CDMA網絡中直放站的選擇應用
2019-11-03 09:37:13
供稿：網友
蔡阜平 1 曹華俊2
(1.北京電信長城移動通信有限責任公司 北京 100036 2.北京市電信管理局 北京 100031)
摘 要 本文在簡單介紹直放站原理的基礎上，從多個角度對直放站在CDMA網絡中的應用做了分析。對直放站與基站進行了比較，就直放站的幾種典型應用做了介紹，并從運營的角度對直放站的技術參數（如工作帶寬、輸出功率、分集接收等）、工程安裝以及工程服務等進行了討論。
關鍵詞 直放站 CDMA 選擇
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遇到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，高頻電路非常容易自激，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。
（1）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，并不詳細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?？梢娭狈耪緦﹁F塔高度的依賴遠比基站要大。
?。?）要最大限度地提高施主天線和服務天線間的隔離。應允許利用地形、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：
?。?）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，特別適合于山區組網。
?。?）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。
（5）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。
?。?）如果直放讓自激或直放站附近有干擾源，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，如果沒有光纖直放站，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。
（2）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射信號的方向成一定的角度，相當于基站的電波在直放站處轉了一個彎。依靠山體的阻擋，直放站的施主天線和服務天線分別放在山體的兩側，隔離度很大，直放站的性能可以充分發揮， 不但很好地解決了該風景區用戶的通信問題，還使該基站的通信距離向山谷里延伸了6km。
（4）臨時性會議地點的應急覆蓋。北京郊區某賓館組織生要會議，由于信號較弱，在會議室和賓館底層房間均不能通信。由于時間緊迫，在該賓館安裝閉路分布系統已不可能。經現場考察，在賓館頂層信號較強，且信號單一，安裝直放站不會引起導頻混亂。服務天線放樓群中間，利用樓體的隔離可以有效地控制直放站的覆蓋，因賓館面積不大，直放站的增益設置較小，使直放站工作很穩定。直放站半天即安裝完畢，馬上收到效果，不但會議室內信號明顯增加，而且地下室也可以正常通信。
?。?）開闊地域的覆蓋。人口分布較少的開闊地域是使用直放站進行覆蓋的典型場合。當直放站采用全向天線時，只要有一定的鐵塔高度，在直放站工作正常的情況下，3km內可以明顯地感覺到直放站的增益作用。但距離超過5km以后，直放站的增益作用就迅速消失，用手機進行基站接收信號電平測試，無論直放站是否工作，接收電平都沒有明顯變化。這是因為在平原開闊地區，房屋建筑和地形地貌造成的傳輸衰耗相對較小，而隨空間距離的增加，電波按32.45+20logf (MHz)+20logD(km)的規律衰減；即距離每增加一倍，電波衰減6dB。比如在離基站12kmA點處用手機測得基站的接收信號電平下降為約-95dBm，在離基站17km的B點測得接收信號電平下降為約-97km（由于距離增加不足三分之一，自由空間衰耗和地貌衰耗增加值都不很大）。在A點安裝一直放站，我們可以這樣估算一下直放站電波的衰減曲線。直放站正常工作后，在距直放站水平距離300m的地面用手機進行接收信號電平測量（離直放站過近，將離開天線的主瓣，計算誤差較大），假如測得導頻電平為-70dBm，就可估算出直放站在A點附近有25dB的增益作用。由于距離每增加一倍，電波衰減6dB。在離A 點600m處衰減6dB，1200m處衰減12dB依次類推，4.8km衰關將達24dB。如果考慮地貌衰耗，直放站放大的信號到達B點時，信號電平約在-95—-100dBm左右，此時直放站的增益作用幾乎為零。圖3表示出基站的信號和直放站放大的信號衰減曲線索，可以看出A點至B點，基站信號衰減很慢，而且直放站信號衰減可以看出A點到B點，基站信號衰減很慢，而直放站信號衰減很快。
