基站雙向塔放系統(tǒng)增強GSM信號覆蓋

2019-11-03 09:19:40

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供稿：網(wǎng)友

　　貴州省移動通信公司遵義分公司建維部楊柳

　　隨著我國移動通信事業(yè)的飛速發(fā)展，移動通信用戶量正在不斷地增加，以至蜂窩小區(qū)規(guī)劃越來越小，基站位置越來越低；另一方面，隨著城市建設(shè)的高層化，高層建筑正不斷涌現(xiàn)，由于無線傳播的陰影效應(yīng)，在這些高層建筑的背后或中間常形成移動通信信號的盲區(qū)。對于GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋而言，在農(nóng)村地區(qū)，基站的覆蓋與容量之間的關(guān)系存在突出的矛盾。主要表現(xiàn)在容量有余而覆蓋不足，導(dǎo)致大量的農(nóng)村地區(qū)采用單載頻基站，由于農(nóng)村地區(qū)地域廣闊，基站往往采用高架（桿）塔方式，導(dǎo)致基站建設(shè)成本增加。另外，天線高架以后也導(dǎo)致RF傳輸線損耗加大，天線輸出的功率進(jìn)一步下降，基站的覆蓋也進(jìn)一步下降。

　　根據(jù)上述特點，隨著網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的逐漸加深，GSM基站的覆蓋特性也向著兩個方向發(fā)展。

　　一是GSM基站向著小范圍覆蓋方向發(fā)展。這類基站主要集中在城市或用戶量大的區(qū)域，主要工程反映在微蜂窩基站及室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)。

　　二是GSM基站向著大范圍覆蓋方向發(fā)展。這類基站主要集中在農(nóng)村或邊遠(yuǎn)山區(qū)，主要工程都集中在盡量擴大基站的覆蓋范圍的工程上。但在覆蓋鄉(xiāng)村及邊遠(yuǎn)地區(qū)的建設(shè)中，移動運營商難免遇到下述兩個難題。

　　1．多數(shù)鄉(xiāng)村及邊遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟較為落后，移動用戶數(shù)量少，話務(wù)收入相應(yīng)也低，如果通過大量建設(shè)基站的方法解決信號覆蓋問題，其間所產(chǎn)生的巨額投入無疑很難在短期內(nèi)收回。

　　2．多數(shù)鄉(xiāng)村及邊遠(yuǎn)地區(qū)地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣，基站選址難度大、施工周期長，日后維護(hù)保養(yǎng)也成問題。

　　針對上述面臨的廣覆蓋、低話務(wù)、投資收益低等特點，提高基站發(fā)射功率無疑是農(nóng)村及山區(qū)覆蓋的最佳選擇。基站覆蓋延伸系統(tǒng)正是在這樣一種前提下提出的有效解決基站大范圍的一種有效方案。

　　一、覆蓋原理

　　GSM基站覆蓋延伸系統(tǒng)（基站雙放系統(tǒng)）由基站功率放大器和塔頂放大器組成，它的實現(xiàn)是通過在基站機房內(nèi)加裝大功率超線性選頻功率放大器來放大下行信號，提高信號對遮擋物的穿透性，加深基站下行信號覆蓋范圍，以到達(dá)擴大基站覆蓋區(qū)域的目的；并且在接收系統(tǒng)前端增加塔頂放大器來配合基站功率放大器提高上行接收靈敏度，解決基站上下行鏈路平衡，同時達(dá)到降低基站上行噪聲、提升上行增益，改善基站接收性能的目的。

　　根據(jù)自由空間電磁傳播理論，自由空間中電波傳播損耗只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)，當(dāng)f或d增大一倍時，電波傳播損耗將分別增加6dB。

