光纖直放站在GSM網絡中的運用

2019-11-03 09:32:39

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邵偉東傅文中　　摘要：在網絡中運用直放站是低成本、快速解決網絡覆蓋的有效手段。本文介紹了光纖直放站的工作原理、特點及有關的計算，對如何在GSM網絡中運用光纖直放站，提高網絡質量和網絡設備利用率闡述了筆者看法。

　　關鍵詞：光纖直放站網絡覆蓋

　　近10年來，移動通信高速發展，運營商之間競爭日益激烈，客戶對網絡服務質量的要求不斷提高。面對市場競爭的壓力和客戶近乎苛刻的網絡質量要求，運營商都紛紛加大網絡投資的力度，提高網絡質量。

　　建設GSM直放站是低成本、快速提高網絡覆蓋和網絡質量的有效手段。根據信號引入的方式不同，直放站可分為無線直放站、干線放大器和光纖直放站。光纖直放站運用的歷史較短，但與無線直放站和干線放大器相比有獨特的優勢，隨著光器件價格降低，產品不斷成熟，在網絡中的運用不斷增多。下面，筆者談一談光纖直放站在網絡中的運用。

　　一. 光纖直放站的工作原理

　　光纖直放站的原理見圖一，主要有以下幾個部分組成：光近端機、光纖、光遠端機（覆蓋單元）。光近端機和光遠端機都包括射頻單元(RF單元)和光單元。無線信號從基站中耦合出來后，進入光近端機，通過電光轉換，電信號轉變為光信號，從光近端機輸入至光纖，經過光纖傳輸到光遠端機，光遠端機把光信號轉為電信號，進入RF單元進行放大，信號經過放大后送入發射天線，覆蓋目標區域。上行鏈路的工作原理一樣，手機發射的信號通過接收天線至光遠端機，再到近端機，回到基站。

　　二. 光纖直放站的傳輸方式

　　光纖直放站的最大特點是通過光纖進行信號傳輸，光纖傳輸可以單獨敷設，也可以利用現有的傳輸網絡，主要有3種方式：普通雙光纖方式、波分復用方式和同纖傳輸方式，其中波分復用和同纖方式都需要使用波分復用器。一般來說，如果能夠從基站敷設光纖至光遠端機或現成的光纖網絡中有富余的纖芯，都采用普通雙光纖的方式解決光纖傳輸的問題。采用波分復用器可以提高光纖的利用率，但由于波分復用器投資較大，一般較少使用。

　　三. 光纖直放站的特點

　　無線直放站通過接收空間傳播的無線信號進行放大，從而擴大基站的覆蓋范圍。光纖直放站與無線直放站的最大區別在于施主基站信號的傳輸方式上，光纖直放站是通過光纖進行傳輸，而無線直放站通過空間傳播，因此，光纖直放站有以下幾個優點：

　　（1）工作穩定，覆蓋效果好。

　　光纖直放站通過光纖傳輸信號，不受地理環境、天氣變化或施主基站覆蓋范圍調整的影響，因此工作穩定，覆蓋效果好。

　　（2）設計和施工更為靈活。

　　根據無線直放站的工作原理，無線直放站需把施主天線安裝在可以接收到GSM信號的地方，而且接收信號強度不能小于－80dBm，所以無線直放站一般只能安裝在基站覆蓋范圍的邊緣，并向順著基站覆蓋的方向延伸覆蓋。同時，為了防止直放站自激，還需保證施主天線和覆蓋天線有足夠的隔離度。因此，無線直放站的安裝位置和方式受到一定限制，而且一般采用定向天線進行覆蓋，覆蓋范圍較小。光纖直放站在設計時無需考慮安裝地點能否接收到信號；不需考慮收發隔離問題，選址方便；覆蓋天線可根據需要采用全向或定向天線，因此，設計和施工的靈活性大。

　　四. 光纖直放站設計中需考慮的問題

　　1.傳輸距離

　　光纖直放站采用光纖進行傳輸，光信號在光纖中傳輸的損耗非常小，光纖直放站信號傳輸的距離主要是受信號時延的限制。 GSM數字移動通信采用TDMA時分多址技術，每載頻分為8個信道分時共用，即每載頻8個時隙。時隙之間的保護間隔很小，為消除手機MS到BTS的傳播時延，GSM系統采用MS提前一定時間來補償時延，時間提前量的取值范圍是0～233μS，對應信號傳播約70公里，由于信號一來一回是雙向的，所以，GSM信號在每載頻8個時隙時，空間傳播距離是35km。當引入光纖直放站延伸信號傳播距離時，信號的傳播時延包括了在光纖直放站上的時延和在空中傳播的時延。光信號在光纖的介質中傳播時，速度是無線信號在空氣中傳播的2/3，加上直放站的時延（大約1.5μS）和無線信號在空中傳播時延，因此，光纖直放站距離基站最遠不應該大于20km。

