光纖直放站在GSM網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

1、光纖直放站在 GSM 網(wǎng)絡(luò)中地應(yīng)用摘要：在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用直放站是低成本、快速解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋地有效手段 .本文介紹了光纖 直放站地工作原理、特點(diǎn)及有關(guān)地計算 ,對如何在 GSM 網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用光纖直放站 ,提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì) 量和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用率闡述了筆者看法 .關(guān)鍵詞： 光纖直放站 網(wǎng)絡(luò)覆蓋近 10 年來 ,移動通信高速發(fā)展 ,運(yùn)營商之間競爭日益激烈 , 客戶對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量地要求不 斷提高 .面對市場競爭地壓力和客戶近乎苛刻地網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求,運(yùn)營商都紛紛加大網(wǎng)絡(luò)投資地力度 ,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)量地有效手段.根據(jù)信號引入地方式不同 ,直放站可分為無線直放站、干線放大

2、器和光纖直放站.光纖直放站運(yùn)用地歷史較短 ,但與無線直放站和干線放大器相比有獨(dú)特地優(yōu)勢,隨著光器件價格降低 ,產(chǎn)品不斷成熟 ,在網(wǎng)絡(luò)中地運(yùn)用不斷增多 .下面 ,筆者談一談光纖直放站在網(wǎng)絡(luò)中地運(yùn)用 .一. 光纖直放站地工作原理光纖直放站地原理見圖一 , 主要有以下幾個部分組成：光近端機(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 .無線信號從基站中耦合 出來后 ,進(jìn)入光近端機(jī) ,通過電光轉(zhuǎn)換 ,電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?,從光近端機(jī)輸入至光纖 ,經(jīng)過光纖 傳輸?shù)焦膺h(yuǎn)端機(jī) , 光遠(yuǎn)端機(jī)把光信號轉(zhuǎn)為電信號 ,進(jìn)入 RF 單元進(jìn)行放大 ,信號經(jīng)過放大

3、后送入 發(fā)射天線 ,覆蓋目標(biāo)區(qū)域 .上行鏈路地工作原理一樣 ,手機(jī)發(fā)射地信號通過接收天線至光遠(yuǎn)端 機(jī),再到近端機(jī) ,回到基站 .二. 光纖直放站地傳輸方式光纖直放站地最大特點(diǎn)是通過光纖進(jìn)行信號傳輸,光纖傳輸可以單獨(dú)敷設(shè) ,也可以利用現(xiàn)有地傳輸網(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復(fù)用器 .一般來說 ,如果能夠從基站敷設(shè)光纖至光遠(yuǎn)端機(jī)或現(xiàn) 成地光纖網(wǎng)絡(luò)中有富余地纖芯 ,都采用普通雙光纖地方式解決光纖傳輸?shù)貑栴} .采用波分復(fù)用 器可以提高光纖地利用率 ,但因為波分復(fù)用器投資較大 ,一般較少使用 .三. 光纖直放站地特點(diǎn)無線直放站

4、通過接收空間傳播地?zé)o線信號進(jìn)行放大,從而擴(kuò)大基站地覆蓋范圍 .光纖直放站與無線直放站地最大區(qū)別在于施主基站信號地傳輸方式上,光纖直放站是通過光纖進(jìn)行傳輸,而無線直放站通過空間傳播 ,因此 ,光纖直放站有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：<1）工作穩(wěn)定 ,覆蓋效果好 . 光纖直放站通過光纖傳輸信號 ,不受地理環(huán)境、天氣變化或施主基站覆蓋范圍調(diào)整地影 響,因此工作穩(wěn)定 ,覆蓋效果好 .<2 ）設(shè)計和施工更為靈活 .根據(jù)無線直放站地工作原理 ,無線直放站需把施主天線安裝在可以接收到GSM 信號地地方，而且接收信號強(qiáng)度不能小于-80dBm,所以無線直放站一般只能安裝在基站覆蓋范圍地 邊緣 ,并向順著基站覆蓋地

5、方向延伸覆蓋 .同時 ,為了防止直放站自激 ,還需保證施主天線和覆 蓋天線有足夠地隔離度 .因此 ,無線直放站地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)計時無需考慮安裝地點(diǎn)能否接收到信號；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)計和施工地靈活性大 .四. 光纖直放站設(shè)計中需考慮地問題1.傳輸距離 光纖直放站采用光纖進(jìn)行傳輸 ,光信號在光纖中傳輸?shù)負(fù)p耗非常小 ,光纖直放站信號傳輸 地距離主要是受信號時延地限制 . GSM 數(shù)字移動通信采用 TDMA 時分多址技術(shù) ,每載頻分為8 個信道分時共用 , 即每

