直放站的工程设计和调测

    作者：边永生

    近年来，随着移动通信业务的迅速发展，移动通信直放站以其有效性和经济性得到了运营商的青睐,在网络覆盖中大显身手。

    与基站相比,直放站有结构简单、投资较少和安装方便等优点，可广泛用于覆盖难度大的盲区和弱区，如山区、宾馆、地下商场、地铁、码头、车站、隧道及电梯等各种场所，有效改善通信质量。目前，直放站已成为优化无线通信网络的重要工具和增强网络延伸覆盖能力的一种优选方案，因此研究直放站的工程设计和调测方法具有重要的现实意义。

    直放站的工程设计

    在公众移动通信网络的建设过程中，有两种情况需要建直放站，一种是网络建设初期，运营商急于扩大服务区域，这时省时省力、投资较少的直放站便成为好的选择；另一种是网络优化时期，在基本覆盖完成后，需对信号盲区查遗补漏，各种类型的直放站便成为必然选择。一旦确定建站，对工程建设和设计者而言，首先要进行现场勘测，之后结合理论计算制订设计方案。

    1.1直放站的选型和选址

    为充分发挥直放站效用，工程设计者在建站前必须实地测量基站覆盖区边缘的信号场强值，并根据测量结果和覆盖需求以及具体的地理环境，选择适宜的直放站类型和站址，确定需转发的基站载频，初步确定设备输出功率及收发天线的类型、安装位置及离地面高度，预备前期基础工程，如铁塔、机房、供电、接地等。

    在市区等基站分布密集区域分离不同基站或扇区信号的难度较大，轻易增加对基站的干扰，所以尽量不建直放站。必须建站时，应尽量采用有线信号的引入方式，如光纤直放站。在不具备建立光纤直放站条件的场所，只能采用无线直放站。建立无线直放站要求施主天线必须具有足够强的方向性，并选择功率较小的直放站（1W以下）。在城市边缘、山区及乡村，因为设立直放站的主要目的是解决信号覆盖问题，所以在已铺设光纤的地区最好采用大功率（10Ｗ/20Ｗ）光纤直放站，无光纤时可利用无线直放站进行延伸覆盖，采用方向性好的施主天线提取较为纯净的源信号，输出功率为5Ｗ/10Ｗ，等同于基站的输出，可达到较好的覆盖效果;另外，在移动通信网络建设初期，由于基站数量较少，可以采用大功率的无线或光纤直放站，以扩大覆盖范围。

    直放站站址对其覆盖能力影响很大。为扩大覆盖范围，首先，直放站的安装要有一定的高度。在山区可以选择山顶或高坡来实现；平原地区必须建设铁塔，这样既可以提高施主天线和服务天线间的隔离，又有利于获得较强的输入信号，输出功率有限的直放站才可以有较大的覆盖。其次,直放站应安装在基站覆盖区边缘处（基站信号强度一般为-85dBm～-95dBm）。直放站距离基站太近，易与基站形成重叠覆盖，移动台信号一路通过直放站延时后到达基站，一路直接到达基站，易形成多径干扰;直放站距离基站太远，施主天线接收到的信号弱，则直放站前向输出功率较小，覆盖范围较小，达不到扩大覆盖面的目的。再次,由于重发天线是定向天线，直放站站址最好选在盲区外（见图1）靠近盲区边沿处（一般50米～200米），假如选在盲区内（见图2），则不能达到最佳覆盖效果。

    另外，直放站覆盖密集住宅区时，应避免在楼群的正面选点（见图3），因为信号要直接穿透靠前的楼房才能覆盖到后面的区域。由于信号在穿透过程中衰减很大，强度将会很弱。假如从高楼的侧面选点（见图4），信号可从楼与楼之间的空隙穿过，并借助反射达到很好的覆盖效果。

    1.2天线隔离度的计算和测量

    天线隔离度即信号从直放站前向输出端口至前向输入端口（或者从反向输出端口至反向输入端口）的路径衰减值，与直放站设备本身没有关系，它取决于施主天线和重发天线的安装位置，与垂直及水平的距离、相向的角度有关。其大小直接影响直放站的增益配置，关系到直放站系统的稳定。施主天线和重发天线之间隔离度较大，才能提高主机增益，获得较大的输出功率。天线之间的隔离是多方面因素共同作用的结果，主要包括空间隔离(水平隔离度和垂直隔离度)及建筑物隔离。按照工程设计要求，天线隔离度L（dB）应大于直放站最大工作增益Gmax约10dB～15dB，若取值12dB，考虑通常情况下Gmax为90 dB，故L一般应不小于102 dB。

