《電子技術(shù)應(yīng)用》
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GSM網(wǎng)絡(luò)室外直放站的設(shè)計
摘要: 在GSM無線中由于各種原因的不可能達(dá)到完全的無縫隙覆蓋,在一些偏遠(yuǎn)的,處于盲區(qū)的廠礦采用室外直放站進(jìn)行覆蓋是一種快捷、的好辦法。室外直放站系統(tǒng)的設(shè)計主要包括穩(wěn)定性設(shè)計和覆蓋設(shè)計兩個方面。
關(guān)鍵詞: NGN|4G GSM 直放站 天線隔離度
Abstract:
Key words :

  在GSM無線中由于各種原因的不可能達(dá)到完全的無縫隙覆蓋,在一些偏遠(yuǎn)的,處于盲區(qū)的廠礦采用室外直放站進(jìn)行覆蓋是一種快捷、的好辦法。室外直放站系統(tǒng)的設(shè)計主要包括穩(wěn)定性設(shè)計和覆蓋設(shè)計兩個方面。

  1.直放站的穩(wěn)定性

  直放站實(shí)際上是一種特殊的放大器,在下行鏈路上,其輸入端就是放大器的上行天線接口,輸出端就是下行天線接口。在上行鏈路上恰與此相反。同時它又是一種上下行天線之間存在信號耦合的反饋放大器,根據(jù)放大器的穩(wěn)定性,要使放大器穩(wěn)定須滿足幅度平衡條件:AF<1式中A為放大器的開環(huán)增益,F(xiàn)為放大器反饋系數(shù),同時還要滿足反饋信號與輸入信號同相,這稱之為相位平衡條件。

  dB,只要下行放大器穩(wěn)定就能保證整個直放站的穩(wěn)定,直放站的穩(wěn)定性分析實(shí)際上就是下行鏈路的穩(wěn)定性分析。由于無線信號的多徑傳播,直放站系統(tǒng)中的重發(fā)信號經(jīng)過反饋路徑總有某些信號分量與輸入信號同相,要使系統(tǒng)穩(wěn)定必須從幅度平衡條件考慮。將AF=1表示為dB形式:

  G-L=0或G=L      (1)

  G為放大器的開環(huán)增益即直放站主設(shè)備兩天線接口之間的增益,L為反饋路徑的損耗,信號從下行天線接口至上行天線接口之間的損耗。

  一般情況下直放站的最大增益是固定的,它等于設(shè)備內(nèi)各放大環(huán)節(jié)最大增益之和。在實(shí)際中,設(shè)備并非工作于最大增益狀態(tài),而是在滿足覆蓋要求的增益下運(yùn)行,稱之為工作增益(Gw)。

  Gw=Po-Pi      (2)

  其中Po為直放站的輸出功率(兩載頻設(shè)備一般在33dB左右), Pi為設(shè)備輸入功率。

       Po=Poa-Gtx     (3)
       Pi=Pia+Grx  (4)

  Gtx 、Grx分別為上行和下行天線的增益,Poa 、Pia分別為整個直放站系統(tǒng)(含天線)的輸出和輸入的信號功率。

  根據(jù)以上關(guān)系,幅度平衡條件Gw-L<0,可表示為

  Po-Pi

  上式中L是直放站設(shè)備輸入口和輸出口之間的隔離度,即由收發(fā)信天線的增益和天線間的空間隔離兩部分組成,L=L空間- (Gtx +Grx)。

  可見,直放站系統(tǒng)的穩(wěn)定性與直放站的輸入信號強(qiáng)度Pi,輸出信號強(qiáng)度Po,收發(fā)信天線隔離度L三個因素有直接關(guān)系,其中Po是已知的,L與收發(fā)信天線間的傳播環(huán)境和收發(fā)信天線的增益有關(guān),Pi由基站到直放站間的傳播環(huán)境有關(guān)。

