農話接入基站扇區(qū)化設計

摘要　主要介紹基于RASYS農話接入網基站裂化的技術，詳細闡述了扇區(qū)裂化設計要點。

0、前言

為了解決中國農村的通信問題，根據農村用戶分布廣、散，地形復雜的特點，為節(jié)省工程投資和維護成本，運營商在農村的用戶接入網主要采用無線接入方案。

目前，我國農村無線接入網絡主要采用華為、中興、大唐的無線接入設備組網，用戶已達數百萬戶。

在農話無線接入規(guī)劃設計中，根據用戶預測，對業(yè)務發(fā)展的不同階段，在無線接入側，不同小區(qū)配置不同的無線資源。隨著用戶數量不斷增長，基站容量需要相應擴容，天線系統(tǒng)也必須適當調整，常常要求對覆蓋扇區(qū)的裂化方式進行改造。

本文以華為RASYS無線接入基站為例，就天線扇區(qū)裂化情形，進行專題研究，以便在工程分期建設時，指導不同建設期之間的銜接，方便擴容、割接，從而節(jié)省后期工程投入。

1、農話接入網絡現狀

華為公司的RASYS系統(tǒng)由基站控制器（RAC）和RAU、用戶終端以及配套的監(jiān)控、網管設備組成，RAC通過標準的V5.2接口接入固網的C&C08交換機。

每個基站均通過E1電路，經傳輸網絡接入到RAC，RAC通過V5.2接口接至固網交換機，用戶端使用固定電話機。

RASYS無線接入網絡采用CDMA2000的空中接口技術，具備CDMA2000的技術特征。基站容量具備軟容量的特點，采用功率控制技術，具有軟切換功能，使用話音激活技術等。網絡結構見圖1。

圖1　RASYS系統(tǒng)網絡結構

a）基站的無線資源能力。阻塞率為5%時，單載頻有35 Erl，每用戶忙時話務量按0.03 Erl計，單載頻基站可接納1 153個用戶進行話音通信（目前低速數據通信需求可以忽略不計，估算基站容量時，以話音通信為主）。

b）基站的容量規(guī)劃。農村用戶分布廣，初期要求基站容量較小。根據規(guī)劃，一般配置單載頻，在規(guī)劃第二期、第三期業(yè)務預測時，考慮逐步擴容載頻。

c）基站的天線配置。在初期配置天線時，少部分基站選用單載頻、全向天線組網，大部分基站選用單載頻、定向天線組網。選用全向、定向天線的原則，主要取決于規(guī)劃期末用戶的發(fā)展、無線覆蓋環(huán)境以及相鄰基站的相互干擾程度等。

對于配置單載頻、使用定向天線的基站，采用功分器將小區(qū)扇區(qū)化。

2、功分器損耗及安裝設計

2.1　功分器插入損耗

RASYS單載頻基站發(fā)射功率為20 W，使用增益為10 dBi的全向天線或65°半功率角的、增益為15.5 dBi的定向天線。用戶接收端可使用兩種固定臺，室外型和室內型。其中固定臺發(fā)射功率為250mW，使用兩種增益天線：室外型固定臺使用11 dBi定向天線，室內型固定臺使用2.15 dBi全向天線。

當基站使用65°半功率角定向天線時，一般采用功分器實現天線定向扇區(qū)化。由于功分器的插入，必然增加鏈路衰減。

RASYS農話接入系統(tǒng)使用Kathrein公司的功分器。對于型號為K6320227的一分二功分器，頻率為450 MHz（380～512 MHz），上行插入衰耗為3 dB；對于型號為K6320227的一分三功分器，頻率為450 MHz（380-512 MHz），上行插入衰耗為4.8 dB，下行鏈路功分器沒有插入損耗。

對于功分器插入衰耗，按一分二功分器描述（見圖2）。

圖2　一分二功分器原理示意圖

發(fā)射方向（Tx）：端口1來自功放的功率信號經過功分器平均分配到端口2和端口3（見圖中紅色部分）。

接收方向（Rx）：圖中只標示了端口2進來的接收信號，若端口3有相同或不同的信號，分析方法相同。但若有相同信號，就會出現信號加減，信號相差較大時，可以忽略。端口2和端口3并不與50 Ω接口匹配，因此25%的信號被反射回去，25%的信號去向端口3，只有50%的信號由端口1到達接收機，因此損耗為3 dB。端口2和端口3之間的隔離度為6 dB。

同樣道理，可以推算出一分三功分器的衰耗（見圖3）。

圖3　一分三功分器原理示意圖

如上所述：一分二的功率分配損耗為3 dB，端口隔離為6 dB；一分三的功率分配損耗為4.8 dB，端口隔離為9.5 dB。

需要說明的是，圖2和圖3中功分器的功率分配比例均由設備廠家提供。

2.2　功分器安裝設計

根據農話接入容量規(guī)劃，相應的載頻配置的演變規(guī)律遵從圖4方式。

圖4　基站載頻配置演進

通常，農話接入網絡初期，配置單載頻，容納1 153個用戶進行話音通信，發(fā)展第二階段，配置二個載頻，容納約2 000用戶進行話音通信，第三階段配置三載頻，可容納約3 000用戶進行話音通信。