　　Lfs(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)式中，Lfs為自由空間電波傳播損耗。

　　但是在實際應(yīng)用中，由于傳播路徑引起的信號損耗是非常明顯的。應(yīng)綜合考慮傳播路徑中的地形修正因子引起的信號強度非正常衰減。為了防止因衰落（包括快衰落和慢衰落）引起的通信中斷，在信道設(shè)計中，必須使信號的電平留有足夠的余量，以使掉話率小于規(guī)定值。這種電平余量稱為衰落儲備。衰落儲備的大小決定于地形、地物、工作頻率及要求的通信可靠性（接通率）指標(biāo)。

　　基站功率放大器系統(tǒng)在不改變基站原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，使基站的發(fā)射功率由20～40W左右增加至200W，這樣就大幅提高了基站電平的衰落儲備，使原有服務(wù)區(qū)域內(nèi)的用戶可以更加自由的進(jìn)行移動通信。同時，根據(jù)自由空間電波傳播損耗，衰落儲備的增加，在頻率f不變的情況下，使覆蓋距離d增加。

　　以基站原覆蓋半徑7km為例，若下行信號增加12dB，由以下計算可得：

　　安裝前： Lfs(dB)=32.44+20lg7(km)+20lg900(MHz)

　　=108dB

　　覆蓋面積S1=πr12=154km2

　　安裝后，下行信號如果增加4dB，則相應(yīng)的傳播信道衰落儲備增加4dB，達(dá)到112dB，由計算可得，d=10.56km。

　　安裝前后覆蓋距離擴大了3.56km，

　　覆蓋面積S2=πr22=351km2

　　覆蓋面積增加了128%。即安裝基站功率放大器后，原基站覆蓋范圍增加了一倍以上，如圖1所示。

圖1 基站功率放大器安裝前后基站覆蓋范圍示意圖

　　二、系統(tǒng)特點

　　該系統(tǒng)相比單純使用塔頂放大器而言，克服了只提高基站上行接收靈敏度，對覆蓋無多大改善的弊端，將移動基站的性能發(fā)揮到最大限度。它最大的特點是直接利用原有天饋系統(tǒng)，無須改動基站原有結(jié)構(gòu)。由于GSM基站的覆蓋范圍得到擴大，一方面它可使正在建設(shè)的基站數(shù)目減少，另一方面用在已建好的基站上使用，以加大基站功率，增強穿透性，減少建筑物對信號阻擋造成的盲區(qū)，從而使現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量提高。

　　該系統(tǒng)相比單純利用雙時隙技術(shù)以到達(dá)覆蓋距離增距而言，當(dāng)然在距離上仍有差距，技術(shù)實現(xiàn)上則相對較為簡單，操作較為簡便，技術(shù)要求較低。但如果兩者能夠有機結(jié)合使用，相信無論在覆蓋距離上，還是在覆蓋質(zhì)量上都能有機統(tǒng)一，互相促進(jìn)，收到易想不到的效果。

　　三、系統(tǒng)優(yōu)點：

　　1.擴大信號覆蓋的范圍

　　如基站功率放大器安裝前后基站覆蓋范圍示意圖所示。目前，基站的發(fā)射功率一般在20~40W之間，覆蓋半徑相對較小，不足7km，若采用基站功率放大器（上行結(jié)合塔頂放大器），就可以在每發(fā)射通道得到200W(53dBm)的發(fā)射功率，上行信號經(jīng)塔頂放大器放大后增加12dB左右，將基站覆蓋范圍擴展到15~30km以內(nèi)，從而可以大大減少基站數(shù)量，使綜合投資大幅降低。大大優(yōu)化了業(yè)務(wù)量較少的邊際網(wǎng)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)，從而達(dá)到少建基站、節(jié)約成本、降低工程難度的目的。

