贵州省移动通信公司遵义分公司建维部 杨柳
随着我国移动通信事业的飞速发展，移动通信用户量正在不断地增加，以至蜂窝小区规划越来越小，基站位置越来越低；另一方面，随着城市建设的高层化，高层建筑正不断涌现，由于无线传播的阴影效应，在这些高层建筑的背后或中间常形成移动通信信号的盲区。对于GSM网络覆盖而言，在农村地区，基站的覆盖与容量之间的关系存在突出的矛盾。主要表现在容量有余而覆盖不足，导致大量的农村地区采用单载频基站，由于农村地区地域广阔，基站往往采用高架（杆）塔方式，导致基站建设成本增加。另外，天线高架以后也导致RF传输线损耗加大，天线输出的功率进一步下降，基站的覆盖也进一步下降。
根据上述特点，随着网络优化的逐渐加深，GSM基站的覆盖特性也向着两个方向发展。
一是GSM基站向着小范围覆盖方向发展。这类基站主要集中在城市或用户量大的区域，主要工程反映在微蜂窝基站及室内分布系统的建设。
二是GSM基站向着大范围覆盖方向发展。这类基站主要集中在农村或边远山区，主要工程都集中在尽量扩大基站的覆盖范围的工程上。但在覆盖乡村及边远地区的建设中，移动运营商难免遇到下述两个难题。
1．多数乡村及边远地区经济较为落后，移动用户数量少，话务收入相应也低，如果通过大量建设基站的方法解决信号覆盖问题，其间所产生的巨额投入无疑很难在短期内收回。
2．多数乡村及边远地区地形复杂，环境恶劣，基站选址难度大、施工周期长，日后维护保养也成问题。
针对上述面临的广覆盖、低话务、投资收益低等特点，提高基站发射功率无疑是农村及山区覆盖的最佳选择。基站覆盖延伸系统正是在这样一种前提下提出的有效解决基站大范围的一种有效方案。
一、覆盖原理
GSM基站覆盖延伸系统（基站双放系统）由基站功率放大器和塔顶放大器组成，它的实现是通过在基站机房内加装大功率超线性选频功率放大器来放大下行信号，提高信号对遮挡物的穿透性，加深基站下行信号覆盖范围，以到达扩大基站覆盖区域的目的；并且在接收系统前端增加塔顶放大器来配合基站功率放大器提高上行接收灵敏度，解决基站上下行链路平衡，同时达到降低基站上行噪声、提升上行增益，改善基站接收性能的目的。
根据自由空间电磁传播理论，自由空间中电波传播损耗只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大一倍时，电波传播损耗将分别增加6dB。
Lfs(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)式中，Lfs为自由空间电波传播损耗。
但是在实际应用中，由于传播路径引起的信号损耗是非常明显的。应综合考虑传播路径中的地形修正因子引起的信号强度非正常衰减。为了防止因衰落（包括快衰落和慢衰落）引起的通信中断，在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，以使掉话率小于规定值。这种电平余量称为衰落储备。衰落储备的大小决定于地形、地物、工作频率及要求的通信可靠性（接通率）指标。
基站功率放大器系统在不改变基站原有设备的基础上，使基站的发射功率由20～40W左右增加至200W，这样就大幅提高了基站电平的衰落储备，使原有服务区域内的用户可以更加自由的进行移动通信。同时，根据自由空间电波传播损耗，衰落储备的增加，在频率f不变的情况下，使覆盖距离d增加。
以基站原覆盖半径7km为例，若下行信号增加12dB，由以下计算可得：
安装前： Lfs(dB)=32.44+20lg7(km)+20lg900(MHz)
=108dB
覆盖面积S1=πr12=154km2
