CDMA系統中直放站設備的應用
2019-11-03 09:34:43
供稿：網友
深圳市國人通信有限公司總工程師 丁天文 摘要 在CDMA通信系統的建設中，使用直放站可以擴大信號的覆蓋區域，改善通信質量，調配基站話務量。該文討論了如何在CDMA系統中使用直放站設備的一些考慮，從直放站產品的類型、特點、采用的關鍵技術、應用的模型、直放站的干擾以及解決等方面提出采用直放站對提高CDMA網絡性能的重要意義。
關鍵詞 CDMA系統 直放站 應用模型
1 概述
CDMA多址技術的原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數據用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制，擴展原始數據信號的帶寬，再經載波調制并發送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的寬帶信號作相關處理，把寬帶信號還原成信息數據的窄帶信號即解擴，以實現信息通信。 CDMA通信系統在建設前期，信號的覆蓋特性無疑是爭取用戶、擴大服務的重要內容。基站的大容量性能可以解決容量需求問題，但要吸收更多的話務容量，以較低的成本擴大覆蓋，則必然要使用直放站。
直放站系統使用的目的是將通信信號的直接放大，解決延伸和覆蓋問題的。它能將很弱的接收信號線性放大，因此，可以擴大信號的覆蓋區域，改善通信質量；同時還可對不同基站的話務量進行有效的調配。應用直放站的優點是見效快、周期短、安裝方便、不容易造成資源浪費。
移動通信直放站的設置應充分考慮以下幾個環節：主要解決諸如郊縣主要公路、鐵路交通等狹長地形的覆蓋；對于基站載頻利用率不高的區域，可以通過直放站將富余的通信能力轉給需要的地方，提高設備利用率；盡量設在相對隔離區域，選擇合適的基站作為信號源，以免產生無線干擾。
直放站不能增加系統容量，卻可以彌補CDMA系統基站的覆蓋不足，由于價格低、安裝方便、在CDMA系統中采用直放站不失為網絡優化的一種較好的解決方案。
因為CDMA系統的頻率復用率為1，直放站在CDMA系統和GSM系統中的使用存在著差異。直放站的使用將與整個系統的性能相關，而在GSM系統中直放站的使用僅與幾個相關的通道性能有關。因而，合理的規劃直放站網絡，嚴格的工程勘測及施工對提高CDMA網絡的性能是十分必要的。
該文是在深入理解CDMA系統及直放站系統的基礎上，根據CDMA直放站產品的特點，提出的解決CDMA網絡延伸和覆蓋問題的系統解決方案。該方案充分考慮到采用直放站提高CDMA網絡性能時方案的合理性、完備性，在保證系統性能前提下的工程造介問題、工程施工問題、以及直放站的引入對現有的基站系統及原有GSM網絡的影響問題。
2 直放站產品類型
基于CDMA網絡建設需求，可能采用以下各種類型的直放站。
2.1 不同帶寬的直放站
目前聯通新時空即將開通使用的頻段帶寬為10Ｍｈｚ（下行頻率870-880ＭＨｚ，上行頻率825-835ＭＨｚ），單載頻使用時帶寬需求為1.23ＭＨｚ。因此，所需使用設備的工作帶寬要求應符合這兩種帶寬的條件，一般情況下，室外應用的直放站多采用選頻設備，室內分布多采用寬帶設備。
2.2 不同功率的直放站
CDMA的直放站可有各種功率選擇：1Ｗ/5Ｗ/10Ｗ/20Ｗ，不同的功率檔次適合不同的應用場合。如光纖直放站可采用大功率工作方式（10Ｗ/20Ｗ），室內直放站則采用小功率工作方式（1Ｗ/2Ｗ/5Ｗ），室外應用的直放站設備最大輸出功率不超過10Ｗ。
2.3 不同接入方式的直放站
應用的場合不同，接入方式也有差別，主要接入方式有直接耦合和空間耦合，無線接入采取空間耦合方式，光纖/電纜等接入采取直接耦合方式，直接耦合方式可取得純度較高的信號源。
2.4 不同安裝的直放站
直放站一般分為室內及室外安裝，室內安裝時要考慮良好的通風，室外安裝要考慮密封環境下的防水、防潮、散熱情況。
3 直放站產品中所采用的關鍵技術