　　2.深化信號穿透深度,改善弱信號或無信號地區(qū)的信號強度

　　一般而言，蜂窩移動通信GSM900頻段建筑物中值穿透損耗約為6-20dB，該數(shù)據(jù)與城市化參數(shù)、建筑物高度、密度有關(guān)，穿透損耗還隨頻率的增高而降低。可見，在同樣距離條件下，建筑物的室內(nèi)電平比室外低得多。測量和實踐表明，安裝基站功率放大器后，可以大大改善下行信號的傳輸質(zhì)量，提高弱信號或信號盲區(qū)的信號電平，解決部分室內(nèi)覆蓋問題，提高高話務(wù)量小區(qū)的通話效率。

　　3.降低手機發(fā)射功率，改善電磁環(huán)境

　　在弱信號或信號盲區(qū)，由于下行信號電平不夠，手機接收能力變差，為維持通話，必須加大手機發(fā)射功率，從而造成手機耗電量加大，手機與手機之間的干擾加大，電磁環(huán)境變得惡劣，從而使網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有所降低。而采用基站功率放大器，上下行可以達(dá)到良好平衡，原來覆蓋不好的不能撥通電話的，現(xiàn)在可以通了，手機發(fā)射功率也可以下降2-3倍，從而節(jié)省電池電量，減少干擾，靜化電磁環(huán)境，達(dá)到改善電磁環(huán)境的目的，提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。

　　4．降低掉話率，改善通話質(zhì)量

　　移動基站的掉話大部分是無線接口的掉話。塔放最根本的技術(shù)原理是降低基站接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，提高了基站接收靈敏度，這對改善無線接口的掉話是非常有益的。加裝塔放的基站，由于其上行接收電平得到加強，所需的手機發(fā)射功率可以降低，這不僅為手機用戶帶來節(jié)省電池和減少輻射的好處，更重要的是它有效降低了上行鏈路的同頻和鄰頻干擾，尤其在移動用戶數(shù)高速增長、手機干擾越來越突出的今天，降低手機輸出功率的意義就尤為突出。隨著下行電平提高，原有通話質(zhì)量較差地區(qū)的下行電平得到改善，由下行信號較弱導(dǎo)致的掉話將會明顯降低。同時，由于上行塔頂放大器的安裝，使由饋線引入的噪聲降低，改善上行信號質(zhì)量，在最大限度上改善整個網(wǎng)絡(luò)的通話質(zhì)量。

　　5．增加話務(wù)量，節(jié)省費用，提高經(jīng)濟效益，增加收益

　　加裝基站功率放大器的基站由于有效覆蓋范圍擴大，不需要增加新的基站即可覆蓋更加多的空間，可節(jié)省移動網(wǎng)建設(shè)資金，同時降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的成本。同時相應(yīng)地提高了無線資源的有效利用率，容納更大的話務(wù)量，用戶群增加。從而提高了經(jīng)濟效益。其對話務(wù)量的影響，是體現(xiàn)其經(jīng)濟效益的直接原因。因此，運營商取得的經(jīng)濟效益也會顯著增加。

　　6. 工程周期短，見效快

　　由于僅需加裝基放和塔放，不需要進(jìn)行任何基建投資和進(jìn)行基礎(chǔ)工程建設(shè)，只要將基放和塔放串接在基站和天線之間即可。工期短，效果在短期內(nèi)即有成效。

　　7.提高運營商的商業(yè)信譽和競爭力

　　基站功率放大器安裝后，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍將明顯增加，同時，通話質(zhì)量和掉話率得到改善，用戶投訴減少，這就大大增加了用戶對移動運營商的信任度，從而為運營商贏得更多客戶，增強運營商的競爭實力。

　　四、系統(tǒng)組網(wǎng)模式，工作方式

　　1．組網(wǎng)模式

　　根據(jù)對載頻發(fā)射功率進(jìn)行放大的目的，目前在雙向塔放系統(tǒng)組網(wǎng)方式中存在兩種組網(wǎng)模式。

　　（1）在BTS設(shè)備內(nèi)接TRE板，通過功放設(shè)備后經(jīng)AN級進(jìn)行放大的模式。這種方式簡單的利用發(fā)射功率放大的原理，設(shè)備要求不高，是最初期的一種功放模式。由于存在原基站設(shè)備部分性能缺失，改變并降低原設(shè)備性能的缺點，目前業(yè)內(nèi)不建議采用此種方式。其連接示意圖如下：

