直放站工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題

鄒偉華，王 璐，劉永方

（廣西壯族自治區(qū)公安廳，南寧 530012）

1 研究背景

直放站，也稱(chēng)轉(zhuǎn)發(fā)器或中繼器，它實(shí)際上是一種雙向信號(hào)放大器，起著延伸基站覆蓋范圍和補(bǔ)盲的作用。直放站作為一種網(wǎng)絡(luò)輔助手段在完善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，優(yōu)化和改善服務(wù)質(zhì)量，提高運(yùn)營(yíng)效益方面起著十分重要的作用。它既可以應(yīng)用在室外局部盲點(diǎn)覆蓋，也可作為信號(hào)源應(yīng)用室內(nèi)分布系統(tǒng)。

直放站與基站收發(fā)信道機(jī)不同，它沒(méi)有基帶處理電路，不解調(diào)無(wú)線射頻信號(hào)，僅僅是雙向中繼和放大射頻信號(hào)。因此利用直放站的作用主要是擴(kuò)大無(wú)線覆蓋范圍和補(bǔ)充盲區(qū)覆蓋。它不能增加系統(tǒng)容量，但可以將容量資源均衡的分散或集中到需要覆蓋的區(qū)域。

直放站在射頻工程應(yīng)用中應(yīng)該注意選址、上行噪聲電平和收發(fā)隔離度等要求。下面章節(jié)將進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

2 做好直放站的選址

2.1 選址原則

選址，對(duì)直放站的應(yīng)用至關(guān)重要。選址正確與否對(duì)直放站實(shí)際工作效果起著關(guān)鍵的作用。一個(gè)良好的站址，即使采用小功率直放站，其覆蓋效果可能比不良站址、大功率直放站覆蓋效果還要好。直放站選址應(yīng)該滿足以下條件：

（1）所選站址需要能看到基站天線，使基站天線與直放站施主天線之間保持視距損耗。

（2）所選站址附近的場(chǎng)強(qiáng)值，應(yīng)該滿足關(guān)系式：RXmin=Pmax-Gmax-Gant。

式中，RXmin為直放站輸出最大功率所需要的最小信號(hào)強(qiáng)度，單位為dBm；Pmax為直放站最大輸出功率，單位為dBm；Gmax為最大開(kāi)啟增益，單位為dB；Gant為施主天線的最大增益，單位為dBi。

（3）以選址位置為中心，半徑為0.5千米范圍內(nèi)無(wú)巨大建筑物或地物阻擋。

（4）選擇制高點(diǎn)。

（5）站址應(yīng)選在施主基站與盲區(qū)之間，最好是在盲區(qū)外并靠近盲區(qū)邊沿。

2.2 不同選址的覆蓋效果

當(dāng)直放站架設(shè)在盲區(qū)外，靠近盲區(qū)邊沿的覆蓋效果圖如圖1所示：

圖1 直放站位于盲區(qū)邊緣

當(dāng)直放站架設(shè)在盲區(qū)內(nèi)，覆蓋效果圖如圖2所示：

由圖1和圖2可知，直放站架設(shè)在覆蓋盲區(qū)邊緣的覆蓋效果明顯優(yōu)于架設(shè)在盲區(qū)內(nèi)。

圖2 直放站位于盲區(qū)內(nèi)

直放站除用于覆蓋城鄉(xiāng)結(jié)合處和偏遠(yuǎn)地區(qū)，也經(jīng)常用于覆蓋城市邊緣的密集住宅區(qū)，此時(shí)應(yīng)避免在樓群的正面選點(diǎn)。如圖3所示，采用正面選點(diǎn)方式時(shí)，信號(hào)需直接穿透前排樓宇，才能達(dá)到到后部區(qū)域。由于信號(hào)存在較大穿透衰減，導(dǎo)致后面區(qū)域的覆蓋信號(hào)會(huì)很弱。如果從樓群的側(cè)面進(jìn)行覆蓋，如圖4所示，信號(hào)可以從樓宇間較大的空隙穿過(guò)，并借助反射達(dá)到較好的覆蓋效果。