用于CDMA系統中的直放站產品在設計開發過程中，采用了一系列的關鍵技術以滿足CDMA系統的應用特性： 3.1 低噪聲電路設計技術
采用低噪聲設計技術包括低噪聲前級放大器和線性功放，主要考慮在較高接收靈敏度的情況下，使得信號具有更好的信噪比。
3.2 線性功放技術
CDMA系統的調制方式以及頻譜的利用率，對功放的線性度也提出了很高的要求，如ＡＣＰＲ、ＩＭＤ3等指標均與線性功放的性能有關。
3.3 增益、功率控制技術
為了保證應用的直放站不會影響CDMA系統環路控制的正常工作，直放站本身必須具備增益、功率調整控制技術，這種調整可以是現場的，也可以是遠端的。
3.4 收發雙工技術
通過雙工器可以使直放站、下行收發天線共用，便于工程施工，減少工程造價，當直放站采用分體機結構時，使用雙工器可以更方便的使前后端匹配。
3.5 濾波技術
CDMA系統上下行頻率相隔45ＭＨｚ，為了避免直放站設備內部形成環路自激，保證設備穩定工作，放大鏈路需有足夠的濾波電路，對于需要嚴格控制帶寬的設備（如選頻型），還要采用變頻、中頻ＳＡＷ濾波等技術。
3.6 光傳輸技術
光纖直放站利用光纖進行信號的傳輸，需要ＲＦ信號與光信號轉換單元，以及光波分復用、光耦合及光功率分配等技術。
3.7 集中控制管理技術
為了便于設備的維護管理，直放站內部應具有較為完善的智能管理單元，以提供遠程的遙測、遙控功能，并可定時上傳狀態信息，故障自動告警等。
3.8 多頻合路、多模兼容技術
在室內分布應用的情況下，要考慮同已經安裝的其它室內分布系統（如ＧＳＭ）的兼容工作，這需要用到多頻、多模兼容技術。
4 直放站產品的系統解決方案
4.1 應用原則
根據直放站系列產品的特點和CDMA系統的需求，不同的地理環境及應用場合，系統的解決方案是不同的，這需要認真分析，區別對待。
對于無線直放站來說，信號的隔離顯得尤為重要。無線直放站是從空間接收信號，勢必要求空間信號盡可能純凈；而在基站較為密集區域，分離不同基站或扇區信號的難度將大大增加，容易使直放站增加對基站干擾。所以在基站較為密集區域，建議盡量采用有線信號的引入方式，比如光纖直放站。在不具備使用光纖直放站條件的場所，只能采用無線直放站，但其施主天線必須具有足夠的方向選擇性。
針對各類地區及應用場所，由于基站的密集性、用戶話務量等不同，建議采用如下直放站的應用原則：
*城市密集區
由于用戶量大，基站數量較多，一般不存在大范圍的信號盲區，直放站只是用于解決小范圍區域的補盲以及建筑物內的信號覆蓋。
在光纖到樓尚未普及的情況下，需采用無線直放站：隨著建筑物的增多，所需的直放站數量也會隨之增加，就會出現一個基站配置多臺直放站的情況。
直放站的引入必然對基站產生干擾，干擾會隨著直放站數量的增多而加大，特別是大功率直放站的引入，會使系統干擾明顯加劇。因此，在城市密集區應當采用小功率（1Ｗ以下）直放站。
*城市邊緣
在CDMA網絡建設初期，由于基站數量較少，可以采用大功率的無線或光纖直放站。
城市邊緣地區，主要是解決信號覆蓋問題。在已印鋪設光纖的地區最好采用輸出功率為10Ｗ的光纖直放站。
無光纖資源時，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，達到較好的覆蓋效果率。
*郊區、鄉村
郊區、鄉村主要是解決覆蓋問題。在鋪設光纖的地區最好采用大功率光纖直放站（10Ｗ/20Ｗ）擴大覆蓋范圍。
對于無光纖資源但又能收到基站信號的地區，可采用無線直放站解決覆蓋問題。特殊情況下，還可采用移頻直放站來增加覆蓋距離。
4.2 應用模型
為了使直放站在CDMA系統中的應用更具有指導意義，下面提出了三種典型應用模型作為參考。
*無線直放站的應用模型
*光纖直放站的應用模型
*室內分布系統的應用模型
5 干擾及解決方法
5.1 直放站對CDMA系統的干擾
在CDMA系統中直放站使用不僅可以消除盲區，而且還可以延伸基站的覆蓋范圍。但是，直放站的使用也會對CDMA系統產生下述的干擾問題：
*噪聲疊加
上行鏈路中直放站的使用使CDMA系統的噪聲疊加，基站的接收靈敏度下降。
