CDMA网络中直放站的选择和几种典型应用

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　　2001年1月133网全网划归中国联通后，联通公司提出将在全国范围内建设一个1330万用户的CDMA移动电话网络。

但是，应该清醒地看到窄带CDMA移动通信系统在中国的发展将会遇到GSM系统的强有力的挑战，因为GSM系统经过前几年的快速发展，在全国已有良好的覆盖，而CDMA系统只在北京、上海、西安、广州4城市和河北省等市建有网络。
　　
　　CDMA运营企业在建网初期，由于受投资成本的限制，不可能大规模地建设基站。而基站数量不足往往会造成无线信号覆盖不好，导致网络质量不尽如人意，进而又影响用户的发展，造成投入成本难以快速回收。CDMA的运营企业在运营初期必须采用低容量、大覆盖的无线网络布局的观点已成共识。由于直放站具有投资成本较低，安装灵活简便，可以迅速扩大无线覆盖的特点，在CDMA网络建设中，适当地引入直放站，采取以基站为主、直放站做适当补充的混合组网式是有意义的。北京133网人1999年6月开始引入CDMA直放站进行试验，此后又陆续在北京郊区安装了一批直放站投入全网运行。对于在CDMA系统如何采用直放站，基站设备经销商与直放站经销商有着不同的看法，在这里我们仅从运营企业的角度谈一些我们的看法。
　　
　　1．直放站的基本工作原理及发挥作用的必要条件
　　直放站的基本功能是一个射频信号功率增强器，简要原理如图1所示。
　　
　　其中前向放大器放大基站移动台的下行信号，反向放大器放大移动台至基站的上行信号。由于上下行信号频率相差45MHZ，可以用双工器和前端滤波器方便地将两路信号分开。朝向基站的天线我们称施主天线或源天线，其作用是沟通基站和直放站间的链路，故一般采用方向性很强的定向天线。直放站的服务天线或称工作天线或方向性板状天线。根据基站和直放站间的链路关系，直放站可分为微波耦合型、光纤耦合型和射耦合型。根据直放站的应用场合，又可分为室内型和室外型。室内型直放站输出功率很小，主要用于地下停车场、商场和大型会议场所等。本文所涉及的主要是指射频耦合型室外直放站。
　　
　　微波耦合型、光纤耦合型直放站几乎不存在信号隔离问题，基站和直放站之间可以相隔较远，直放站性能得到充分发挥，作用十分明显。射频耦合型直放站情况要复杂的多，不仅要直接接收来自基站的下行信号放大后并以相同频率发往移动台，而且上行信号也以同样方式送往基站。所以基站和直放站相距不能太远，一般相距5―20km。这样难以避免地会出现基站覆盖区和直放站覆盖区重叠，在这个覆盖重叠区，既有基站的微弱信号，又有直放站放大后的信号，这两个信号频率是完全相同的。似乎很难理解，一个放大器从一个区域取得微弱的信号加以放大后，又将信号送回原区域，这样不是会自激振荡吗？无线技术人员都深有体会，高频电路非常容易自激，更何况直放站工作频率高达800―900MHZ，最大增益接近90dB。其奥秘在于直放站除自身有严格的屏蔽外，在安装施工时又最大限度地提高了施主天线与服务天线的隔离度。可见直放站要充分发挥其性能是离不开下面三个条件的。
　　
　　（1）要有好的天线。讲到天线，一般讲其重要参数不外乎是：天线增益、水平半功率角和垂直半功率角。对直放站来讲上述参数固然重要，但最重要的参数是天线的旁瓣抑制能力，而这一点往往得不到重视。有些天线厂的天线性能指标仅是泛泛地指出旁瓣抑制15―20dB，并不详细准确地给出旁瓣波形。直放站安装时准确地利用天线旁瓣的凹陷位置对提高施主天线与服务天线的隔离度有着十分重要的意义。在正常安装时，服务天线位置较高，施主天线放置的服务天线下部。故对于服务天线而言重点要考察主瓣上部的抑制和后部抑制并要求天线有高增益抛物面天线却不如16dBi的一般板状所获得的隔离度好的情况。究其原因在于抛物面天线主瓣虽然尖锐，但馈源顶部无屏蔽遮挡，造成旁瓣抑制不好，隔离度反而偏小。从某种意义而言，施主天线比服务天线更为重要，对直放站的性能会起举足轻重的作用。
　　
　　（2）要有高的铁塔或有较大的地形高度差。直放站的安装必须要有一定的高度，在山区可以依靠山顶或高坡来实现，而在平原地区只能依靠铁塔。有了较高的铁塔，首先输出功率有限的直放站可以有较大的覆盖，其次可以提高施主天线和服务天线间的隔离，第三有利于获得较大的输入信号。以前向信号为例，在平原地区地面接收信号功率电平为-95dBm时，在距地面30m高处强度可达到-60―-70dBm。直放站与基站不同，它只是一个放大器，输入信号需要一定的强度。在理想情况下，假如施主天线安装在30m高，施主天线与服务天线因隔离需要垂直要相隔15―20m，这样铁塔高度就至少需要50m。而一般基站天线高度有30m就可以。可见直放站对铁塔高度的依赖远比基站要大。
　　