　　（2）在不改變原設(shè)備性能的基礎(chǔ)上，在設(shè)備之外，從AN接入，通過塔放及功放設(shè)備進(jìn)行放大的模式。由于不影響原基站設(shè)備的性能，目前在業(yè)內(nèi)普遍采用。其連接示意圖如下：

　　3．工作方式

　　按塔放設(shè)備接入方式可分為單工塔放和雙工塔放兩種方式。

　　按功放設(shè)備接入后工作方式又分為一對一放大和一對多放大兩種工作方式。其中一對一工作方式指一個功放模塊對一個載頻進(jìn)行放大，雖然設(shè)備數(shù)量多，價格高，擴容不便，但性能相對穩(wěn)定，對放大后通話質(zhì)量及信號載頻均能保證，目前業(yè)內(nèi)多采用這種方式；一對多工作方式指一個功放模塊對一個或多個載頻進(jìn)行放大。雖然設(shè)備數(shù)量少，價格相對經(jīng)濟，但由于基站載頻數(shù)多，信號雖能保證（指BCCH），但通話質(zhì)量較差，通信指標(biāo)難以保證，一般不建議使用。

　　五、系統(tǒng)實用范圍及使用建議

　　根據(jù)我們在不同環(huán)境下的實驗結(jié)果及理論推算，基站覆蓋延伸系統(tǒng)比較適用于以下幾種情況。

　　1．遠(yuǎn)離繁華城區(qū)，地廣人稀的平原，海域，盆地，水域，地勢起伏不大的風(fēng)景休閑度假區(qū)等；

　　2．對高速公路、鐵路等呈帶狀分布需繼續(xù)加大定向覆蓋效果的地區(qū)；

　　3．復(fù)雜地形地貌、公路沿線分布的散落村鎮(zhèn)，距基站較遠(yuǎn)覆蓋差的居民定居點等；

　　4．基站周圍話務(wù)量無明顯增加，但用戶活動半徑較大的地區(qū)；

　　5．覆蓋效果差，接通率低，掉話率高，切換成功率低，和通話效果差的城鎮(zhèn)特殊地區(qū)。

　　根據(jù)我們在不同環(huán)境下的實驗結(jié)果及理論推算，提出如下使用建議。

　　1．在考慮投入產(chǎn)出比的情況下，建議運營商將基站雙向放大系統(tǒng)使用在載頻數(shù)量少，周邊地理環(huán)境盡可能開闊的公路沿線站及農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)站，便于加大信號覆蓋強度，擴大覆蓋范圍，增加業(yè)務(wù)收入，減少掉話，提高切換成功率。

　　2．在上該系統(tǒng)時，充分考慮設(shè)備電源接入方式，避免電源容量緊張導(dǎo)致主設(shè)備掉電。

　　3．嚴(yán)格塔放設(shè)備及功放設(shè)備的防雷接地安裝工作，避免雷電對基站設(shè)備及雙放設(shè)備的損傷。

　　4．充分考慮基站延伸系統(tǒng)的監(jiān)控工作，作好設(shè)備的早知早發(fā)現(xiàn)，避免新的用戶網(wǎng)絡(luò)投訴，以便充分發(fā)揮該系統(tǒng)的功能。

　　5．考慮到電器制造業(yè)向小型化，集成化，智能化方向發(fā)展，建議相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)廠商將設(shè)備制造得更為小巧，輕便，防水防雷，散熱性，功率轉(zhuǎn)換能力，監(jiān)控性能更高更好。

　　總之，合理正確地使用基站雙向放大系統(tǒng)一定能給運營商及廣大用戶帶來移動通信的新篇章。最后，真誠感謝相關(guān)雙放設(shè)備廠商對我們工作的支持。

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