　　2.直放站增益的計算

　　引入直放站設備，給手機和基站之間的信號增加了熱噪聲，增加熱噪聲的直接后果是降低了基站的接收靈敏度。下面看一下應如何正確設置直放站的增益，減小引入直放站對GSM網絡的影響。

　　２.1基站接收端的噪聲

　　在沒有引入直放站的情況下，基站接收端的噪聲為熱噪聲和基站噪聲系數之和，稱為基站底噪聲。

熱噪聲的計算公式為：N＝10Lg[KTB]，其中K為波次曼常數，T為絕對溫度，B為信號帶寬；基站噪聲系數Nfbts一般為2dB。

因此，基站接收端的底噪聲電平Npbts為：Npbts=10Lg[KTB]＋Nfbts=-121dBm/Hz＋2dB＝－119dBm當引入直放站，該基站成為直放站的施主基站后，其接收端的噪聲為基站底噪聲加上直放站的噪聲增量。

　　2.2引入直放站后基站接收端噪聲的變化

　　基站接收端接收到直放站的噪聲電平與直放站的上行增益有關，下面看一看直放站上行增益對基站輸入端噪聲的影響。

先從無線直放站引出相關的計算，網絡示意圖如下：

直放站輸出的噪聲功率Np'rep為直放站的熱噪聲N加上直放站的噪聲系數Nfrep再加上直放站的增益Grep,即：Np'rep=10Lg[KTB]＋Nfrep＋Grep

把從基站發射機至直放站的所有損耗計為路徑損耗Lp，則直放站產生，在基站接收端的噪聲電平NPRep為：Nprep = Np'rep -Lp=10Lg[KTB]＋Nfrep＋Grep -Lp=-121＋Nfrep＋Grep-Lp (1)

引入直放站后，基站接收端的總噪聲(NP)total為基站底噪聲Nbts和直放站在基站接收端產生的噪聲Nrep的疊加，即：(NP)total=10Lg[10Npbts+10Nprep]

=NPbts+10Lg[1+10Nfrep-Nfbts+Grep-Lp]

令10Lg[1+10Nfrep-Nfbts+Grep-Lp]= ΔNbts (2)

則：(NP)total =Npbts+ΔNbts

　　從以上推算可以看到，引入直放站以后，基站接收端的噪聲電平比無直放站時增加了ΔNbts，這個值為噪聲增量。噪聲增量與基站、直放站的噪聲系數、直放站的增益、基站發射機至直放站的路徑損耗有關。

根據公式（2）計算：

當Nfrep-Nfbts+Grep-Lp＝0時，基站接收端的噪聲增量ΔNbts為3dB；

當Nfrep-Nfbts+Grep-Lp＝－６時，基站接收端的噪聲增量為ΔNbts降為0.97 dB，也就是說基站的靈敏度下降了0.97 dB。這時，可以認為直放站引入基本上對基站的無影響。一般，基站噪聲系數Nfbts為2dB，那么，按公式(1)計算直放站在基站接收端產生的噪聲電平Nprep為－125dBm。

　　在工程實際中，基站和直放站的噪聲系數一定，噪聲增量主要受直放站增益和基站發射機至直放站的路徑損耗的影響。基站噪聲系數Nfbts為2dB，直放站噪聲系數Nfrep為4dB，那么，直放站的增益Grep應比基站發射機至直放站的路徑損耗Lp小8dB，才能把基站接收端的噪聲增量控制在1dB以內。

　　光纖直放站一般從基站直接耦合信號，光纖直放站的路徑損耗Lp為耦合器的耦合損耗，同樣的原理，光纖直放站的上行增益需比耦合損耗小8dB左右。在工程實際中，我們一般選擇高耦合比的耦合器，使輸入光纖直放站的信號在0dBm，這樣，基站至光纖直放站的路徑損耗為40dB左右，而光纖直放站的上行增益設置為30dB，保證了光纖直放站引入后，原基站靈敏度基本不受影響。

　　在網絡設計中，如果目標覆蓋的范圍較大，需要到多個光纖直放站并聯才能完成覆蓋，這種情況下，基站接收端的噪聲為基站底噪聲與基站接收到各直放站噪聲的疊加，即，NPtotal=10lg[10NPBTS+?0(Nprep)］（Nprep）i為每一個直放站在基站接收端產生的噪聲，n為直放站的數量。為了控制直放站總的噪聲水平，即總的ΔNbts保持小于１dB，需要減小每一個直放站的增益。假設每一個直放站對基站產生的噪聲增量ΔNbts相等，那么，n個直放站時每一個直放站在基站接收端產生的噪聲Ｎp'rep與一個直放站時產生的噪聲－125dBm相比，需滿足以下公式：Ｎp'rep<-125-10Lgn如果每一個直放站的路徑損耗相等，那么，n個直放站時，每一個直放站的增益G'rep，比一個直放站時的增益Grep小10Lgn，即G'rep
這樣，n個直放站在基站接收端產生的總噪聲增量將控制在1dB以內。

