蔡阜平 1 曹华俊2
(1.北京电信长城移动通信有限责任公司 北京 100036 2.北京市电信管理局 北京 100031)
摘 要 本文在简单介绍直放站原理的基础上，从多个角度对直放站在CDMA网络中的应用做了分析。对直放站与基站进行了比较，就直放站的几种典型应用做了介绍，并从运营的角度对直放站的技术参数（如工作带宽、输出功率、分集接收等）、工程安装以及工程服务等进行了讨论。
关键词 直放站 CDMA 选择
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射信号的方向成一定的角度，相当于基站的电波在直放站处转了一个弯。依靠山体的阻挡，直放站的施主天线和服务天线分别放在山体的两侧，隔离度很大，直放站的性能可以充分发挥， 不但很好地解决了该风景区用户的通信问题，还使该基站的通信距离向山谷里延伸了6km。
（4）临时性会议地点的应急覆盖。北京郊区某宾馆组织生要会议，由于信号较弱，在会议室和宾馆底层房间均不能通信。由于时间紧迫，在该宾馆安装闭路分布系统已不可能。经现场考察，在宾馆顶层信号较强，且信号单一，安装直放站不会引起导频混乱。服务天线放楼群中间，利用楼体的隔离可以有效地控制直放站的覆盖，因宾馆面积不大，直放站的增益设置较小，使直放站工作很稳定。直放站半天即安装完毕，马上收到效果，不但会议室内信号明显增加，而且地下室也可以正常通信。
（5）开阔地域的覆盖。人口分布较少的开阔地域是使用直放站进行覆盖的典型场合。当直放站采用全向天线时，只要有一定的铁塔高度，在直放站工作正常的情况下，3km内可以明显地感觉到直放站的增益作用。但距离超过5km以后，直放站的增益作用就迅速消失，用手机进行基站接收信号电平测试，无论直放站是否工作，接收电平都没有明显变化。这是因为在平原开阔地区，房屋建筑和地形地貌造成的传输衰耗相对较小，而随空间距离的增加，电波按32.45+20logf (MHz)+20logD(km)的规律衰减；即距离每增加一倍，电波衰减6dB。比如在离基站12kmA点处用手机测得基站的接收信号电平下降为约-95dBm，在离基站17km的B点测得接收信号电平下降为约-97km（由于距离增加不足三分之一，自由空间衰耗和地貌衰耗增加值都不很大）。在A点安装一直放站，我们可以这样估算一下直放站电波的衰减曲线。直放站正常工作后，在距直放站水平距离300m的地面用手机进行接收信号电平测量（离直放站过近，将离开天线的主瓣，计算误差较大），假如测得导频电平为-70dBm，就可估算出直放站在A点附近有25dB的增益作用。由于距离每增加一倍，电波衰减6dB。在离A 点600m处衰减6dB，1200m处衰减12dB依次类推，4.8km衰关将达24dB。如果考虑地貌衰耗，直放站放大的信号到达B点时，信号电平约在-95—-100dBm左右，此时直放站的增益作用几乎为零。图3表示出基站的信号和直放站放大的信号衰减曲线索，可以看出A点至B点，基站信号衰减很慢，而且直放站信号衰减可以看出A点到B点，基站信号衰减很慢，而直放站信号衰减很快。
需要指出的是，如果直放站所在地300m处，通过开头直放站的方法，若能检查出直放站有25dB以上的增益，则说明直放站的工作状态已经是比较好的。由此可见，要想利用直放站组成大面积的覆盖是不现实的。当然 要想在局部方向获得较大的覆盖，如公路沿线则必须有更高的铁塔和高增益的定向天线，这样可以在单一方向延伸覆盖10km左右。
4．什么样的直放站运营企业感兴趣
直放站有很多技术参数，如工作频率范围、增益范围、频率稳定度、谐波抑制等，这里我们不做详细论述，而仅通过这些年来我们对多家直放站生产厂商的产品进行试验，谈些我们的体会，对某些技术参数进行讨论。
（1）直放站的工作带宽。很多直放站是由AMPS和TACS模拟移动通信系统产品演变而来，进入CDMA体制后，只做了少量改动，为适应CDMA有多个载频的需要（我国800MHZCDMA系统有10MHZ带宽），一些直放站生产厂家，其宽带的直放站均不如为CDMA专门设计的窄带直放站性能好。因为CDMA系统信号的信噪比远低于其他系统，前端低噪
