光纖直放站在GSM網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用

1、光纖直放站在GSM網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用近10年來(lái)，移動(dòng)通信高速發(fā)展，運(yùn)營(yíng)商之間競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，客戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求不斷提高。面對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力和客戶近乎苛刻的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求，運(yùn)營(yíng)商都紛紛加大網(wǎng)絡(luò)投資的力度，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。建設(shè)GSM直放站是低成本、快速提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的有效手段。根據(jù)信號(hào)引入的方式不同，直放站可分為無(wú)線直放站、干線放大器和光纖直放站。光纖直放站運(yùn)用的歷史較短，但與無(wú)線直放站和干線放大器相比有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，隨著光器件價(jià)格降低，產(chǎn)品不斷成熟，在網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用不斷增多。下面，筆者談一談光纖直放站在網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用。 一. 光纖直放站的工作原理光纖直放站的原理見圖一，主要有以下幾個(gè)部分組成：光近端

2、機(jī)、光纖、光遠(yuǎn)端機(jī)（覆蓋單元）。光近端機(jī)和光遠(yuǎn)端機(jī)都包括射頻單元(RF單元)和光單元。無(wú)線信號(hào)從基站中耦合出來(lái)后，進(jìn)入光近端機(jī)，通過(guò)電光轉(zhuǎn)換，電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，從光近端機(jī)輸入至光纖，經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)焦膺h(yuǎn)端機(jī)，光遠(yuǎn)端機(jī)把光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，進(jìn)入RF單元進(jìn)行放大，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后送入發(fā)射天線，覆蓋目標(biāo)區(qū)域。上行鏈路的工作原理一樣，手機(jī)發(fā)射的信號(hào)通過(guò)接收天線至光遠(yuǎn)端機(jī)，再到近端機(jī)，回到基站。 二. 光纖直放站的傳輸方式光纖直放站的最大特點(diǎn)是通過(guò)光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，光纖傳輸可以單獨(dú)敷設(shè)，也可以利用現(xiàn)有的傳輸網(wǎng)絡(luò)，主要有3種方式：普通雙光纖方式、波分復(fù)用方式和同纖傳輸方式，其中波分復(fù)用和同纖方式都需要使用波分

3、復(fù)用器。一般來(lái)說(shuō)，如果能夠從基站敷設(shè)光纖至光遠(yuǎn)端機(jī)或現(xiàn)成的光纖網(wǎng)絡(luò)中有富余的纖芯，都采用普通雙光纖的方式解決光纖傳輸?shù)膯栴}。采用波分復(fù)用器可以提高光纖的利用率，但由于波分復(fù)用器投資較大，一般較少使用。三. 光纖直放站的特點(diǎn)無(wú)線直放站通過(guò)接收空間傳播的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行放大，從而擴(kuò)大基站的覆蓋范圍。光纖直放站與無(wú)線直放站的最大區(qū)別在于施主基站信號(hào)的傳輸方式上，光纖直放站是通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，而無(wú)線直放站通過(guò)空間傳播，因此，光纖直放站有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）工作穩(wěn)定，覆蓋效果好。光纖直放站通過(guò)光纖傳輸信號(hào)，不受地理環(huán)境、天氣變化或施主基站覆蓋范圍調(diào)整的影響，因此工作穩(wěn)定，覆蓋效果好。（2）設(shè)計(jì)和施工更為靈

4、活。根據(jù)無(wú)線直放站的工作原理，無(wú)線直放站需把施主天線安裝在可以接收到GSM信號(hào)的地方，而且接收信號(hào)強(qiáng)度不能小于80dBm，所以無(wú)線直放站一般只能安裝在基站覆蓋范圍的邊緣，并向順著基站覆蓋的方向延伸覆蓋。同時(shí)，為了防止直放站自激，還需保證施主天線和覆蓋天線有足夠的隔離度。因此，無(wú)線直放站的安裝位置和方式受到一定限制，而且一般采用定向天線進(jìn)行覆蓋，覆蓋范圍較小。光纖直放站在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮安裝地點(diǎn)能否接收到信號(hào)；不需考慮收發(fā)隔離問題，選址方便；覆蓋天線可根據(jù)需要采用全向或定向天線，因此，設(shè)計(jì)和施工的靈活性大。四. 光纖直放站設(shè)計(jì)中需考慮的問題1.傳輸距離光纖直放站采用光纖進(jìn)行傳輸，光信號(hào)在光纖中傳輸