總的說來，設置光纖直放站上行增益時需考慮基站發射機至直放站接收機的路徑損耗和并聯在該基站上光纖直放站的數量。

2.3正確設置光纖直放站的下行增益－直放站與手機之間上下行平衡的計算

設置光纖直放站的下行增益，也就是控制直放站的輸出功率，需要考慮的是直放站與手機之間上下行平衡的問題。為保證上下行平衡，直放站的發射功率需滿足以下公式：直放站發射功率Po＋直放站噪聲系數Nf＝手機發射功率Pm＋手機噪聲系數Nfm其中：手機最大發射功率Pm＝33dBm手機噪聲系數＝6dB直放站噪聲系數＝4dB因此直放站的發射功率Po最大為：Po=33+6-4=35 dBm這是設置直放站下行功率要注意的問題。

　　無線直放站在工程中，設置增益時還需考慮收發天線之間的隔離度，要求增益必須小于收發隔離度，才能避免直放站自激。光纖直放站一般收發天線相距較遠，隔離度不需要考慮。因此，光纖直放站工程設計和施工時只需要按4.2.2和4.2.3的要求計算上下行增益即可。

　　五、使用案例

　　光纖直放站相對于無線直放站來說，成本相對較高，而且需要敷設光纖，設計和施工難度也較大，但正如本文第3點所闡述，與無線直放站相比，光纖直放站有著無可比擬的優點，光纖直放站主要運用在以下幾個不具備安裝無線直放站條件的情況：1、覆蓋區域距離基站較遠，在該地無法取得基站無線覆蓋的信號。2、覆蓋目標區域無線環境非常惡劣，需要采用天線陣對該區域進行覆蓋，而該區域無法布放粗大的饋線的情況下，采用光纖直放站，布放光纖傳輸信號方便設計和施工。

1.隧道覆蓋

　　根據規模的不同，隧道長短不一，短的幾十米，長的幾公里，區域內話務量并不高。隧道內無線信號傳播環境復雜，受隧道大小和轉彎等因素影響，無線信號衰減很快，一個基站的覆蓋范圍有限，因此，適合運用直放站解決覆蓋問題。下面是某隧道的例子。某隧道由于受到山的阻擋，是信號覆蓋的盲區，而且經過實地勘察后發現有以下的問題：

　　（1）該區域無視距范圍內的基站，接收基站信號微弱，低于－90dBm，信號質量差，因此無法安裝無線直放站。

　　（2）該區域距離基站較遠，安裝覆蓋天線的最佳位置距離基站有1公里。

　　為了解決該區域的覆蓋問題，我們采用光纖直放站進行覆蓋。基站距離隧道入口有1公里，隧道外信號覆蓋較弱，隧道內是覆蓋盲點。這個方案中，光遠端機安裝在隧道口，光遠端機的信號三功分后送入3面定向天線，其中2面覆蓋兩條隧道，另外1面覆蓋公路，很好地解決了該區域的覆蓋問題。

2.某村密集樓房的覆蓋

　　某村是城市里的“城中村”，村中的建筑全部是7~8層樓房，樓房非常密集，無線信號傳播環境非常惡劣，經過測試，每個基站僅能覆蓋的半徑為基站周圍約四幢樓的范圍，如果采用增加基站來解決室內信號覆蓋，需建設3至5個基站，運營成本很高。　　為了滿足客戶的要求，解決該村的信號覆蓋問題，我們設計了一個天線系統對該區域進行覆蓋。每隔四、五棟樓，安裝一個小型全向天線對這幾棟樓進行覆蓋，一共用了20余根全向天線，天線與基站之間采用多臺光纖直放站進行連接，每天線發射功率為10dBm左右，解決了該區域的覆蓋問題。

　　以光纖直放站延伸基站覆蓋，特點是投資少、見效快，能快速擴大網絡的覆蓋范圍，特別是隨著近年技術的發展，光纖直放站不但性能穩定，各種指標滿足GSM規范要求，而且開通了監控功能，使光纖直放站的建設和維護都非常方便，完全可以在GSM網上運行。

　　在很多機房選址難，傳輸、電源、鐵塔等配套設施建設難度大，建設成本高，而從競爭和服務上考慮，又必須進行覆蓋的地方，如鄉鎮、公路、旅游景點等話務較小的地區，完全可以用光纖直放站代替基站進行覆蓋；同時，通過加裝光纖直放站，擴大話務量小的基站的覆蓋范圍，提高該基站的話務量，從而提高了原有基站設備的利用率。總之，在網絡中建設光纖直放站，是擴大網絡覆蓋，提高網絡質量和設備利用率的有效手段。

參考文獻：

[1]《直放站在蜂窩移動通信網中的應用》，作者張農。

摘自《通信市場》2002.8

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