　　（3）要最大限度地提高施主天线和服务天线间的隔离。应允许利用地形、地物等将上述两天线隔开。当直放站服务区只需要定向覆盖时，可以将施主天线放在山坡的一侧，服务天线放在另一侧，这样可以获得很大的隔离度。在能用定向天线覆盖时就不要使用全向天线。若服务区为两个方向，可怜采用二分之一功率分配器和两付定向天线来覆盖。基采用全向天线，要巧妙利用天线旁瓣的凹陷位置来提高施主天线与服务天线的隔离度。利用山体的两侧可以获得相当好的隔离。利用建筑物作遮挡，也可以获得一定的效果，比如在楼的一侧安装施主天线，在楼的另一侧安装工作天线，两天线背靠背虽然只相隔十几米，却可以获得衰减60―80dB。
　　
　　在利用地形、地物将施主天线和服务天线隔开时，天线的方向图会有所改变。利用天线旁瓣的凹陷位置加大天线隔离度的方法只能用实际测试找出。隔离度可以用频谱仪和高频信号发生器来测量，如图2所示，我们在现场用HP8921给施主天线送入信号，用HP8594在服务天线接收信号，发送电平与接收电平之差即为隔离度。反过来也可以获得同样效果，只是电平略有差异。
　　
　　2．直放站与基站的优劣性比较
　　直放站与基站相比较，其优点主要体现在如下同个方面：
　　
　　（1）同等覆盖面积时，使用直放站投资较低。在平原地区室外一个全向基站可以有10km覆盖半径；一个全向直放站可以有4km覆盖半径；就覆盖面积而言，六个直放站约相当于一个基站。六个直放站的设备价约为一个基站的80%。但考虑到机房租用和装修、交直流电源、空调、传输系统和电路租金等费用，六个直放站的费用只相当于于一个基站的50%，甚至更低。
　　
　　（2）覆盖更为灵活。一个基站基本上是圆形覆盖，多个直放站可以组织成多种覆盖形式。如“一”字型排开，可以覆盖十几至几十公里的路段。也可以组织成“L”型、“N”型和“M”型覆盖，特别适合于山区组网。
　　
　　（3）在组网初期，由于用户较少，投资效益较差，可以用一部分直放站代替基站。用户发展起来后现更换为基站，替换下来的直放站再进一步放置在更边缘的地区，这样一步步地滚动发展。
　　
　　（4）由于不需要土建和传输电路的施工，建网迅速。
　　
　　但直放站与基站相比也有明显的不中，主要表现在：
　　
　　（1）不能增加系统容量。
　　
　　（2）引入直放站后，会给基站增加约3dB以上的噪音，使原基站工作环境恶化，覆盖半径减少。所以一个基站的一个扇区只能带两个以下的直放站工作。
　　
　　（3）直放站只能频分不能码分，一个直放站往往将多个基站或多个扇区的信号加以放大。引入过多的直放站后，导致基站短码相位混乱导频污染严重，优化工作困难，同时加大了不必要的软切换。
　　
　　（4）直放站的网管功能和设备检测功能远不如基站，当直放站出现问题后不易察觉。
　　
　　（5）由于受隔离度的要求限制，直放站的某些安装条件要比基站苛刻的多，使直放站的性能往往不能得到充分发挥。
　　
　　（6）如果直放让自激或直放站附近有干扰源，将对原网造成严重影响。由于直放站的工作天线较高，会将干扰的破坏作用大面积扩大。CDMA是一个同频系统，周边的基站均有可能受到堵塞而瘫痪。
　　
　　根据相关资料,有引起国家直放站和基站的安装比例高达2比1以上；我们认为由于我国的人口密度很大，直放站和基站的安装比例不应过大，如果没有光纤直放站，只对射频耦合型室外直放站而言，这一比值应不大于1。在规划时，直放站作为滚动发展的过渡设备，一次性安装直放站的比率应进一步减少。在大中城市的市区和通话密度较高的地区应不使用射频耦合型室外直放站。
　　
　　3．直放站的几种典型应用
　　在进行无线蜂窝系统设计时，由于基站的发射功率远大于手机，计算基站的覆盖距离时，往往是计算反向电路的传播衰耗。但在直放站的实际安装调测中，为方便起见，我们仍以手机接收到的基站的信号强度加以估算。在下面的几个例子中，所涉及的电平值均为手机接收信号功率值。
　　
　　（1）公路的覆盖。北京郊区一基站东侧，有一主要交通干道，我们在基站东侧14km处安装一直放站，服务天线高度约55m。直放站服务天线的输出口接一个3比1的功率分配器，分别接两个16dBi的板状天线，信号小的天线向西辐射（指向基站），信号大的天线向东辐射。未装直放站时，直放站所在地信号在-100dBm左右，通信时通时断，效果非常不好。直放站开通后，直放站西侧一段约3―5km公路信号明显改善；直放站东侧使通信距离又延伸8―10km。
　　
　　（2）郊区重点村镇居民区的覆盖。一村镇离基站5―6km，由于该镇经济条件较好，手机用户较多。无直放站时，地面信号在-90―-95dBm左右，室外通信正常但无法保证室内通信。安装直放站后，服务天线在30m高左右，采用全向天线，地面接收的基站信号电平提高约20dB，可以解决半径在500―800m内的室内覆盖（指一般居民楼）。
　　
　　（3）“L”型覆盖。某一风景区位于山谷中，距离基站不到4km，但由于被山脉阻挡，手机根本无法工作。我们在山脉的尽头安装一直放站，由于直放站接收信号的方向和发

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