音放大器的性能十分重要，宽带滤波器不利于低噪音放大器的制造。实际上直放站满足多功波是没有必要的，直放站都工作在话务量低的边缘地区，能保证CDMA首载波283信道工作即可。直放站是基站滚动发展的，过渡性产品，当需要第二载波时，直放站已被基站取代。
（2）直放站的最大输出功率。一些厂家为了获得较大覆盖，生产的直放站最大输出功率高达+43dBm，我们认为没有必要。取大输出功率+33—38dBm较为合适。道德我们认为覆盖主要取决于直放站反向信道低噪音放大器的性能，而不取决于直放站的最大输出功率。第二在实际安装中，直放站输出功率很难达到+30dBm以上。在空旷地带，当地面接收基站的信号电平低于-95dBm时，可考虑安装直放站。假设施主天线架高30m，由于高度的提高，空中接收信号电平在-65—-70dBm左右，加上施主天线增益，直放站输入端口可望接收-50—-55dBm的信号，如果直放站增益为80dB，直放站输出功率只能达到+25—30dBm。但是在实际安装中，由于铁塔高度的原因，隔离度受到限制，直放站的增益很难达到80dB以上，所以直放站的最大输出功率指标定的过高实际意义不大。
（3）反向信道接收端应具有分集接收作用。CDMA系统有严格的功率控制，处于极低的信噪比情况下工作。由于手机发射的功率要远低于基站，直放站反向信道低噪音放大器的性能好坏显得十分重要。采用分集接收有利于改善反向信道的性能。在我们对直放站的多次试验中，具有分集接收直放站的覆盖距离都大于不具有分集接收的直放站。我们还发现，正常情况（无直放站）手机发射电平很少超过+15dBm。在加入地旧调重弹站后，手机的发射功率比正常时要大很多，有时接收电平在-95—-100dBm时，手机输出就高达+23dBm。这主要是加入直放站后，反向路径信噪比恶化的原因。由于手机最大输出是+23dBm，所以直放站的覆盖主要取决于低噪音放大器的性能。
（4）直放站的重量和体积。直放站不同于基站，安装条件一般都很苛刻，大部分在高塔上作业。有些生产厂商对这一点缺乏切身的体会，对重量和体积未给予重视，对这些物理参数没有“精打细算”。一个小巧的直放站马上会给运营商带来好感，想念安装过直放站的人都有切身的体会，将一个重量超过25kg、体积庞大的直放站搬上50m高的铁塔是多么的困难。
（5）软件的操作界面要方便。直放站安装条件困难，在高塔上作业，一手攀住铁塔，另一手拿住笔记本电脑操作，其难度是可想而知。如果人机对话采用DOS方式，逐一敲进字符，则是太困难了。有的生产厂家的产品，软件设置从直放站的初步设计到直放站的现场安装高度采用流程图的形式，开始要求输入直放站和基站的经纬度，随着流程图再输入天线和基站参数，一步一步地向下进行，最后给出直放站的大致增益数值，非常方便。所有的输入参数均由下拉式菜单用鼠标进行选择，很利于现场操作。
（6）下放站应具有遥测遥控功能。直放站由于安装在较为偏僻的地区，用电话线采用MODEM遥控可能性满面春风。有的厂家给直放站配置一个手机，利用手机号码组成直放站自身的网管系统，但价格较高，当直放站数量不大时没有必要购买网管系统。最简单有效的方法是采用电缆从RS232口将遥控功能引至地面，这样每次对直放站进行检查就不用再爬塔。
（7）直放站应具有故障和告警记录功能。对直放站出现的断电，功放过载，是否出现自激等应有记录。每次故障和告警出现的时间和次数应有所统计，以便于日后维护，分析原因。
5．安装直放站需要注意的几个问题
在直放站的安装中，要注意如下一些问题：
（1）建议市区不使用直放站。并且当一个直放站可以有多个基站成为其源基站时，应选择较为偏远的基站作为源基站，直放站的施主天线尽量避免指向市区。因为如果直放站的施主天线指向多个基站或多个扇区时（多个导频），直放站会引放噪音使上述基站工作环境恶劣，还带来了不必要的软切换。
（2）加入直放站的基站，其相应的扇区PN搜索窗口应加大。在基站控制器（BSC）设置时，有一个参数是控制扇区PN搜索窗口的大小的，平时这一参数是由扇区的覆盖半径决定。加入直放站后，该扇区的电波传播延时有所扩大；相应的扇区导频搜索窗口应由扇区的覆盖半径、直放站覆盖距离和直放站自身延时共同决定。