安装后，下行信号如果增加4dB，则相应的传播信道衰落储备增加4dB，达到112dB，由计算可得，d=10.56km。
安装前后覆盖距离扩大了3.56km，
覆盖面积S2=πr22=351km2
覆盖面积增加了128%。即安装基站功率放大器后，原基站覆盖范围增加了一倍以上，如图1所示。
图1 基站功率放大器安装前后基站覆盖范围示意图
二、系统特点
该系统相比单纯使用塔顶放大器而言，克服了只提高基站上行接收灵敏度，对覆盖无多大改善的弊端，将移动基站的性能发挥到最大限度。它最大的特点是直接利用原有天馈系统，无须改动基站原有结构。由于GSM基站的覆盖范围得到扩大，一方面它可使正在建设的基站数目减少，另一方面用在已建好的基站上使用，以加大基站功率，增强穿透性，减少建筑物对信号阻挡造成的盲区，从而使现有网络的覆盖质量提高。
该系统相比单纯利用双时隙技术以到达覆盖距离增距而言，当然在距离上仍有差距，技术实现上则相对较为简单，操作较为简便，技术要求较低。但如果两者能够有机结合使用，相信无论在覆盖距离上，还是在覆盖质量上都能有机统一，互相促进，收到易想不到的效果。
三、系统优点：
1.扩大信号覆盖的范围
如基站功率放大器安装前后基站覆盖范围示意图所示。目前，基站的发射功率一般在20~40W之间，覆盖半径相对较小，不足7km，若采用基站功率放大器（上行结合塔顶放大器），就可以在每发射通道得到200W(53dBm)的发射功率，上行信号经塔顶放大器放大后增加12dB左右，将基站覆盖范围扩展到15~30km以内，从而可以大大减少基站数量，使综合投资大幅降低。大大优化了业务量较少的边际网地区的网络覆盖指标，从而达到少建基站、节约成本、降低工程难度的目的。
2.深化信号穿透深度,改善弱信号或无信号地区的信号强度
一般而言，蜂窝移动通信GSM900频段建筑物中值穿透损耗约为6-20dB，该数据与城市化参数、建筑物高度、密度有关，穿透损耗还随频率的增高而降低。可见，在同样距离条件下，建筑物的室内电平比室外低得多。测量和实践表明，安装基站功率放大器后，可以大大改善下行信号的传输质量，提高弱信号或信号盲区的信号电平，解决部分室内覆盖问题，提高高话务量小区的通话效率。
3.降低手机发射功率，改善电磁环境
在弱信号或信号盲区，由于下行信号电平不够，手机接收能力变差，为维持通话，必须加大手机发射功率，从而造成手机耗电量加大，手机与手机之间的干扰加大，电磁环境变得恶劣，从而使网络质量有所降低。而采用基站功率放大器，上下行可以达到良好平衡，原来覆盖不好的不能拨通电话的，现在可以通了，手机发射功率也可以下降2-3倍，从而节省电池电量，减少干扰，静化电磁环境，达到改善电磁环境的目的，提高网络通信质量。
4．降低掉话率，改善通话质量
移动基站的掉话大部分是无线接口的掉话。塔放最根本的技术原理是降低基站接收系统的噪声系数，提高了基站接收灵敏度，这对改善无线接口的掉话是非常有益的。加装塔放的基站，由于其上行接收电平得到加强，所需的手机发射功率可以降低，这不仅为手机用户带来节省电池和减少辐射的好处，更重要的是它有效降低了上行链路的同频和邻频干扰，尤其在移动用户数高速增长、手机干扰越来越突出的今天，降低手机输出功率的意义就尤为突出。随着下行电平提高，原有通话质量较差地区的下行电平得到改善，由下行信号较弱导致的掉话将会明显降低。同时，由于上行塔顶放大器的安装，使由馈线引入的噪声降低，改善上行信号质量，在最大限度上改善整个网络的通话质量。
5．增加话务量，节省费用，提高经济效益，增加收益