對于采用功分器基站，為適應規(guī)劃后期發(fā)展需要，要求功分器安裝在機房內的基站設備頂部或附近。以下討論功分器安裝在基站設備頂部或附近時的安裝設計。

2.2.1　RASYS單裁全向基站改造為雙載頻雙功分基站

如果采用S0.5/0.5方案，天線全部置換成定向天線，增加4根饋線（如果要減少割接時長，可以考慮全部使用新的饋線）。改造天饋線連接圖如圖5所示。

圖5　單載頻全向基站改造為雙載頻雙功分基站連接示意圖

2.2.2　RASYS單載頻三功分基站改造為雙載頻雙功分基站

如果采用S0.5/0.5方案，只需要改變跳線的連接方式即可完成。改造天饋線連接圖如圖6所示。

圖6　單載頻三功分基站改造為雙載頻雙功分基站連接示意圖

2.2.3　RASYS雙載頻雙功分基站改造為三載頻三扇區(qū)基站

如果采用S1/1/1方案，只需要改變跳線的連接方式即可完成。改造天饋線連接圖如圖7所示。

圖7　雙載頻雙功分基站改造為三載頻三扇區(qū)基站連接示意圖

2.2.4　S0.5/0.5、S0.3/0.3/0.3與全向基站的差異

全向基站覆蓋范圍為基站四周均處于理想環(huán)境（無障礙物），且各個方向的覆蓋基本一致，但如果采用S0.5/0.5或S0.3/0.3/0.3，則覆蓋范圍受定向天線方向圖的影響，每個方向覆蓋不再均勻，因此必須關注這種差異性。

3、定向天線和扇化增益

有3個扇區(qū)的基站，如果使用理想的120°半功率角天線模式（如圖8（a）所示），就只收到來自1個扇區(qū)的信號，從而干擾減小2/3，這樣扇區(qū)信噪比提高3倍，導致容量也可以增加3倍。

然而這只是理想狀態(tài)，實際的120°和理想的模式有一定差異（如圖8（b）所示）。同樣，使用65°半功率角天線模式和理想的模式也有一定差異。

圖8　120°扇區(qū)中方向天線的天線模式

事實上，各個扇形天線的輻射模式間總有一定的重疊，約為15%，干擾也不會準確減少3倍。更準確的扇化增益表達為

式中：

N——扇區(qū)數

——全向小區(qū)的干擾因子，=0.6

——扇形小區(qū)的干擾因子，=0.85

從而扇化增益X為2.6。

以dB形式可表示為

10lgX=10lg2.6=4.1 dB

由此可知：基站全向天線改為定向天線時，天線扇區(qū)化帶來扇化增益為4.1 dB。

4、無線鏈路空間損耗

RASYS農話接入網使用450 MHz頻率，覆蓋預測采用Okumura-Hata模型。該模型以市區(qū)傳播損耗為標準，其他地區(qū)在此基礎上進行修正。

市區(qū)的路徑損耗中值標準公式為

式中：

Lp——市區(qū)基站到固定臺的路徑損耗（dB）

f——載波頻率（MHz），范圍為150～1 500 MHz

hb——基站有效天線高度（m），范圍為30～200 m

hm——固定臺有效天線高度（m），范圍為1～10 m

d——基站到固定臺的距離（km）

Ahm——有效固定天線修正因子（dB），其值取決于環(huán)境

在郊區(qū)，標準模型可以修正為

在農村（開闊地），標準模型可以修正為

從無線鏈路空間衰耗計算公式中可以看出，無線信號在空中的衰耗主要受到信號傳播距離、傳播使用的頻率以及環(huán)境影響，而基站覆蓋的扇區(qū)分裂不會影響其空中傳播衰耗。

5、宏基站扇區(qū)裂化對鏈路預算的影響

鏈路預算分下行鏈路預算和上行鏈路預算。

對于下行鏈路預算，就是要求保證用戶終端能可靠接收基站的信號，滿足規(guī)定的誤幀率要求，主要取決于基站發(fā)射功率、饋線的衰耗、插入器件的插入損耗、基站天線增益、無線鏈路空間衰耗、終端接收靈敏度等增益和衰減。

對于上行鏈路預算，就是要求保證基站能可靠接收用戶終端的信號，滿足規(guī)定的誤幀率要求主要取決于用戶終端發(fā)射功率、饋線的衰耗、終端天線增益、無線鏈路空間衰耗、基站接收靈敏度等增益和衰減。

改變鏈路中任一個因素，都將影響鏈路預算，并很有可能影響用戶的通信，特別是網絡邊緣的用戶通信最有可能受到影響。

對于RASYS網絡已建基站，當進行宏基站扇區(qū)改造時，從以上分析可以看出，由于扇化增益和功分器插入損耗這兩方面原因，下行和上行鏈路預算將受到不同的影響。

在下行鏈路預算中，基站天線扇區(qū)化帶來扇化增益4.1 dB，雖然使用功分器，但功分器不帶來插入衰耗，功率均等分配到各扇區(qū)。

在上行鏈路預算中，基站天線帶來扇化增益4.1 dB，由于使用功分器，給鏈路帶來插入損耗，一分二的功率分配損耗為3 dB，端口隔離為6 dB；一分三的功率分配損耗為4.8 dB，端口隔離為9.5 dB。

對上行和下行鏈路預算的具體影響情況見表1和表2。

表1　農話接入基站扇化時下行鏈路預算變化情況

表2　農話接入基站扇化時上行鏈路預算變化情況

從表1和表2的結果可以看出，在農話接入網絡已建基站基礎上，對宏基站天線的扇區(qū)進行裂化，雖然使用功分器帶來了插入損耗，但CDMA系統(tǒng)在天線進行扇化后，會帶來扇化增益。上行鏈路，功分小區(qū)提高增益1.1 dB，單載頻小區(qū)提高增益4.1 dB；下行鏈路，提高增益4.1 dB。綜合效果是提高鏈路增益。

6、結束語

從以上分析可以得出結論：在進行農話接入基站優(yōu)化設計中，由于扇區(qū)化的結果是提高鏈路增益，擴大基站覆蓋范圍，因此，不必擔心會降低邊緣用戶通信概率和正常使用。