放站投入全網運行。對于在CDMA系統如何采用直放站，基站設備經銷商與直放站經銷商有著不同的看法，在這里我們僅從運營企業的角度談一些我們的看法。
1．直放站的基本工作原理及發揮作用的必要條件
直放站的基本功能是一個射頻信號功率增強器，簡要原理如圖1所示。
其中前向放大器放大基站移動臺的下行信號，反向放大器放大移動臺至基站的上行信號。由于上下行信號頻率相差45MHZ，可以用雙工器和前端濾波器方便地將兩路信號分開。朝向基站的天線我們稱施主天線或源天線，其作用是溝通基站和直放站間的鏈路，故一般采用方向性很強的定向天線。直放站的服務天線或稱工作天線或方向性板狀天線。根據基站和直放站間的鏈路關系，直放站可分為微波耦合型、光纖耦合型和射耦合型。根據直放站的應用場合，又可分為室內型和室外型。室內型直放站輸出功率很小，主要用于地下停車場、商場和大型會議場所等。本文所涉及的主要是指射頻耦合型室外直放站。
微波耦合型、光纖耦合型直放站幾乎不存在信號隔離問題，基站和直放站之間可以相隔較遠，直放站性能得到充分發揮，作用十分明顯。射頻耦合型直放站情況要復雜的多，不僅要直接接收來自基站的下行信號放大后并以相同頻率發往移動臺，而且上行信號也以同樣方式送往基站。所以基站和直放站相距不能太遠，一般相距5―20km。這樣難以避免地會出現基站覆蓋區和直放站覆蓋區重疊，在這個覆蓋重疊區，既有基站的微弱信號，又有直放站放大后的信號，這兩個信號頻率是完全相同的。似乎很難理解，一個放大器從一個區域取得微弱的信號加以放大后，又將信號送回原區域，這樣不是會自激振蕩嗎？無線技術人員都深有體會，高頻電路非常輕易自激，更何況直放站工作頻率高達800―900MHZ，最大增益接近90dB。其奧秘在于直放站除自身有嚴格的屏蔽外，在安裝施工時又最大限度地提高了施主天線與服務天線的隔離度?？梢娭狈耪疽浞职l揮其性能是離不開下面三個條件的。
?。?）要有好的天線。講到天線，一般講其重要參數不外乎是：天線增益、水平半功率角和垂直半功率角。對直放站來講上述參數固然重要，但最重要的參數是天線的旁瓣抑制能力，而這一點往往得不到重視。有些天線廠的天線性能指標僅是泛泛地指出旁瓣抑制15―20dB，并不具體準確地給出旁瓣波形。直放站安裝時準確地利用天線旁瓣的凹陷位置對提高施主天線與服務天線的隔離度有著十分重要的意義。在正常安裝時，服務天線位置較高，施主天線放置的服務天線下部。故對于服務天線而言重點要考察主瓣上部的抑制和后部抑制并要求天線有高增益拋物面天線卻不如16dBi的一般板狀所獲得的隔離度好的情況。究其原因在于拋物面天線主瓣雖然尖銳，但饋源頂部無屏蔽遮擋，造成旁瓣抑制不好，隔離度反而偏小。從某種意義而言，施主天線比服務天線更為重要，對直放站的性能會起舉足輕重的作用。
?。?）要有高的鐵塔或有較大的地形高度差。直放站的安裝必須要有一定的高度，在山區可以依靠山頂或高坡來實現，而在平原地區只能依靠鐵塔。有了較高的鐵塔，首先輸出功率有限的直放站可以有較大的覆蓋，其次可以提高施主天線和服務天線間的隔離，第三有利于獲得較大的輸入信號。以前向信號為例，在平原地區地面接收信號功率電平為-95dBm時，在距地面30m高處強度可達到-60―-70dBm。直放站與基站不同，它只是一個放大器，輸入信號需要一定的強度。在理想情況下，假如施主天線安裝在30m高，施主天線與服務天線因隔離需要垂直要相隔15―20m，這樣鐵塔高度就至少需要50m。而一般基站天線高度有30m就可以。可見直放站對鐵塔高度的依靠遠比基站要大。
?。?）要最大限度地提高施主天線和服務天線間的隔離。應答應利用地形、地物等將上述兩天線隔開。當直放站服務區只需要定向覆蓋時，可以將施主天線放在山坡的一側，服務天線放在另一側，這樣可以獲得很大的隔離度。在能用定向天線覆蓋時就不要使用全向天線。若服務區為兩個方向，可憐采用二分之一功率分配器和兩付定向天線來覆蓋?；捎萌蛱炀€，要巧妙利用天線旁瓣的凹陷位置來提高施主天線與服務天線的隔離度。利用山體的兩側可以獲得相當好的隔離。利用建筑物作遮擋，也可以獲得一定的效果，比如在樓的一側安裝施主天線，在樓的另一側安裝工作天線，兩天線背靠背雖然只相隔十幾米，卻可以獲得衰減60―80dB。