5、的損耗非常小，光纖直放站信號(hào)傳輸?shù)木嚯x主要是受信號(hào)時(shí)延的限制。 GSM數(shù)字移動(dòng)通信采用TDMA時(shí)分多址技術(shù)，每載頻分為8個(gè)信道分時(shí)共用，即每載頻8個(gè)時(shí)隙。時(shí)隙之間的保護(hù)間隔很小，為消除手機(jī)MS到BTS的傳播時(shí)延，GSM系統(tǒng)采用MS提前一定時(shí)間來(lái)補(bǔ)償時(shí)延，時(shí)間提前量的取值范圍是0233S，對(duì)應(yīng)信號(hào)傳播約70公里，由于信號(hào)一來(lái)一回是雙向的，所以，GSM信號(hào)在每載頻8個(gè)時(shí)隙時(shí)，空間傳播距離是35km。當(dāng)引入光纖直放站延伸信號(hào)傳播距離時(shí)，信號(hào)的傳播時(shí)延包括了在光纖直放站上的時(shí)延和在空中傳播的時(shí)延。光信號(hào)在光纖的介質(zhì)中傳播時(shí)，速度是無(wú)線信號(hào)在空氣中傳播的2/3，加上直放站的時(shí)延（大約1.5S）和無(wú)線信號(hào)

6、在空中傳播時(shí)延，因此，光纖直放站距離基站最遠(yuǎn)不應(yīng)該大于20km。2.直放站增益的計(jì)算引入直放站設(shè)備，給手機(jī)和基站之間的信號(hào)增加了熱噪聲，增加熱噪聲的直接后果是降低了基站的接收靈敏度。下面看一下應(yīng)如何正確設(shè)置直放站的增益，減小引入直放站對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)的影響。.1基站接收端的噪聲在沒有引入直放站的情況下，基站接收端的噪聲為熱噪聲和基站噪聲系數(shù)之和，稱為基站底噪聲。熱噪聲的計(jì)算公式為：N10LgKTB，其中K為波次曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，B為信號(hào)帶寬；基站噪聲系數(shù)Nfbts一般為2dB。因此，基站接收端的底噪聲電平Npbts為： Npbts=10LgKTBNfbts =-121dBm/Hz2dB 119

7、dBm 當(dāng)引入直放站，該基站成為直放站的施主基站后，其接收端的噪聲為基站底噪聲加上直放站的噪聲增量。2.2引入直放站后基站接收端噪聲的變化基站接收端接收到直放站的噪聲電平與直放站的上行增益有關(guān)，下面看一看直放站上行增益對(duì)基站輸入端噪聲的影響。先從無(wú)線直放站引出相關(guān)的計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)示意圖如下： 直放站輸出的噪聲功率Np'rep為直放站的熱噪聲N加上直放站的噪聲系數(shù)Nfrep再加上直放站的增益Grep,即： Np'rep=10LgKTBNfrepGrep把從基站發(fā)射機(jī)至直放站的所有損耗計(jì)為路徑損耗Lp，則直放站產(chǎn)生，在基站接收端的噪聲電平Nprep為： Nprep = Np'r

8、ep -Lp =10LgKTBNfrepGrep -Lp =-121NfrepGrep-Lp (1)引入直放站后，基站接收端的總噪聲(NP)total為基站底噪聲Nbts和直放站在基站接收端產(chǎn)生的噪聲Nrep的疊加，即： (NP)total=10Lg10Npbts+10Nprep=NPbts+10Lg1+10Nfrep-Nfbts+Grep-Lp令10Lg1+10Nfrep-Nfbts+Grep-Lp= Nbts (2)則： (NP)total =Npbts+Nbts 從以上推算可以看到，引入直放站以后，基站接收端的噪聲電平比無(wú)直放站時(shí)增加了Nbts，這個(gè)值為噪聲增量。噪聲增量與基站、直放站的

