GSM網(wǎng)絡(luò )室外直放站設計的論文
在GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中由于各種原因的影響不可能達到完全的無(wú)縫隙覆蓋，在一些偏遠的農村，處于盲區的廠(chǎng)礦企業(yè)采用室外直放站進(jìn)行覆蓋是一種快捷、經(jīng)濟的好辦法。室外直放站系統的設計主要包括穩定性設計和覆蓋設計兩個(gè)方面。
1．直放站的穩定性分析
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(xiàn)接口，輸出端就是下行天線(xiàn)接口。在上行鏈路上恰與此相反。同時(shí)它又是一種上下行天線(xiàn)之間存在信號耦合的反饋放大器，根據放大器的穩定性理論，要使放大器穩定須滿(mǎn)足幅度平衡條件：AF＜1式中A為放大器的開(kāi)環(huán)增益，F為放大器反饋系數，同時(shí)還要滿(mǎn)足反饋信號與輸入信號同相，這稱(chēng)之為相位平衡條件。
下面對直放站的穩定性進(jìn)行分析。直放站是上下行信號都放大的雙向放大器，一般上行增益要比下行增益小幾dB，只要下行放大器穩定就能保證整個(gè)直放站的穩定，直放站的穩定性分析實(shí)際上就是下行鏈路的穩定性分析。由于無(wú)線(xiàn)信號的多徑傳播，直放站系統中的重發(fā)信號經(jīng)過(guò)反饋路徑總有某些信號分量與輸入信號同相，要使系統穩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(kāi)環(huán)增益即直放站主設備兩天線(xiàn)接口之間的增益，L為反饋路徑的損耗，信號從下行天線(xiàn)接口至上行天線(xiàn)接口之間的損耗。
一般情況下直放站的最大增益是固定的，它等于設備內各放大環(huán)節最大增益之和。在實(shí)際應用中，設備并非工作于最大增益狀態(tài)，而是在滿(mǎn)足覆蓋要求的增益下運行，稱(chēng)之為工作增益（Gw）。
Gw=Po-Pi（2）
其中Po為直放站的輸出功率（兩載頻設備一般在33dB左右），Pi為設備輸入功率。
Po=Poa-Gtx（3）
Pi=Pia+Grx（4）
Gtx、Grx分別為上行和下行天線(xiàn)的增益，Poa、Pia分別為整個(gè)直放站系統（含天線(xiàn)）的輸出和輸入的信號功率。
根據以上關(guān)系，幅度平衡條件Gw－L<0，可表示為
Po-Pi<L，或Po-Pia-Grx<L（5）
上式中L是直放站設備輸入口和輸出口之間的隔離度，即由收發(fā)信天線(xiàn)的增益和天線(xiàn)間的空間隔離兩部分組成，L=L空間-(Gtx+Grx)
可見(jiàn)，直放站系統的穩定性與直放站的輸入信號強度Pi，輸出信號強度Po，收發(fā)信天線(xiàn)隔離度L三個(gè)因素有直接關(guān)系，其中Po是已知的，L與收發(fā)信天線(xiàn)間的傳播環(huán)境和收發(fā)信天線(xiàn)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-Pi
當然，要使直放站系統穩定運行除要滿(mǎn)足Po-Pi<L外，還需要Pi大于直放站主機的靈敏度。（一般在-75dBm左右）。
2．收發(fā)信天線(xiàn)隔離度的估算
由上文可以看出上下行天線(xiàn)之間的隔離度對于整個(gè)系統的'穩定是至關(guān)重要的，在直放站勘測選址過(guò)程中需要對隔離度進(jìn)行正確的估算。天線(xiàn)之間的隔離是多方面因素共同作用的結果，主要包括：空間隔離和建筑物隔離。（下文計算的隔離度為信號從下行天線(xiàn)接口至上行天線(xiàn)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(xiàn)間相距一定距離形成的空間損耗�？捎孟旅姘虢�(jīng)驗的公式計算：
�。�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(xiàn)的水平方性向函數(水平方向圓圖)造成的損耗，具體數值可以在天線(xiàn)方向圖中查得，如右圖所示的方向圖中，在55。角時(shí)有3dB的附加損耗。當上下行天線(xiàn)夾角為180。時(shí)，方向性損耗即為天線(xiàn)的前后比。
�。�2）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(xiàn)的俯仰角。d為天線(xiàn)間距，Dt、Dr為兩天線(xiàn)的垂直方向性函數，與水平方向性函數類(lèi)似。
�。�3）傾斜隔離度
Ls=(Lv-Lh)(α/90)+Lh（8）
式中α為兩天線(xiàn)在垂直面內的夾角。
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。這種隔離計算沒(méi)有較為奏效的方法，一般采用直接代入經(jīng)驗值的方法。如一堵墻的隔離度為10~20dBm。
3、隔離度的測量