需要指出的是，如果直放站所在地300m處，通過開頭直放站的方法，若能檢查出直放站有25dB以上的增益，則說明直放站的工作狀態已經是比較好的。由此可見，要想利用直放站組成大面積的覆蓋是不現實的。當然 要想在局部方向獲得較大的覆蓋，如公路沿線則必須有更高的鐵塔和高增益的定向天線，這樣可以在單一方向延伸覆蓋10km左右。
4．什么樣的直放站運營企業感興趣
直放站有很多技術參數，如工作頻率范圍、增益范圍、頻率穩定度、諧波抑制等，這里我們不做詳細論述，而僅通過這些年來我們對多家直放站生產廠商的產品進行試驗，談些我們的體會，對某些技術參數進行討論。
?。?）直放站的工作帶寬。很多直放站是由AMPS和TACS模擬移動通信系統產品演變而來，進入CDMA體制后，只做了少量改動，為適應CDMA有多個載頻的需要（我國800MHZCDMA系統有10MHZ帶寬），一些直放站生產廠家，其寬帶的直放站均不如為CDMA專門設計的窄帶直放站性能好。因為CDMA系統信號的信噪比遠低于其他系統，前端低噪
音放大器的性能十分重要，寬帶濾波器不利于低噪音放大器的制造。實際上直放站滿足多功波是沒有必要的，直放站都工作在話務量低的邊緣地區，能保證CDMA首載波283信道工作即可。直放站是基站滾動發展的，過渡性產品，當需要第二載波時，直放站已被基站取代。
（2）直放站的最大輸出功率。一些廠家為了獲得較大覆蓋，生產的直放站最大輸出功率高達+43dBm，我們認為沒有必要。取大輸出功率+33—38dBm較為合適。道德我們認為覆蓋主要取決于直放站反向信道低噪音放大器的性能，而不取決于直放站的最大輸出功率。第二在實際安裝中，直放站輸出功率很難達到+30dBm以上。在空曠地帶，當地面接收基站的信號電平低于-95dBm時，可考慮安裝直放站。假設施主天線架高30m，由于高度的提高，空中接收信號電平在-65—-70dBm左右，加上施主天線增益，直放站輸入端口可望接收-50—-55dBm的信號，如果直放站增益為80dB，直放站輸出功率只能達到+25—30dBm。但是在實際安裝中，由于鐵塔高度的原因，隔離度受到限制，直放站的增益很難達到80dB以上，所以直放站的最大輸出功率指標定的過高實際意義不大。
?。?）反向信道接收端應具有分集接收作用。CDMA系統有嚴格的功率控制，處于極低的信噪比情況下工作。由于手機發射的功率要遠低于基站，直放站反向信道低噪音放大器的性能好壞顯得十分重要。采用分集接收有利于改善反向信道的性能。在我們對直放站的多次試驗中，具有分集接收直放站的覆蓋距離都大于不具有分集接收的直放站。我們還發現，正常情況（無直放站）手機發射電平很少超過+15dBm。在加入地舊調重彈站后，手機的發射功率比正常時要大很多，有時接收電平在-95—-100dBm時，手機輸出就高達+23dBm。這主要是加入直放站后，反向路徑信噪比惡化的原因。由于手機最大輸出是+23dBm，所以直放站的覆蓋主要取決于低噪音放大器的性能。
?。?）直放站的重量和體積。直放站不同于基站，安裝條件一般都很苛刻，大部分在高塔上作業。有些生產廠商對這一點缺乏切身的體會，對重量和體積未給予重視，對這些物理參數沒有“精打細算”。一個小巧的直放站馬上會給運營商帶來好感，想念安裝過直放站的人都有切身的體會，將一個重量超過25kg、體積龐大的直放站搬上50m高的鐵塔是多么的困難。
?。?）軟件的操作界面要方便。直放站安裝條件困難，在高塔上作業，一手攀住鐵塔，另一手拿住筆記本電腦操作，其難度是可想而知。如果人機對話采用DOS方式，逐一敲進字符，則是太困難了。有的生產廠家的產品，軟件設置從直放站的初步設計到直放站的現場安裝高度采用流程圖的形式，開始要求輸入直放站和基站的經緯度，隨著流程圖再輸入天線和基站參數，一步一步地向下進行，最后給出直放站的大致增益數值，非常方便。所有的輸入參數均由下拉式菜單用鼠標進行選擇，很利于現場操作。
?。?）下放站應具有遙測遙控功能。直放站由于安裝在較為偏僻的地區，用電話線采用MODEM遙控可能性滿面春風。有的廠家給直放站配置一個手機，利用手機號碼組成直放站自身的網管系統，但價格較高，當直放站數量不大時沒有必要購買網管系統。最簡單有效的方法是采用電纜從RS232口將遙控功能引至地面，這樣每次對直放站進行檢查就不用再爬塔。
?。?）直放站應具有故障和告警記錄功能。對直放站出現的斷電，功放過載，是否出現自激等應有記錄。每次故障和告警出現的時間和次數應有所統計，以便于日后維護，分析原因。
5．安裝直放站需要注意的幾個問題
在直放站的安裝中，要注意如下一些問題：
（1）建議市區不使用直放站。并且當一個直放站可以有多個基站成為其源基站時，應選擇較為偏遠的基站作為源基站，直放站的施主天線盡量避免指向市區。因為如果直放站的施主天線指向多個基站或多個扇區時（多個導頻），直放站會引放噪音使上述基站工作環境惡劣，還帶來了不必要的軟切換。