圖3 樓群正面選點(diǎn)

圖4 群樓側(cè)面選點(diǎn)

3 控制上行噪聲電平的施主基站的影響

3.1 架設(shè)單個(gè)直放站對(duì)基站的影響

直放站在放大上行信號(hào)的同時(shí)，也必然向基站發(fā)送上行噪聲，當(dāng)上行噪聲電平足夠大時(shí)，將降低基站接收機(jī)的信噪比，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響是使上行覆蓋范圍變小。應(yīng)用示意圖如圖5所示：

當(dāng)基站覆蓋區(qū)引入直放站后，基站和直放站的噪聲系數(shù)均要增加一個(gè)噪聲增量，這種噪聲增量用dB值表示，計(jì)算公式如下：

基站噪聲增量：△NFBTS=10log[1+10Nrise/10]

直放站噪聲增量：△NFrep=10log[1+10-Nrise/10]

噪聲增量因子：NFrise=NFrep-NFBTS+Grep-Ld

式中，NFBTS為基站的噪聲系數(shù)；NFrep為直放站的噪聲系數(shù)；Grep為直放站上行增益；NFrise為噪聲增量因子；Ld為直放站施主天線到基站的空間鏈路損耗。

圖5 直放站應(yīng)用示意圖

由上式可知，基站的噪聲增量△NFBTS與噪聲因子NFrise成正比，而直放站的噪聲增量△NFrep與NFrise成反比。噪聲增量與噪聲因子之間的曲線關(guān)系如圖6所示：

圖6 噪聲增量與噪聲增量因子關(guān)系

噪聲增量因子NFrise=直放站與基站的噪聲系數(shù)差+上行增益與路徑損耗差。噪聲增量因子NFrise可以為正或負(fù)，其數(shù)值越大，引起基站的噪聲增量就越大，對(duì)基站的影響就越大，其數(shù)值越小，對(duì)基站的影響就越小。在工程設(shè)計(jì)中，直放站和基站的噪聲系數(shù)是已知的常數(shù)，因此噪聲增量因子的變量是直放站上行增益Grep和直放站與基站間的路徑損耗Ld，一旦直放站安裝完畢，進(jìn)入開(kāi)通調(diào)試時(shí)，上行路徑損耗值是相對(duì)穩(wěn)定的值。此時(shí)，直放站上行增益的大小決定了噪聲增量因子的大小，顯然上行增益越大，噪聲增量因子越大，上行增益越小，噪聲增量因子越小。

當(dāng)NFrise=0時(shí)，基站和直放站的噪聲系數(shù)均在原有的數(shù)值上增加了3dB，對(duì)上行覆蓋范圍的影響是相同的。

當(dāng)NFrise＜0時(shí)，基站的噪聲增量將＜3dB，NFrise越小，對(duì)基站的噪聲影響就越小。例如當(dāng)NFrise=-10dB時(shí)，基站的噪聲增量只有0.4dB，這時(shí)對(duì)基站的覆蓋范圍不會(huì)有影響。但是當(dāng)NFrise越小，對(duì)直放站的噪聲影響就越大。當(dāng)NFrise=-10dB時(shí)，直放站的噪聲系數(shù)將增加10.4dB，這就意味著直放站的覆蓋距離要縮短1倍以上。

當(dāng)NFrise＞0時(shí)，基站的噪聲增量將＞3dB，直放站的噪聲增量將＜3dB，NFrise越大，基站的覆蓋范圍越小，而直放站的覆蓋距離就越大。

在工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)直放站用于郊區(qū)，農(nóng)村，鄉(xiāng)村的盲區(qū)信號(hào)覆蓋、話務(wù)量不大情況下，一般取△NFBTS=2；如果是用于公路覆蓋，為擴(kuò)大直放站的覆蓋范圍，取△NFBTS≤3dB；如果直放站是在市區(qū)或作為室內(nèi)分布系統(tǒng)的信號(hào)源時(shí)，在滿足應(yīng)用的情況下，取△ NFBTS≤1dB。