    ●水平隔离度Lh是收发信天线在水平间隔距离上产生的空间损耗，表示公式如下:

    Lh=22.0+20lg(d/λ)-(Gt+Gr)+(Dt+Dr)（1）

    其中:22.0为传播常数;d为收发天线水平间隔(m);λ为天线工作波长(m);Gt、Gr分别为发射和接收天线的增益(dB);Dt、Dr分别为发射和接收天线的水平方向性函数造成的损耗,具体数值可以在天线方向图中查得，当上下行天线夹角为180°时，方向性损耗即为天线的前后比。

    ●垂直隔离度Lv是收发信天线在垂直间隔距离上产生的空间损耗，表示公式如下:

    Lv＝28.0+40lg(d/λ)-(Gt+Gr)+(Dt+Dr)（2）

    其中:28.0为传播常数；d为收发天线垂直间隔(m);Dt、Dr为两天线的垂直方向性函数造成的损耗，与水平方向性函数类似。

    ●建筑物隔离度La是指收发天线间存在建筑物的情况下，因建筑物阻挡造成信号衰落而形成的隔离，这种隔离的计算一般采用直接代入经验值的方法。如一堵墙的隔离度为10dBm～20dBm。

    天线隔离度与水平放置和垂直放置的两天线空间距离的关系曲线见图5（f=850MHZ,Gr=Gt=5dB,La=0)。

    以上算法是天线隔离度的工程估算法，由于无线信号的传播受多方面因素的影响，通过计算只能较为粗略地确定隔离度的大小。因此在实际工程设计中应根据具体情况进行实地测量，以最大限度满足现场对隔离度的要求。测量方法如下:

    将已知强度为p的信号加在下行天线上，用测试手机在上行天线处测量接收到的信号强度r，则隔离度为:

    L=p+G-r-D（3）

    其中，G为下行天线增益，D为前后比。

    1.3天线的选择和安装

    天线的质量往往直接影响到最终的覆盖效果，其中用于接收基站信号的施主天线应选用方向性更强的天线（如高增益大口径抛物面天线），要求水平波束角小、方向性好、增益高、前后比大;重发天线用于覆盖盲区，通常采用定向天线（如定向板状天线），天线波束在水平面和垂直面上应具有较好的方向图，要求增益高、前后比大，具有较强的旁瓣抑制能力和较好的零填充特性，天线下倾角机械可调，互调和驻波比等参数指标良好，同时要求天线的体积小、重量轻、安装简单，所选馈线及接头符合国际标准、电气性能好。

    因受多径效应影响，天线位置的选择对直放站的覆盖范围影响较大，为增大隔离度，施主天线与重发天线采用背对背安装方式，重发天线在上，施主天线在下，充分利用山体、水塔、建筑物等自然地形地物的阻隔，尽量拉开二者的距离（通常两天线的垂直距离为15米或水平距离20米）。安装在铁塔上时，使用铁塔平台对天线进行隔离；安装在楼顶时，使用建筑物或增大天线水平距离进行隔离，假如两天线之间有隔离物，如楼顶的水箱、电梯间等，安装时应避免两天线在同侧；若建筑物为钢筋混凝土结构，施主天线在满足信号接收强度的基础上，应尽量靠近建筑物（通常重发天线可放在建筑物上面，施主天线靠近建筑物侧墙）；若建筑物为一般砖墙结构，应考虑用建筑物隔离和拉长距离的方法来满足收发隔离度的要求;假如塔上平台可做隔离，天线可分别安装在平台、下塔身处。

    1.4理论计算和覆盖猜测

    基本确定了设备的输出功率和天线挂高后，可对转发信号覆盖范围作初步的测算。根据陆地移动通信电波传播衰耗特性，在市区准平滑地形条件下，在800MHz～1000MHz频段可通过Okumura传播模型计算电波传播路径损耗。基本传输损耗表示式如下:

    Lb(市区)=69.55+26.16lgf-13.82lg(hb)-a(hm)+[44.9-6.55lg(hb)]lgd。 （4）

    其中:Lb(市区)为电波传播路径损耗（dB）;f为工作频率（MHz）;hb为重发天线有效高度（m）;hm为移动台天线有效高度（m）;d为移动台与直放站之间的距离（km）;a(hm)为移动台天线高度因子（dB）。