?。?）加入直放站的基站，其相應的扇區PN搜索窗口應加大。在基站控制器（BSC）設置時，有一個參數是控制扇區PN搜索窗口的大小的，平時這一參數是由扇區的覆蓋半徑決定。加入直放站后，該扇區的電波傳播延時有所擴大；相應的扇區導頻搜索窗口應由扇區的覆蓋半徑、直放站覆蓋距離和直放站自身延時共同決定。
（3）安裝調試中直放站的增益和輸出功率需要留有一定的儲備余量CDMA系統有精確、快速的功率控制，通信時基站和手機的輸出功率一直在變化。以基站為例，功放的最大輸出是20W，在無用戶時，只有導頻、同步等信道有輸出，功率僅2W多一點，相關近10dB。在正常白天調試時基站均有話音信道工作；所以調試時直放站的增益和輸出功率需要留有6dB左右的余量。增益余量不足會引發直放站自激，功率余量不足使直放站過載，通信話音質量都會明顯下降甚至系統癱瘓。
（4）在安裝直放站的地區進行干攏源的檢查。在我國，800MHZ頻段不如900MHZ頻段譜干凈，尤其是CDMA上行頻段較易受到干擾。主要原因是與廣播電視的U頻段接近，在城鎮郊區和農村廣泛使用帶有放大器的電視接收天線，這類天線種類繁多，高端性能差，很容易自激形成干擾。第二個原因是直放站一般與其他設備共同安裝在一個鐵塔上，如果附近有280MHZ的尋呼發射機或尋呼鏈路發射機時要特別小心。因為280MHZ尋呼發射機功率是100W，其三倍頻是840MHZ左右；尋呼鏈路發射機一般工作在400—420MHZ頻段，功率20W，如果是選擇417MHZ工作，其二倍頻834MHZ正好干擾CDMA的首載頻283信道。直放站的天線安裝位置很高，對上述干擾的反應是敏感的，再加上它60—90dB的放大作用，大范圍地擴大干擾，往往會導致周邊幾個基站都不能工作。
（5）要嚴防直放站自激。引起直放站自激的原因很多，比如溫度變化引起放大器增益變化、隔離度改變、基站參數改變造成直放站輸入信號增大等。調試直放站時，切不可過分追求直放站的放大作用而將增益調得過大，一定要留有余地。對于有故障記錄的直放站，直放站反向信道出現自激是較難察覺的。因為直放站的前向信道一直有基站信號輸入，假如直放站自激，前向放大器可能進入過載，某些型號直放站檢測到放大器過載三次以后，立即關閉直放站并明確給出故障記錄，很容易發現。而反向信道放大器輸入信號變化極大，手機發射機并非總處于發射狀態，且距離時遠時近，某種情況下會引發反向信道放大器自激，但由于輸入突然消失放大器又恢復正常。反向信道放大器自激時間短只有幾秒，且無規律，有時好幾個小時都不自激一次，極難排除故障。在安裝直放站的地區，如果手機市話進行通信，手機聽市話正常，而市話聽手機時斷時通，音質極差，有可能就是直放站反向信道放大器自激造成的。
6．直放站的工程服務
直放站和電視機或手機不同，它不是一個完整的最終電子產品，因為人們買了電視機或手機馬上就可以使用，而直放站卻完全不一樣，如果離開了工程服務，直放站不能發揮任何作用。一個直放站能否發揮作用，直放站安裝地點的選擇非常重要，直放站要取得良好的效果，可以認為選址占50%，直放站自身性能占30%，現場調試好壞占20%?；驹O備由于技術復雜，價格昂貴，基站的銷售商往往對基站安裝給予現場督導，技術人員親自調試工通一個基站，發揮一個基站的作用。直放站技術相對較簡單，價格便宜，如果直放站的銷售與工程服務脫節，不重視現場安裝的指導，性能再好的直放站也很難發揮作用，如果直放站自激，將適得其反，使直放站成為害群之馬，嚴重影響原有CDMA網絡的性能。我們認為直放站的工程服務應注意下面幾點。
?。?）雖然直放站的引入從模擬移動通信時代就已開始，至今有多年歷史，但CDMA是新技術，與以往的直放站相比，CDMA直放站的應用有所不同。從事CDMA通信的企業相對較年輕。頭幾個CDMA直放站的安裝以“交鑰匙”的方式，使直放站得以充分發揮作用，用戶對直放站的性能有所掌握后，才能開始以后的工作。
?。?）需要有經驗豐富的工程師在現場指導。直放站高空作業，條件有限，很難進行儀表測試，費工費時，并且直放站涉及大量的無線電基礎理論知識，根據豐富的經驗進行現場估算顯得十分重要。
?。?）要選擇適當的天線。
（4）直放站的安裝條件都很艱苦，現場工程師要吃苦耐勞。
?。?）嚴格選擇直放站的安裝地點。選址的好壞對直放站的性能發揮起著舉足輕重的作用。不能用戶講信號不好，就隨便安裝直放站，條件不具備時，不要勉強。如：導頻PN較為混亂的地區、鐵塔高度不足、附近有尋呼發射機工作、空中接收信號電平值小于-90dBm時都不適宜安裝直放站。
（6）直放站安裝完后的幾個月內，要多次復查其有無自激的記錄。
從某種意義上講，直放站的工程服務比直放站自身的性能指標顯得更為重要。
摘自《電信科學》