9、噪聲系數(shù)、直放站的增益、基站發(fā)射機(jī)至直放站的路徑損耗有關(guān)。根據(jù)公式（2）計(jì)算：當(dāng)Nfrep-Nfbts+Grep-Lp0時(shí)，基站接收端的噪聲增量Nbts為3dB；當(dāng)Nfrep-Nfbts+Grep-Lp時(shí)，基站接收端的噪聲增量為Nbts降為0.97 dB，也就是說(shuō)基站的靈敏度下降了0.97 dB。這時(shí)，可以認(rèn)為直放站引入基本上對(duì)基站的無(wú)影響。一般，基站噪聲系數(shù)Nfbts為2dB，那么，按公式(1)計(jì)算直放站在基站接收端產(chǎn)生的噪聲電平Nprep為125dBm。 在工程實(shí)際中，基站和直放站的噪聲系數(shù)一定，噪聲增量主要受直放站增益和基站發(fā)射機(jī)至直放站的路徑損耗的影響。基站噪聲系數(shù)Nfbts為2dB，

10、直放站噪聲系數(shù)Nfrep為4dB，那么，直放站的增益Grep應(yīng)比基站發(fā)射機(jī)至直放站的路徑損耗Lp小8dB，才能把基站接收端的噪聲增量控制在1dB以內(nèi)。光纖直放站一般從基站直接耦合信號(hào)，光纖直放站的路徑損耗Lp為耦合器的耦合損耗，同樣的原理，光纖直放站的上行增益需比耦合損耗小8dB左右。在工程實(shí)際中，我們一般選擇高耦合比的耦合器，使輸入光纖直放站的信號(hào)在0dBm，這樣，基站至光纖直放站的路徑損耗為40dB左右，而光纖直放站的上行增益設(shè)置為30dB，保證了光纖直放站引入后，原基站靈敏度基本不受影響。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，如果目標(biāo)覆蓋的范圍較大，需要到多個(gè)光纖直放站并聯(lián)才能完成覆蓋，這種情況下，基站接收端的

11、噪聲為基站底噪聲與基站接收到各直放站噪聲的疊加，即， NPtotal=10lg10NPBTS+?0(Nprep)（Nprep）i為每一個(gè)直放站在基站接收端產(chǎn)生的噪聲，n為直放站的數(shù)量。為了控制直放站總的噪聲水平，即總的Nbts保持小于dB，需要減小每一個(gè)直放站的增益。假設(shè)每一個(gè)直放站對(duì)基站產(chǎn)生的噪聲增量Nbts相等，那么，n個(gè)直放站時(shí)每一個(gè)直放站在基站接收端產(chǎn)生的噪聲p'rep與一個(gè)直放站時(shí)產(chǎn)生的噪聲125dBm相比，需滿足以下公式：p'rep<-125-10Lgn 如果每一個(gè)直放站的路徑損耗相等，那么，n個(gè)直放站時(shí)，每一個(gè)直放站的增益G'rep，比一個(gè)直放站時(shí)的

12、增益Grep小10Lgn，即 G'rep這樣，n個(gè)直放站在基站接收端產(chǎn)生的總噪聲增量將控制在1dB以內(nèi)?？偟恼f(shuō)來(lái)，設(shè)置光纖直放站上行增益時(shí)需考慮基站發(fā)射機(jī)至直放站接收機(jī)的路徑損耗和并聯(lián)在該基站上光纖直放站的數(shù)量。2.3正確設(shè)置光纖直放站的下行增益直放站與手機(jī) 之間上下行平衡的計(jì)算設(shè)置光纖直放站的下行增益，也就是控制直放站的輸出功率，需要考慮的是直放站與手機(jī)之間上下行平衡的問題。為保證上下行平衡，直放站的發(fā)射功率需滿足以下公式： 直放站發(fā)射功率Po直放站噪聲系數(shù)Nf手機(jī)發(fā)射功率Pm手機(jī)噪聲系數(shù)Nfm其中：手機(jī)最大發(fā)射功率Pm33dBm手機(jī)噪聲系數(shù)6dB直放站噪聲系數(shù)4dB因此直放站的發(fā)射