    在中小城市里:

    a(hm)=(1.1lgf-0.7)hm-(1.56lgf-0.8)。（5）

    在大城市(建筑物平均高于15m)里:

    a(hm)=3.2[lg(11.75km)]2-4.97。（6）

    若取hm=1.5m,则a(hm)=0，代入(4)式，得:

    Lb(市区)=69.55+26.16lgf-13.82lg(hb)+[44.9-6.55lg(hb)]lgd。

    对郊区可采用以下修正办法:

    Lbs=Lb(市区)-2[lg(f/28)]2-5.4。（7）

    对乡村可采用以下修正办法:

    Lbs=Lb(市区)-[lg(f/28)]2-2.39(lgf)2+9.17lgf-23.17。（8）

    对开阔地可采用以下修正办法:

    Lbq=Lb(市区)-4.78(lgf)2+18.33lgf-40.94。（9）

    由Lb可以测出覆盖距离，若不能满足设计要求，可适当调整天线挂高。

    直放站的工程调测

    直放站安装完毕后，必须对其上下行增益等参数进行调测，以满足设计要求，然后到盲区路测，验证信号覆盖情况。若发现不理想的地方，需重新调整，以达到最好的覆盖效果。

    2.1设备调试

    将天馈线与直放站正确连接，加电开机，调整直放站增益，使最大工作增益低于天线隔离度约12dB。以某CDMA直放站调整为例，该直放站额定输出功率为30dBm(1W)，额定增益不超过95dB，测得施主天线接收点接收的基站场强值为-80 dBm，施主天线为1.8米抛物面天线，则天线增益Ga＝21.6 dBm。因施主天线距主机30米，馈线采用SYV-50-22型低损耗馈线，该型馈线中心频率为850 MHz时每米损耗约0.03 dBm，则馈线损耗L=0.9 dB。若天线隔离度达到102 dB,则Gmax=102dB-12dB=90 dB，直放站输出功率Po=-80 dBm+Gmax+Ga-L=30.5 dB。达到设备的额定输出功率要求，现场安装后用E4407频谱分析仪实测得输出功率为30.1 dBm，结果与理论计算值基本一致。

    调试直放站时，不可将直放站的增益调得过大，应在动态范围内由小到大地调整，且不可超过最大增益Gmax。增益和输出功率要留有一定的余量,增益余量不足会引发直放站自激;功率余量不足易使直放站过载，造成话音质量明显下降甚至系统瘫痪。

    直放站具有上下两个链路，有各自独立的增益控制和功率放大能力，调试时应保持其链路平衡。保持链路平衡不能简单地理解为直放站的上下行增益设置的平衡，而是对应于施主基站的链路平衡。直放站加入移动通信网络，不能破坏施主基站覆盖区已经建立的上下通道的平衡，直放站调整增益平衡的前提条件是:上行增益的调整要保证底部噪声不对基站造成干扰，下行增益的调整不影响输出信号的线性特性。若下行增益远大于上行增益，会导致手机接收场强很高，却打不出电话；若上行增益远大于下行增益，会导致覆盖范围缩小。较合理的范围是上下行增益相差小于3dB。

    2.2路测确认

    运用安装有专门软件（如东信eastcom2000）的路测仪器进行路测，结合实地通话测试，确认工程实施效果是否达到原设计要求，如覆盖范围是否满足需要，施主基站和相邻基站信号是否受到影响等。若与设计有较大的出入，就需作出一系列调整，如重新确定直放站站址，重新调整天馈线位置，使天线隔离度达到预定值；重新调整直放站设备工作参数，使其达到最佳工作状态。在覆盖公路、隧道等带状区域时，可调整天线角反射器角度，通过控制波束宽度来实现该区域的理想覆盖。路测时应注重识别基站信号、经直放站放大的信号和相邻基站信号。

    结束语

    鉴于直放站在移动通信网络覆盖中的重要性，把握直放站的工程设计和调测方法，对于移动通信网络建设和运行维护来说十分必要，从无线电治理的角度而言，也可消除许多干扰隐患。展望未来，随着3G牌照的发放和新业务的开展，新一轮基站建设热潮即将兴起，如何更好地发挥直放站的优势，节省资金和资源投入，无疑是值得移动通信界研究的一个重要课题。

    参考文献

    [1]卢尔瑞等.移动通信工程.人民邮电出版社,1988（4）

    [2]高健罗华斌.直放站的原理与应用.中国无线电,2005（7）