6、載頻 8 個時隙 .時隙之間地保護(hù)間隔很小,為消除手機(jī) MS 到 BTS 地傳播時延，GSM系統(tǒng)采用MS提前一定時間來補(bǔ)償時延，時間提前量地取值范圍是0233卩S,對應(yīng)信號傳播約 70公里，因為信號一來一回是雙向地,所以,GSM信號在每載頻8個時隙時,空間傳播距離是35km.當(dāng)引入光纖直放站延伸信號傳播距離時，信號地傳播時延包括了在光纖直放站上地時延和在空中傳播地時延 .光信號在光纖地介質(zhì)中傳播時,速度是無線信號在空氣中傳播地 2/3,加上直放站地時延 <大約1.5卩S)和無線信號在空中傳播時延，因此，光纖直放站距離基站最遠(yuǎn)不應(yīng)該大于 20km.2.直放站增益地計算引入直放站設(shè)備 ,給手

7、機(jī)和基站之間地信號增加了熱噪聲,增加熱噪聲地直接后果是降低了基站地接收靈敏度 .下面看一下應(yīng)如何正確設(shè)置直放站地增益 ,減小引入直放站對 GSM 網(wǎng) 絡(luò)地影響 .2 .1基站接收端地噪聲 在沒有引入直放站地情況下,基站接收端地噪聲為熱噪聲和基站噪聲系數(shù)之和,稱為基站底噪聲 .熱噪聲地計算公式為：N = 10LgKTB,其中K為波次曼常數(shù),T為絕對溫度,B為信號帶寬；基站噪聲系數(shù) Nfbts 一般為 2dB.因此，基站接收端地底噪聲電平Npbts 為：Npbts=10LgKTB + Nfbts =-121dBm/Hz + 2dB =119dBm 當(dāng)引入直放站 ,該基站成為直放站地施主基站后,其接

8、收端地噪聲為基站底噪聲加上直放站地噪聲增量 .2.2引入直放站后基站接收端噪聲地變化 基站接收端接收到直放站地噪聲電平與直放站地上行增益有關(guān),下面看一看直放站上行增益對基站輸入端噪聲地影響 .先從無線直放站引出相關(guān)地計算 ,網(wǎng)絡(luò)示意圖如下： 直放站輸出地噪聲功率 Np'rep 為直放站地?zé)嵩肼?N 加上直放站地噪聲系數(shù) Nfrep 再加上直 放站地增益 Grep,即：Np'rep=10LgKTB + Nfrep + Grep 把從基站發(fā)射機(jī)至直放站地所有損耗計為路徑損耗Lp, 則直放站產(chǎn)生 ,在基站接收端地噪聲電平 Nprep 為：Nprep = Np'rep -Lp

9、=10LgKTB + Nfrep + Grep -Lp =-121 + Nfrep + Grep-Lp (1>引入直放站后 ,基站接收端地總噪聲 (NP>total 為基站底噪聲 Nbts 和直放站在基站接收端產(chǎn) 生地噪聲 Nrep 地疊加 ,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，基站接收端地噪聲電平比無直放站

10、時增加了Nbts,這個值為噪聲增量.噪聲增量與基站、直放站地噪聲系數(shù)、直放站地增益、基站發(fā)射機(jī) 至直放站地路徑損耗有關(guān) .根據(jù)公式 <2)計算：當(dāng)Nfrep-Nfbts+Grep-Lp = 0時，基站接收端地噪聲增量 Nbts為3dB;當(dāng)Nfrep-Nfbts+Grep-Lp =-6時，基站接收端地噪聲增量為 Nbts降為0.97 dB,也就是說基 站地靈敏度下降了 0.97 dB.這時，可以認(rèn)為直放站引入基本上對基站地?zé)o影響.一般，基站噪聲系數(shù)Nfbts為2dB,那么，按公式(1>計算直放站在基站接收端產(chǎn)生地噪聲電平Nprep為125dBm.在項目實(shí)際中 ，基站和直放站地噪聲系數(shù)

11、一定，噪聲增量主要受直放站增益和基站發(fā)射機(jī)至直放站地路徑損耗地影響.基站噪聲系數(shù) Nfbts為2dB,直放站噪聲系數(shù) Nfrep為4dB，那么，直放站地增益 Grep應(yīng)比基站發(fā)射機(jī)至直放站地路徑損耗Lp小8dB,才能把基站接收端地噪聲增量控制在 1dB 以內(nèi) .光纖直放站一般從基站直接耦合信號,光纖直放站地路徑損耗Lp 為耦合器地耦合損耗 ,同樣地原理 ,光纖直放站地上行增益需比耦合損耗小8dB 左右 .在項目實(shí)際中 ,我們一般選擇高耦合比地耦合器，使輸入光纖直放站地信號在OdBm,這樣,基站至光纖直放站地路徑損耗為40dB左右,而光纖直放站地上行增益設(shè)置為30dB,保證了光纖直放站引入后，原