13、功率Po最大為：Po=33+6-4=35 dBm這是設(shè)置直放站下行功率要注意的問題。無(wú)線直放站在工程中，設(shè)置增益時(shí)還需考慮收發(fā)天線之間的隔離度，要求增益必須小于收發(fā)隔離度，才能避免直放站自激。光纖直放站一般收發(fā)天線相距較遠(yuǎn)，隔離度不需要考慮。因此，光纖直放站工程設(shè)計(jì)和施工時(shí)只需要按4.2.2和4.2.3的要求計(jì)算上下行增益即可。五、 使用案例光纖直放站相對(duì)于無(wú)線直放站來(lái)說(shuō)，成本相對(duì)較高，而且需要敷設(shè)光纖，設(shè)計(jì)和施工難度也較大，但正如本文第3點(diǎn)所闡述，與無(wú)線直放站相比，光纖直放站有著無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，光纖直放站主要運(yùn)用在以下幾個(gè)不具備安裝無(wú)線直放站條件的情況：1、覆蓋區(qū)域距離基站較遠(yuǎn)，在該地?zé)o法取

14、得基站無(wú)線覆蓋的信號(hào)。2、覆蓋目標(biāo)區(qū)域無(wú)線環(huán)境非常惡劣，需要采用天線陣對(duì)該區(qū)域進(jìn)行覆蓋，而該區(qū)域無(wú)法布放粗大的饋線的情況下，采用光纖直放站，布放光纖傳輸信號(hào)方便設(shè)計(jì)和施工。1.隧道覆蓋根據(jù)規(guī)模的不同，隧道長(zhǎng)短不一，短的幾十米，長(zhǎng)的幾公里，區(qū)域內(nèi)話務(wù)量并不高。隧道內(nèi)無(wú)線信號(hào)傳播環(huán)境復(fù)雜，受隧道大小和轉(zhuǎn)彎等因素影響，無(wú)線信號(hào)衰減很快，一個(gè)基站的覆蓋范圍有限，因此，適合運(yùn)用直放站解決覆蓋問題。下面是某隧道的例子。 某隧道由于受到山的阻擋，是信號(hào)覆蓋的盲區(qū)，而且經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察后發(fā)現(xiàn)有以下的問題：（1）該區(qū)域無(wú)視距范圍內(nèi)的基站，接收基站信號(hào)微弱，低于90dBm，信號(hào)質(zhì)量差，因此無(wú)法安裝無(wú)線直放站。（2）該

15、區(qū)域距離基站較遠(yuǎn)，安裝覆蓋天線的最佳位置距離基站有1公里。為了解決該區(qū)域的覆蓋問題，我們采用光纖直放站進(jìn)行覆蓋。 基站距離隧道入口有1公里，隧道外信號(hào)覆蓋較弱，隧道內(nèi)是覆蓋盲點(diǎn)。這個(gè)方案中，光遠(yuǎn)端機(jī)安裝在隧道口，光遠(yuǎn)端機(jī)的信號(hào)三功分后送入3面定向天線，其中2面覆蓋兩條隧道，另外1面覆蓋公路，很好地解決了該區(qū)域的覆蓋問題。2.某村密集樓房的覆蓋某村是城市里的“城中村”，村中的建筑全部是78層樓房，樓房非常密集，無(wú)線信號(hào)傳播環(huán)境非常惡劣，經(jīng)過(guò)測(cè)試，每個(gè)基站僅能覆蓋的半徑為基站周圍約四幢樓的范圍，如果采用增加基站來(lái)解決室內(nèi)信號(hào)覆蓋，需建設(shè)3至5個(gè)基站，運(yùn)營(yíng)成本很高。為了滿足客戶的要求，解決該村的信號(hào)覆蓋問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)天線系統(tǒng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行覆蓋。每隔四、五棟樓，安裝一個(gè)小型全向天線對(duì)這幾棟樓進(jìn)行覆蓋，一共用了20余根全向天線，天線與基站之間采用多臺(tái)光纖直放站進(jìn)行連接，每天線發(fā)射功率為10dBm左右，解決了該區(qū)域的覆蓋問題。以光纖直放站延伸基站覆蓋，特點(diǎn)是投資少、見效快，能快速擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，特別是隨著近年技術(shù)的發(fā)展，光纖直放站不但性能穩(wěn)定