由于無(wú)線(xiàn)信號的傳播受多方面因素的影響，通過(guò)計算只能較為粗略的確定隔離度的大小，在實(shí)際工程設計中如果需要比較準確的隔離度值可以才通過(guò)實(shí)地測量的辦法獲得。
將已知強度為p的信號加在下行天線(xiàn)上，用測試手機在上行天線(xiàn)處測量接收到的信號強度r（如圖），
則隔離度為：
L=p+G-r-D（9）
其中，G為下行天線(xiàn)增益，D為前后比。
4、直放站的標稱(chēng)功率與實(shí)際輸出功率
在直放站的說(shuō)明書(shū)中往往標明設備的單載頻功率（一般在36dB），也就是設備只放大一個(gè)頻點(diǎn)時(shí)的輸出功率，實(shí)際工作中頻點(diǎn)數量每增加一倍設備輸出功率就減少3dB。
5、覆蓋預測
直放站開(kāi)通的最終目標是滿(mǎn)足覆蓋需要，在設計過(guò)程中對設備的覆蓋情況進(jìn)行預測是十分必要的。
5.1Okumura/Hata公式
Okumura/Hata模型是應用較為廣泛的覆蓋預測模型，它是以準平滑地形的市區作基準，其余各區的影響均以校正因子的形式出現。Okumura/Hata模型市區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：市區準平滑地形電波傳播損耗中值（dB）
f：工作頻率（MHz）
hb：基站天線(xiàn)有效高度（m）
hm：移動(dòng)臺天線(xiàn)有效高度（m）
d：移動(dòng)臺與基站之間的距離（km）
α(hm)：移動(dòng)臺天線(xiàn)高度因子
s(a)：建筑物密度因子
�。�11）
其中a為建筑物密度。
一般可取手機天線(xiàn)有效高度為1.5米，則在GSM900系統中，α(hm)約為0。上式可表達為：
Lb=146.833-13.82lghb+（44.9-6.55lghb）lgd-s(a)
對于郊區采用如下修正辦法：
Lbs＝Lb（市區）－2[lg（f/28）]2-5.4（12）
對于鄉村采用如下修正辦法
Lbs＝Lb（市區）－[lg（f/28）]2-2.39(lgf)2+9.17lgf-23.17（13）
對于開(kāi)闊地采用如下修正辦法
Lbq=Lb（市區）－4.78（lgf）2＋18.33lgf－40.94（14）
5.2Okumura/Hata公式在直放站覆蓋估測中的應用
在應用Okumura/Hata公式之前要對覆蓋區建筑特點(diǎn)進(jìn)行認真分析，不能盲目運用，要根據具體情況選擇合適的修正方法。
對于農村如果采用鄉村模型預測結果將與實(shí)際結果差別較大。我國現階段的村莊分布零散不均勻，村與村之間多為開(kāi)闊地（農田），村莊面積較小，村內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，村內信號強度要比村外低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。嚴重影響信號的傳播。鑒于我國現階段農村建筑物特點(diǎn)可以采用市區修正方法對農村覆蓋進(jìn)行預測。建筑物密度可通過(guò)下式計算獲得：
a＝戶(hù)數×150/村莊面積（15）
6、室外直放站系統的設計步驟
室外直放站的設計主要包括系統的穩定性設計和覆蓋設計兩個(gè)方面，通過(guò)以上論述，可以把直放站的設計步驟歸納如下：
�。�1）根據接收信號強度、覆蓋及地理因素選擇選擇上站地點(diǎn)。
�。�2）根據接收信號強度，設備輸出功率以及上下行天線(xiàn)的參數確定所需的隔離度，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(xiàn)掛高，上下行天線(xiàn)距離等。必要時(shí)實(shí)地測量隔離度。
�。�4）應用覆蓋預測模型如：Okumura/Hata模型進(jìn)行覆蓋預測。如不能保證覆蓋，則要調整直放站的下行天線(xiàn)過(guò)高等以滿(mǎn)足覆蓋需求。
�。�5）根據設計方案實(shí)施工程，驗證系統穩定性和覆蓋情況。
7、其他問(wèn)題
出于對現網(wǎng)的影響角度考慮，在直放站的設計建設過(guò)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(xiàn)應對準基站，如果上行天線(xiàn)偏離基站，直放站的上行信號可能會(huì )給附近其他基站帶來(lái)干擾，使掉話(huà)增加。
�。�2）上行增益要恰當設置，如果上行增益過(guò)大會(huì )使上行信號過(guò)強，使基站接受放大器飽和以致無(wú)法接收信號。如果上行信號過(guò)弱，則易受到其他同頻或鄰頻的干擾，增加掉話(huà)
�。�3）下行增益不應過(guò)大，有些直放站為了滿(mǎn)足覆蓋，設置了過(guò)大的下行增益，使功放超過(guò)額定功率工作，致使輸出信號畸變，諧波成分增加帶來(lái)不必要的干擾，是掉話(huà)增加。
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