在利用地形、地物將施主天線和服務天線隔開時，天線的方向圖會有所改變。利用天線旁瓣的凹陷位置加大天線隔離度的方法只能用實際測試找出。隔離度可以用頻譜儀和高頻信號發生器來測量，如圖2所示，我們在現場用HP8921給施主天線送入信號，用HP8594在服務天線接收信號，發送電平與接收電平之差即為隔離度。反過來也可以獲得同樣效果，只是電平略有差異。
2．直放站與基站的優劣性比較
直放站與基站相比較，其優點主要體現在如下同個方面：
（1）同等覆蓋面積時，使用直放站投資較低。在平原地區室外一個全向基站可以有10km覆蓋半徑；一個全向直放站可以有4km覆蓋半徑；就覆蓋面積而言，六個直放站約相當于一個基站。六個直放站的設備價約為一個基站的80%。但考慮到機房租用和裝修、交直流電源、空調、傳輸系統和電路租金等費用，六個直放站的費用只相當于于一個基站的50%，甚至更低。
?。?）覆蓋更為靈活。一個基站基本上是圓形覆蓋，多個直放站可以組織成多種覆蓋形式。如“一”字型排開，可以覆蓋十幾至幾十公里的路段。也可以組織成“L”型、“N”型和“M”型覆蓋，非凡適合于山區組網。
?。?）在組網初期，由于用戶較少，投資效益較差，可以用一部分直放站代替基站。用戶發展起來后現更換為基站，替換下來的直放站再進一步放置在更邊緣的地區，這樣一步步地滾動發展。
?。?）由于不需要土建和傳輸電路的施工，建網迅速。
但直放站與基站相比也有明顯的不中，主要表現在：
（1）不能增加系統容量。
?。?）引入直放站后，會給基站增加約3dB以上的噪音，使原基站工作環境惡化，覆蓋半徑減少。所以一個基站的一個扇區只能帶兩個以下的直放站工作。
?。?）直放站只能頻分不能碼分，一個直放站往往將多個基站或多個扇區的信號加以放大。引入過多的直放站后，導致基站短碼相位混亂導頻污染嚴重，優化工作困難，同時加大了不必要的軟切換。
?。?）直放站的網管功能和設備檢測功能遠不如基站，當直放站出現問題后不易察覺。
?。?）由于受隔離度的要求限制，直放站的某些安裝條件要比基站苛刻的多，使直放站的性能往往不能得到充分發揮。
?。?）假如直放讓自激或直放站四周有干擾源，將對原網造成嚴重影響。由于直放站的工作天線較高，會將干擾的破壞作用大面積擴大。CDMA是一個同頻系統，周邊的基站均有可能受到堵塞而癱瘓。
根據相關資料,有引起國家直放站和基站的安裝比例高達2比1以上；我們認為由于我國的人口密度很大，直放站和基站的安裝比例不應過大，假如沒有光纖直放站，只對射頻耦合型室外直放站而言，這一比值應不大于1。在規劃時，直放站作為滾動發展的過渡設備，一次性安裝直放站的比率應進一步減少。在大中城市的市區和通話密度較高的地區應不使用射頻耦合型室外直放站。
3．直放站的幾種典型應用
在進行無線蜂窩系統設計時，由于基站的發射功率遠大于手機，計算基站的覆蓋距離時，往往是計算反向電路的傳播衰耗。但在直放站的實際安裝調測中，為方便起見，我們仍以手機接收到的基站的信號強度加以估算。在下面的幾個例子中，所涉及的電平值均為手機接收信號功率值。
?。?）公路的覆蓋。北京郊區一基站東側，有一主要交通干道，我們在基站東側14km處安裝一直放站，服務天線高度約55m。直放站服務天線的輸出口接一個3比1的功率分配器，分別接兩個16dBi的板狀天線，信號小的天線向西輻射（指向基站），信號大的天線向東輻射。未裝直放站時，直放站所在地信號在-100dBm左右，通信時通時斷，效果非常不好。直放站開通后，直放站西側一段約3―5km公路信號明顯改善；直放站東側使通信距離又延伸8―10km。
?。?）郊區重點村鎮居民區的覆蓋。一村鎮離基站5―6km，由于該鎮經濟條件較好，手機用戶較多。無直放站時，地面信號在-90―-95dBm左右，室外通信正常但無法保證室內通信。安裝直放站后，服務天線在30m高左右，采用全向天線，地面接收的基站信號電平提高約20dB，可以解決半徑在500―800m內的室內覆蓋（指一般居民樓）。
?。?）“L”型覆蓋。某一風景區位于山谷中，距離基站不到4km，但由于被山脈阻擋，手機根本無法工作。我們在山脈的盡頭安裝一直放站，由于直放站接收信號的方向和發