（3）安装调试中直放站的增益和输出功率需要留有一定的储备余量CDMA系统有精确、快速的功率控制，通信时基站和手机的输出功率一直在变化。以基站为例，功放的最大输出是20W，在无用户时，只有导频、同步等信道有输出，功率仅2W多一点，相关近10dB。在正常白天调试时基站均有话音信道工作；所以调试时直放站的增益和输出功率需要留有6dB左右的余量。增益余量不足会引发直放站自激，功率余量不足使直放站过载，通信话音质量都会明显下降甚至系统瘫痪。
（4）在安装直放站的地区进行干拢源的检查。在我国，800MHZ频段不如900MHZ频段谱干净，尤其是CDMA上行频段较易受到干扰。主要原因是与广播电视的U频段接近，在城镇郊区和农村广泛使用带有放大器的电视接收天线，这类天线种类繁多，高端性能差，很容易自激形成干扰。第二个原因是直放站一般与其他设备共同安装在一个铁塔上，如果附近有280MHZ的寻呼发射机或寻呼链路发射机时要特别小心。因为280MHZ寻呼发射机功率是100W，其三倍频是840MHZ左右；寻呼链路发射机一般工作在400—420MHZ频段，功率20W，如果是选择417MHZ工作，其二倍频834MHZ正好干扰CDMA的首载频283信道。直放站的天线安装位置很高，对上述干扰的反应是敏感的，再加上它60—90dB的放大作用，大范围地扩大干扰，往往会导致周边几个基站都不能工作。
（5）要严防直放站自激。引起直放站自激的原因很多，比如温度变化引起放大器增益变化、隔离度改变、基站参数改变造成直放站输入信号增大等。调试直放站时，切不可过分追求直放站的放大作用而将增益调得过大，一定要留有余地。对于有故障记录的直放站，直放站反向信道出现自激是较难察觉的。因为直放站的前向信道一直有基站信号输入，假如直放站自激，前向放大器可能进入过载，某些型号直放站检测到放大器过载三次以后，立即关闭直放站并明确给出故障记录，很容易发现。而反向信道放大器输入信号变化极大，手机发射机并非总处于发射状态，且距离时远时近，某种情况下会引发反向信道放大器自激，但由于输入突然消失放大器又恢复正常。反向信道放大器自激时间短只有几秒，且无规律，有时好几个小时都不自激一次，极难排除故障。在安装直放站的地区，如果手机市话进行通信，手机听市话正常，而市话听手机时断时通，音质极差，有可能就是直放站反向信道放大器自激造成的。
6．直放站的工程服务
直放站和电视机或手机不同，它不是一个完整的最终电子产品，因为人们买了电视机或手机马上就可以使用，而直放站却完全不一样，如果离开了工程服务，直放站不能发挥任何作用。一个直放站能否发挥作用，直放站安装地点的选择非常重要，直放站要取得良好的效果，可以认为选址占50%，直放站自身性能占30%，现场调试好坏占20%。基站设备由于技术复杂，价格昂贵，基站的销售商往往对基站安装给予现场督导，技术人员亲自调试工通一个基站，发挥一个基站的作用。直放站技术相对较简单，价格便宜，如果直放站的销售与工程服务脱节，不重视现场安装的指导，性能再好的直放站也很难发挥作用，如果直放站自激，将适得其反，使直放站成为害群之马，严重影响原有CDMA网络的性能。我们认为直放站的工程服务应注意下面几点。
（1）虽然直放站的引入从模拟移动通信时代就已开始，至今有多年历史，但CDMA是新技术，与以往的直放站相比，CDMA直放站的应用有所不同。从事CDMA通信的企业相对较年轻。头几个CDMA直放站的安装以“交钥匙”的方式，使直放站得以充分发挥作用，用户对直放站的性能有所掌握后，才能开始以后的工作。
（2）需要有经验丰富的工程师在现场指导。直放站高空作业，条件有限，很难进行仪表测试，费工费时，并且直放站涉及大量的无线电基础理论知识，根据丰富的经验进行现场估算显得十分重要。
（3）要选择适当的天线。
（4）直放站的安装条件都很艰苦，现场工程师要吃苦耐劳。
（5）严格选择直放站的安装地点。选址的好坏对直放站的性能发挥起着举足轻重的作用。不能用户讲信号不好，就随便安装直放站，条件不具备时，不要勉强。如：导频PN较为混乱的地区、铁塔高度不足、附近有寻呼发射机工作、空中接收信号电平值小于-90dBm时都不适宜安装直放站。
（6）直放站安装完后的几个月内，要多次复查其有无自激的记录。
从某种意义上讲，直放站的工程服务比直放站自身的性能指标显得更为重要。
摘自《电信科学》
|