*使原基站覆蓋范圍縮小
CDMA直放站的使用所引入的噪聲，導致基站系統的接收靈敏度下降，從而引起上行鏈路覆蓋范圍的收縮。通常情況下，在郊區，當上行鏈路中由于直放站使基站的噪聲電平提高2.1dB時，上行鏈路的覆蓋范圍將收縮13％。因而，CDMA系統中，直放站的架設位置不能處于原小區邊緣。
*下行鏈路的導頻時延
在CDMA系統中使用直放站會產生定時時延和信號延時擴散，如果時延較大，將使CDMA系統導頻碼的相位發生變化，產生掉話等。
在存在雙重覆蓋區域的情況下，來自直放站和基站信號的多徑傳播導致接收端的延時擴散。為了減少多徑干擾，應慎重選擇直放站的站址，使雙重覆蓋所產生的時延在一個時間窗之內；另外可以調整基站的時間窗，使系統導頻信號不產生混亂。
5.2以系統容量的影響
任何能夠改變基站接收端信號電平或干擾電平的因素，都對系統的容量產生影響。
下面分幾種不同的情況分析直放站引入對CDMA系統容量的影響：
Ａ、CDMA系統容量
比特能量與總的噪聲功能譜密度之比：
Eb/No=PG/(V*(N-1)*(1+Iother/Iself))
系統容量：
N=1+PG/(V*Eb/No(1+Iother/Iself))
其中：PG=21dB 為CDMA系統處理增益，V為話音激活增益，通常取0.4。
Iother來自于其它小區的干擾，Iself自身小區的干擾假設系統要求Eb/No=10dB。
單小區系統：
對于單小區系統，來自于相鄰小區的干擾為零，即Iother/Iself=0，代入得系統容量N=32.5。
多小區系統：
多小區無直放站的系統容量取決于相鄰小區的干擾情況。
Ｂ、安裝CDMA直放站時的系統容量
單小區有直放站：
單小區有直放站時，因為Iother/Iself=0，系統容量不變。
多小區有直放站：
多小區有直放站，分以下兩種情況進行討論：
移動臺位于小區邊緣與直放站之間的情況下，因為直放站的作用，相鄰小區移動臺的發射功率減小，因而來自相鄰小區的干擾減小，即公式中Iother/Iself減小，因而系統容量增加。
移動臺位于基站與直放站之間的情況下，當直放站位于基站與直放站之間，因為直放站的增益，使得對相鄰小區的干擾增加，通過分析可以得到該項的影響較弱。
多小區安裝直放站的情況下，對于相鄰小區干擾主要來自本小區邊界的用戶，采用直放站后，這些用戶發射功率減小，降低了相鄰小區的影響，使系統容量得以增加。統計表明，通常情況下，Iother/Iself可降低12％-6％，容量增加2-3個用戶。
綜上所述，對于單蜂窩系統，直放站的使用可在保持原有容量的前提下，增加覆蓋范圍；對多蜂窩系統，直放站的使用不僅可以增加覆蓋范圍，還可使系統容量略有增加。
5.3 基站每扇區可帶直放站的數目
假設基站和直放站的噪聲系數均為5dB，經過有關計算，可得到以下結論：
對于直放站的輸出功率為100ｍＷ（20ｄＢｍ）時，加入60臺直放站后，將引入2ｄＢ的附加噪聲。
對于1Ｗ（30ｄＢｍ）的直放站，加入10臺，將引入2ｄＢ的附加噪聲。
對于10Ｗ（40ｄＢｍ）直放站，加入1臺直放站后，將引入1.5ｄＢ的附加噪聲，加入4臺直放站，將引入4ｄＢ左右的附加噪聲。
6 直放站設計中的其它因素考慮
CDMA網絡中應用的直放站不僅要保證良好的線性、較高的抗干擾能力，也要兼顧在安全性、可靠性、可擴展性及可行性方面的考慮。
在設計/開發直放站系列產品時，安全性方面的措施包括：設備安裝時的防盜、防撬、防破壞，室外設備的防水、防濕、防高溫、防嚴寒能力；在軟件操作方面，多層分級授權密碼管理也保證了網管系統不易受到外部侵擾和破壞。
在研發、生產、工程整個流程執行規范的質量管理體系，尤其是嚴格的技術指標、例行試驗、高溫老化等一系列措施，以確保整機設備的高可靠性。
CDMA直放站設備是在GSM網中大量應用后才開始應用，因此，CDMA直放站設備應具備同GSM網兼容的能力。在系統兼容擴展方面，不僅可以應用于單載波、多載波，還可以在不同的網絡上兼容GSM900、ＧＳＭ1800等其它通信系統。
節選自《無線電工程》2001.12