  從式Po-PiPo-Pi

  當(dāng)然,要使直放站系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行除要滿足Po-Pi

  2.收發(fā)信天線隔離度的估算

  由上文可以看出上下行天線之間的隔離度對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定是至關(guān)重要的,在直放站勘測選址過程中需要對隔離度進(jìn)行正確的估算。天線之間的隔離是多方面因素共同作用的結(jié)果,主要包括:空間隔離和建筑物隔離。(下文的隔離度為信號從下行天線接口至上行天線接口之間的損耗)

  2.1 空間隔離

  空間隔離是指收發(fā)信天線間相距一定距離形成的空間損耗。可用下面半經(jīng)驗(yàn)的公式計算:

  (1)    水平隔離度

  Lhu=22+20lg(d/λ) +Dt(θ)+Dr(θ)- (Gtx +Grx)   (6)
        Lh=31.5+20lgd+Dt(θ)+Dr(θ)- (Gtx +Grx)   (GSM900情況)

  式中Dt、Dr為兩天線的水平方性向函數(shù)(水平方向圓圖)造成的損耗,具體數(shù)值可以在天線方向圖中查得,如右圖所示的方向圖中,在55。角時有3dB的附加損耗。當(dāng)上下行天線夾角為180。時,方向性損耗即為天線的前后比。

 ?。?)    垂直隔離度

        Lv=28+40lg(d/λ) +Dt(θ)+Dr(θ)- (Gtx +Grx)     (7)
        Lv= 47.1+40lgd+Dt(θ)+Dr(θ)- (Gtx +Grx)    (GSM900情況)

  在該式中,θ為天線的俯仰角。d為天線間距,Dt、Dr為兩天線的垂直方向性函數(shù),與水平方向性函數(shù)類似。

 ?。?) 傾斜隔離度

  Ls=(Lv-Lh)(α/90)+Lh     (8)

   式中α為兩天線在垂直面內(nèi)的夾角。

   2.2 建筑物隔離

  建筑物隔離是由于建筑物的阻擋造成信號衰落而形成隔離。這種隔離沒有較為奏效的,一般采用直接代入經(jīng)驗(yàn)值的方法。如一堵墻的隔離度為10~20dBm。

  3、隔離度的測量

  由于無線信號的傳播受多方面因素的,通過計算只能較為粗略的確定隔離度的大小,在實(shí)際工程設(shè)計中如果需要比較準(zhǔn)確的隔離度值可以才通過實(shí)地測量的辦法獲得。

  將已知強(qiáng)度為p的信號加在下行天線上,用測試手機(jī)在上行天線處測量接收到的信號強(qiáng)度r,則隔離度為:

  L=p+G-r-D          (9)

  其中,G為下行天線增益,D為前后比。 

  4、直放站的標(biāo)稱功率與實(shí)際輸出功率

  在直放站的說明書中往往標(biāo)明設(shè)備的單載頻功率(一般在36dB),也就是設(shè)備只放大一個頻點(diǎn)時的輸出功率,實(shí)際工作中頻點(diǎn)數(shù)量每增加一倍設(shè)備輸出功率就減少3dB。

  5、覆蓋預(yù)測

  直放站開通的最終目標(biāo)是滿足覆蓋需要,在設(shè)計過程中對設(shè)備的覆蓋情況進(jìn)行預(yù)測是十分必要的。

  5.1 Okumura/Hata公式

  Okumura/Hata模型是較為廣泛的覆蓋預(yù)測模型,它是以準(zhǔn)平滑地形的市區(qū)作基準(zhǔn),其余各區(qū)的影響均以校正因子的形式出現(xiàn)。Okumura/Hata模型市區(qū)的基本傳輸損耗模式為:

  Lb=69.55+26.16lgf-13.82lghb-α(hm)+(44.9-6.55lghb)lgd  (10)

Lb:市區(qū)準(zhǔn)平滑地形電波傳播損耗中值(dB)
f:工作頻率(MHz)
hb:基站天線有效高度(m)
hm:移動臺天線有效高度(m)
d :移動臺與基站之間的距離(km)
α(hm):移動臺天線高度因子
s(a):建筑物密度因子      (11)