加装基站功率放大器的基站由于有效覆盖范围扩大，不需要增加新的基站即可覆盖更加多的空间，可节省移动网建设资金，同时降低网络维护的成本。同时相应地提高了无线资源的有效利用率，容纳更大的话务量，用户群增加。从而提高了经济效益。其对话务量的影响，是体现其经济效益的直接原因。因此，运营商取得的经济效益也会显著增加。
6. 工程周期短，见效快
由于仅需加装基放和塔放，不需要进行任何基建投资和进行基础工程建设，只要将基放和塔放串接在基站和天线之间即可。工期短，效果在短期内即有成效。
7.提高运营商的商业信誉和竞争力
基站功率放大器安装后，网络覆盖范围将明显增加，同时，通话质量和掉话率得到改善，用户投诉减少，这就大大增加了用户对移动运营商的信任度，从而为运营商赢得更多客户，增强运营商的竞争实力。
四、系统组网模式，工作方式
1．组网模式
根据对载频发射功率进行放大的目的，目前在双向塔放系统组网方式中存在两种组网模式。
（1）在BTS设备内接TRE板，通过功放设备后经AN级进行放大的模式。这种方式简单的利用发射功率放大的原理，设备要求不高，是最初期的一种功放模式。由于存在原基站设备部分性能缺失，改变并降低原设备性能的缺点，目前业内不建议采用此种方式。其连接示意图如下：
（2）在不改变原设备性能的基础上，在设备之外，从AN接入，通过塔放及功放设备进行放大的模式。由于不影响原基站设备的性能，目前在业内普遍采用。其连接示意图如下：
3．工作方式
按塔放设备接入方式可分为单工塔放和双工塔放两种方式。
按功放设备接入后工作方式又分为一对一放大和一对多放大两种工作方式。其中一对一工作方式指一个功放模块对一个载频进行放大，虽然设备数量多，价格高，扩容不便，但性能相对稳定，对放大后通话质量及信号载频均能保证，目前业内多采用这种方式；一对多工作方式指一个功放模块对一个或多个载频进行放大。虽然设备数量少，价格相对经济，但由于基站载频数多，信号虽能保证（指BCCH），但通话质量较差，通信指标难以保证，一般不建议使用。
五、系统实用范围及使用建议
根据我们在不同环境下的实验结果及理论推算，基站覆盖延伸系统比较适用于以下几种情况。
1．远离繁华城区，地广人稀的平原，海域，盆地，水域，地势起伏不大的风景休闲度假区等；
2．对高速公路、铁路等呈带状分布需继续加大定向覆盖效果的地区；
3．复杂地形地貌、公路沿线分布的散落村镇，距基站较远覆盖差的居民定居点等；
4．基站周围话务量无明显增加，但用户活动半径较大的地区；
5．覆盖效果差，接通率低，掉话率高，切换成功率低，和通话效果差的城镇特殊地区。
根据我们在不同环境下的实验结果及理论推算，提出如下使用建议。
1．在考虑投入产出比的情况下，建议运营商将基站双向放大系统使用在载频数量少，周边地理环境尽可能开阔的公路沿线站及农村乡镇站，便于加大信号覆盖强度，扩大覆盖范围，增加业务收入，减少掉话，提高切换成功率。
2．在上该系统时，充分考虑设备电源接入方式，避免电源容量紧张导致主设备掉电。
3．严格塔放设备及功放设备的防雷接地安装工作，避免雷电对基站设备及双放设备的损伤。
4．充分考虑基站延伸系统的监控工作，作好设备的早知早发现，避免新的用户网络投诉，以便充分发挥该系统的功能。
5．考虑到电器制造业向小型化，集成化，智能化方向发展，建议相关设备生产厂商将设备制造得更为小巧，轻便，防水防雷，散热性，功率转换能力，监控性能更高更好。
总之，合理正确地使用基站双向放大系统一定能给运营商及广大用户带来移动通信的新篇章。最后，真诚感谢相关双放设备厂商对我们工作的支持。
----《通信世界》
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