3.2 架設(shè)多個(gè)直放站對(duì)基站的影響

在覆蓋區(qū)比較分散的組網(wǎng)方案中，往往一個(gè)基站需要引入多個(gè)直放站。常用的引入方式有星形和串聯(lián)型，直放站與基站組成的星形無(wú)線覆蓋網(wǎng)絡(luò)如圖7所示：

圖7 星形無(wú)線覆蓋網(wǎng)絡(luò)

設(shè)n個(gè)直放站噪聲系數(shù)相同，基站接收到每個(gè)直放站的上行噪聲電平相等，則噪聲增量計(jì)算公式如下：

基站噪聲增量：△NFBTS=10log[1+n10-Nrise/10]

直放站噪聲增量：△NFrep=10log[n+10-Nrise/10]

為了能更好的達(dá)到基站和直放站的覆蓋效果，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，需將基站和直放站的設(shè)計(jì)放在一起考慮，合理分配噪聲增量。在預(yù)測(cè)上行覆蓋距離時(shí)，需要考慮噪聲增量對(duì)覆蓋距離的影響，只有合理分配基站和直放站的噪聲增量，才能取得對(duì)基站和直放站都有利的覆蓋效果。

4 確保直放站足夠的收發(fā)隔離度

4.1 自激

隔離度是指無(wú)線直放站重發(fā)天線與施主天線之間的隔離損耗。如果直放站施主天線和重發(fā)天線的隔離度不好，極易造成自激，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成干擾?？朔约がF(xiàn)象的方法有兩種：一是增大施主和重發(fā)天線的隔離度；二是降低直放站的增益。當(dāng)要求直放站覆蓋范圍較小時(shí)，可以采用降低增益的辦法。當(dāng)要求直放站覆蓋范圍較大時(shí)，無(wú)法降低其增益時(shí)，就應(yīng)該增大天線間的隔離度，一般要求是施主天線和重發(fā)天線之間的隔離度比整機(jī)增益（含天線）大10dB以上。實(shí)際操作時(shí)，一方面盡量選用高度不同的天線，另一方面，兩副天線之間盡量有高屏蔽的障礙物或保持足夠大的水平間距。

概括起來(lái)，工程中主要采用以下幾種方法來(lái)解決自激問(wèn)題：增大收發(fā)天線的水平及垂直距離；增加遮擋物，如有可能，可加裝屏蔽網(wǎng)等；增加施主天線的方向性，如使用拋物面天線；選用定向重發(fā)天線，如定向角度天線；調(diào)整施主與重發(fā)天線的角度與方向，使兩者盡量背向。

4.2 收發(fā)隔離度計(jì)算

圖8 施主天線與重發(fā)天線水平安裝示意圖

在工程估算隔離度的公式（天線背對(duì)背放置）如下：

水平隔離度 Ih計(jì)算：Ih=22.0+20log10（d/λ） -（Gd+Gr）+（Xd+Xr）+Lw

式中，22.0為傳播常數(shù)；d為收發(fā)天線水平距離（單位：米）；λ為天線工作波長(zhǎng)（單位：米）；Lw為阻擋物體損耗；Gd、Gr分別為發(fā)射和接收天線的增益（單位：dBi）；Xd、Xr分別為發(fā)射和接收天線的前后比（單位：dB）。

垂直隔離度Iv計(jì)算：Iv＝28.0+40log10（d/λ）

式中，28.0為傳播常數(shù)；d為收發(fā)天線垂直距離（單位：米）；λ為天線工作波長(zhǎng)（單位：米）。

假設(shè) Gd=Gr=12dBi，Xd=Xr=25dB，Lw=0，f=350MHz。

施主天線和重發(fā)天線采用背對(duì)背安裝，根據(jù)以上公式計(jì)算，隔離度和距離之間的關(guān)系數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 Ih和Iv與d之間關(guān)系