  其中a為建筑物密度。

  一般可取手機(jī)天線有效高度為1.5米,則在GSM900系統(tǒng)中,α(hm)約為0。上式可表達(dá)為:

  Lb=146.833-13.82lghb+(44.9-6.55lghb)lgd-s(a)     
 
  對于郊區(qū)采用如下修正辦法:

  Lbs= Lb(市區(qū))-2[lg(f/28)]2-5.4       (12)

  對于鄉(xiāng)村采用如下修正辦法

  Lbs= Lb(市區(qū))-[lg(f/28)]2-2.39(lgf)2+9.17lgf-23.17    (13)

  對于開闊地采用如下修正辦法

  Lbq= Lb(市區(qū))-4.78(lg f)2+ 18.33lg f-40.94    (14)

  5.2 Okumura/Hata公式在直放站覆蓋估測中的應(yīng)用

  在應(yīng)用Okumura/Hata公式之前要對覆蓋區(qū)建筑特點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真,不能盲目運(yùn)用,要根據(jù)具體情況選擇合適的修正方法。

  對于如果采用鄉(xiāng)村模型預(yù)測結(jié)果將與實(shí)際結(jié)果差別較大。我國現(xiàn)階段的村莊分布零散不均勻,村與村之間多為開闊地(農(nóng)田),村莊面積較小,村內(nèi)建筑物往往高度較小,建筑屏蔽較小,但是十分密集,其密集程度不亞于大城市的建筑物。建筑物絕大部分為民宅,公共建筑物占很小比例。街道狹窄,不利于信號傳播。一般情況下,村內(nèi)信號強(qiáng)度要比村外低10-30dB。在丘陵和山地,村莊往往處于地勢較低的洼地或山谷之中,村莊之間是高地或大山。嚴(yán)重影響信號的傳播。鑒于我國現(xiàn)階段農(nóng)村建筑物特點(diǎn)可以采用市區(qū)修正方法對農(nóng)村覆蓋進(jìn)行預(yù)測。建筑物密度可通過下式計算獲得:

  a=戶數(shù)×150/村莊面積       (15)

   6、室外直放站系統(tǒng)的設(shè)計步驟

  室外直放站的設(shè)計主要包括系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計和覆蓋設(shè)計兩個方面,通過以上論述,可以把直放站的設(shè)計步驟歸納如下:

(1)根據(jù)接收信號強(qiáng)度、覆蓋及地理因素選擇選擇上站地點(diǎn)。
(2)根據(jù)接收信號強(qiáng)度,設(shè)備輸出功率以及上下行天線的參數(shù)確定所需的隔離度,并保留一定裕量。
(3)綜合利用垂直隔離,水平隔離,建筑物隔離保證所需的隔離度。確定天線掛高,上下行天線距離等。必要時實(shí)地測量隔離度。
(4)覆蓋預(yù)測模型如:Okumura/Hata模型進(jìn)行覆蓋預(yù)測。如不能保證覆蓋,則要調(diào)整直放站的下行天線過高等以滿足覆蓋需求。
(5)根據(jù)設(shè)計方案實(shí)施工程,驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性和覆蓋情況。

   7、其他

  出于對現(xiàn)網(wǎng)的角度考慮,在直放站的設(shè)計建設(shè)過程中除了要遵循上述原則外,還要注意以下幾點(diǎn):

   (1)上行天線應(yīng)對準(zhǔn)基站,如果上行天線偏離基站,直放站的上行信號可能會給附近其他基站帶來干擾,使掉話增加。

  (2)上行增益要恰當(dāng)設(shè)置,如果上行增益過大會使上行信號過強(qiáng),使基站接受放大器飽和以致無法接收信號。如果上行信號過弱,則易受到其他同頻或鄰頻的干擾,增加掉話。

 ?。?)下行增益不應(yīng)過大,有些直放站為了滿足覆蓋,設(shè)置了過大的下行增益,使功放超過額定功率工作,致使輸出信號畸變,諧波成分增加帶來不必要的干擾,是掉話增加。

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