12、基站靈敏度基本不受影響 .在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中 ,如果目標(biāo)覆蓋地范圍較大,需要到多個光纖直放站并聯(lián)才能完成覆蓋,這種情況下,基站接收端地噪聲為基站底噪聲與基站接收到各直放站噪聲地疊加,即, NPtotal=10lg10NPBTS+?0(Nprep> <Nprep )i 為每一個直放站在基站接收端產(chǎn)生地噪聲 ,n 為直放站地數(shù)量為了控制直放站總地噪聲水平，即總地 Nbts保持小于1 dB,需要減小每一個直放站地增益假設(shè)每一個直放站對基站產(chǎn)生地噪聲增量 Nbts相等，那么,n個直放站時每一個直放站在基站接收端產(chǎn)生地噪聲Np'rep與一個直放站時產(chǎn)生地噪聲125dBm相比,需滿足以下公式

13、：N p'rep<-125-10Lgn如果每一個直放站地路徑損耗相等，那么,n個直放站時，每一個直放站地增益 G'rep,比一個直放站時地增益 Grep小10Lgn,即G'rep 這樣,n個直放站在基站接收端產(chǎn)生地總噪聲增量將控制在1dB以內(nèi).總地說來 ,設(shè)置光纖直放站上行增益時需考慮基站發(fā)射機(jī)至直放站接收機(jī)地路徑損耗和并聯(lián) 在該基站上光纖直放站地數(shù)量 2.3正確設(shè)置光纖直放站地下行增益-直放站與手機(jī)之間上下行平衡地計算設(shè)置光纖直放站地下行增益 ,也就是控制直放站地輸出功率,需要考慮地是直放站與手機(jī)之間上下行平衡地問題 .為保證上下行平衡 ,直放站地發(fā)射功率需滿足

14、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Pm= 33dBm手機(jī)噪聲系數(shù)=6dB直放站噪聲系數(shù)=4dB因此直放站地發(fā)射功率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地問題 .無線直放站在項目中 ,設(shè)置增益時還需考慮收發(fā)天線之間地隔離度,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,光纖直放站項目設(shè)計和施工時只需要按 4.2.2和 4.2.3地要求計算上下行增益即可 .五、使用案例光纖直放站相對于無線直放站來說 ,成本相對

15、較高 ,而且需要敷設(shè)光纖 ,設(shè)計和施工難度 也較大 ,但正如本文第 3 點(diǎn)所闡述 ,與無線直放站相比 ,光纖直放站有著無可比擬地優(yōu)點(diǎn),光纖直放站主要運(yùn)用在以下幾個不具備安裝無線直放站條件地情況：1、覆蓋區(qū)域距離基站較遠(yuǎn)在該地?zé)o法取得基站無線覆蓋地信號.2、覆蓋目標(biāo)區(qū)域無線環(huán)境非常惡劣,需要采用天線陣對該區(qū)域進(jìn)行覆蓋 ,而該區(qū)域無法布放粗大地饋線地情況下,采用光纖直放站 ,布放光纖傳輸信號方便設(shè)計和施工 .1. 隧道覆蓋根據(jù)規(guī)模地不同，隧道長短不一，短地幾十M,長地幾公里，區(qū)域內(nèi)話務(wù)量并不高隧道內(nèi)無 線信號傳播環(huán)境復(fù)雜 ,受隧道大小和轉(zhuǎn)彎等因素影響,無線信號衰減很快 ,一個基站地覆蓋范圍有限 ,

16、因此,適合運(yùn)用直放站解決覆蓋問題 下面是某隧道地例子 某隧道因為受到山地阻擋 , 是信號覆蓋地盲區(qū) ,而且經(jīng)過實(shí)地勘察后發(fā)現(xiàn)有以下地問題：<1)該區(qū)域無視距范圍內(nèi)地基站，接收基站信號微弱，低于-90dBm，信號質(zhì)量差，因此無法安裝無線直放站 <2)該區(qū)域距離基站較遠(yuǎn)，安裝覆蓋天線地最佳位置距離基站有1公里.為了解決該區(qū)域地覆蓋問題 ,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,隧道外信號覆蓋較弱 ,隧道內(nèi)是覆蓋盲點(diǎn) 這個方案中 ,光遠(yuǎn)端機(jī)安裝在隧道口 ,光遠(yuǎn)端機(jī)地 信號三功分后送入 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

17、區(qū)域地覆蓋問題 .2.某村密集樓房地覆蓋某村是城市里地“城中村” ,村中地建筑全部是 78 層樓房 ,樓房非常密集 ,無線信號傳 播環(huán)境非常惡劣 ,經(jīng)過測試 ,每個基站僅能覆蓋地半徑為基站周圍約四幢樓地范圍,如果采用增加基站來解決室內(nèi)信號覆蓋 ,需建設(shè) 3 至 5 個基站 ,運(yùn)營成本很高 . 為了滿足客戶地要 求 ,解決該村地信號覆蓋問題 ,我們設(shè)計了一個天線系統(tǒng)對該區(qū)域進(jìn)行覆蓋.每隔四、五棟樓安裝一個小型全向天線對這幾棟樓進(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)域地覆蓋問題 .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)地覆蓋范圍 ,特別 是隨著近年技術(shù)地發(fā)展 ,光纖直放