從表1的計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，如使用的天線和天線間的距離相同，垂直比水平安裝更易滿足隔離度要求。當(dāng)距離增加一倍時(shí)，水平隔離度增加6dB，而垂直隔離度增加12dB；水平安裝最佳距離在25m，垂直安裝最佳距離在20～25m，如再增加距離，隔離度增加不明顯。

如果某項(xiàng)目直放站工作頻段為350MHz，施主天線和重發(fā)天線為定向天線，增益為12dBi，前后比為25dB，當(dāng)直放站開(kāi)啟最大增益為80dB時(shí)，那么施主天線和重發(fā)天線之間的隔離度至少需要90dB。如果施主天線和重發(fā)天線水平架設(shè)，那么隔離度滿足要求，水平之間的間距需要100m，這個(gè)間距現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中很難實(shí)現(xiàn)，往往需要借助其他物體做阻擋來(lái)提高收發(fā)之間的隔離度。

鄰苯二甲酸酯（Phthalic Acid Esters，PAEs）是一類(lèi)人工合成有機(jī)化合物，可用作化妝品、農(nóng)藥、塑料增塑劑、涂料、香料等的生產(chǎn)原料，其中更多用作增塑劑[1]，以增強(qiáng)塑料可塑性。近年來(lái)，隨著塑料制品的大量使用以及生活污水、工農(nóng)業(yè)廢水的大量排放，進(jìn)入水環(huán)境中的鄰苯二甲酸酯類(lèi)污染物質(zhì)急劇增加[2]。國(guó)內(nèi)外已將PAEs列為重點(diǎn)監(jiān)控的有毒有害有機(jī)污染物，其中，鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）被列為內(nèi)分泌干擾物[3]。

4.3 收發(fā)隔離度測(cè)量

直放站施主天線和重發(fā)天線架設(shè)完畢之后，雖然隔離度在設(shè)計(jì)前進(jìn)行過(guò)預(yù)算，但現(xiàn)場(chǎng)還應(yīng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試獲得精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。隔離度不滿足要求，可能導(dǎo)致直放站產(chǎn)生自激而影響覆蓋效果，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備燒毀。通過(guò)實(shí)測(cè)，可避免上述現(xiàn)象發(fā)生。測(cè)試框圖如圖9所示。

把對(duì)講機(jī)天線擰下，利用SMA轉(zhuǎn)N型接口專(zhuān)用測(cè)試線，把對(duì)講機(jī)和直放站的施主天線連接起來(lái)，對(duì)講機(jī)發(fā)射P1功率。頻譜分析儀連接重發(fā)天線，開(kāi)啟頻譜分析儀，記錄頻譜分析儀接收到的信號(hào)功率值P2。則兩付天線之間的隔離度可由公式：Iu=P1-P2計(jì)算得出。如隔離度不滿足Iu≥Gmax+10要求，則需要調(diào)整施主和重發(fā)天線之間的間距或增加障礙物。

5 直放站安裝完畢后要進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試

直放站架設(shè)完畢之后，還應(yīng)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試和語(yǔ)音通話測(cè)試，以驗(yàn)證對(duì)盲區(qū)信號(hào)的改善效果。

具體測(cè)試如下：

5.1 信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試

（1）關(guān)閉直放站系統(tǒng)，在待測(cè)覆蓋區(qū)域選擇幾個(gè)特殊地點(diǎn)，測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度并記錄。

（2）開(kāi)啟直放站系統(tǒng)，再次到選定的測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度并記錄。

5.2 語(yǔ)音通話測(cè)試

（1）在直放站系統(tǒng)的主覆蓋區(qū)域的不同位置，用測(cè)試對(duì)講機(jī)進(jìn)行通話呼叫，檢查語(yǔ)音通話質(zhì)量情況。

（2）每個(gè)位置進(jìn)行5次以上通話測(cè)試。