摘要 在CDMA通信系統(tǒng)的建設中,使用直放站可以擴大信號的覆蓋區(qū)域,改善通信質量,調配基站話務量。該文討論了如何在CDMA系統(tǒng)中使用直放站設備的一些考慮,從直放站產(chǎn)品的類型、特點、采用的關鍵技術、應用的模型、直放站的干擾以及解決等方面提出采用直放站對提高CDMA網(wǎng)絡性能的重要意義。
關鍵詞 CDMA系統(tǒng) 直放站 應用模型
1 概述
CDMA多址技術的原理是基于擴頻技術,即將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數(shù)據(jù)用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制,擴展原始數(shù)據(jù)信號的帶寬,再經(jīng)載波調制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼,與接收的寬帶信號作相關處理,把寬帶信號還原成信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴,以實現(xiàn)信息通信。
CDMA通信系統(tǒng)在建設前期,信號的覆蓋特性無疑是爭取用戶、擴大服務的重要內(nèi)容。基站的大容量性能可以解決容量需求問題,但要吸收更多的話務容量,以較低的成本擴大覆蓋,則必然要使用直放站。
直放站系統(tǒng)使用的目的是將通信信號的直接放大,解決延伸和覆蓋問題的。它能將很弱的接收信號線性放大,因此,可以擴大信號的覆蓋區(qū)域,改善通信質量;同時還可對不同基站的話務量進行有效的調配。應用直放站的優(yōu)點是見效快、周期短、安裝方便、不容易造成資源浪費。
移動通信直放站的設置應充分考慮以下幾個環(huán)節(jié):主要解決諸如郊縣主要公路、鐵路交通等狹長地形的覆蓋;對于基站載頻利用率不高的區(qū)域,可以通過直放站將富余的通信能力轉給需要的地方,提高設備利用率;盡量設在相對隔離區(qū)域,選擇合適的基站作為信號源,以免產(chǎn)生無線干擾。
直放站不能增加系統(tǒng)容量,卻可以彌補CDMA系統(tǒng)基站的覆蓋不足,由于價格低、安裝方便、在CDMA系統(tǒng)中采用直放站不失為網(wǎng)絡優(yōu)化的一種較好的解決方案。
因為CDMA系統(tǒng)的頻率復用率為1,直放站在CDMA系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)中的使用存在著差異。直放站的使用將與整個系統(tǒng)的性能相關,而在GSM系統(tǒng)中直放站的使用僅與幾個相關的通道性能有關。因而,合理的規(guī)劃直放站網(wǎng)絡,嚴格的工程勘測及施工對提高CDMA網(wǎng)絡的性能是十分必要的。
該文是在深入理解CDMA系統(tǒng)及直放站系統(tǒng)的基礎上,根據(jù)CDMA直放站產(chǎn)品的特點,提出的解決CDMA網(wǎng)絡延伸和覆蓋問題的系統(tǒng)解決方案。該方案充分考慮到采用直放站提高CDMA網(wǎng)絡性能時方案的合理性、完備性,在保證系統(tǒng)性能前提下的工程造介問題、工程施工問題、以及直放站的引入對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)及原有GSM網(wǎng)絡的影響問題。
2 直放站產(chǎn)品類型
基于CDMA網(wǎng)絡建設需求,可能采用以下各種類型的直放站。
2.1 不同帶寬的直放站
目前聯(lián)通新時空即將開通使用的頻段帶寬為10Mhz(下行頻率870-880MHz,上行頻率825-835MHz),單載頻使用時帶寬需求為1.23MHz。因此,所需使用設備的工作帶寬要求應符合這兩種帶寬的條件,一般情況下,室外應用的直放站多采用選頻設備,室內(nèi)分布多采用寬帶設備。
2.2 不同功率的直放站
CDMA的直放站可有各種功率選擇:1W/5W/10W/20W,不同的功率檔次適合不同的應用場合。如光纖直放站可采用大功率工作方式(10W/20W),室內(nèi)直放站則采用小功率工作方式(1W/2W/5W),室外應用的直放站設備最大輸出功率不超過10W。
2.3 不同接入方式的直放站
應用的場合不同,接入方式也有差別,主要接入方式有直接耦合和空間耦合,無線接入采取空間耦合方式,光纖/電纜等接入采取直接耦合方式,直接耦合方式可取得純度較高的信號源。
2.4 不同安裝的直放站
直放站一般分為室內(nèi)及室外安裝,室內(nèi)安裝時要考慮良好的通風,室外安裝要考慮密封環(huán)境下的防水、防潮、散熱情況。
3 直放站產(chǎn)品中所采用的關鍵技術
用于CDMA系統(tǒng)中的直放站產(chǎn)品在設計開發(fā)過程中,采用了一系列的關鍵技術以滿足CDMA系統(tǒng)的應用特性:
3.1 低噪聲電路設計技術
采用低噪聲設計技術包括低噪聲前級放大器和線性功放,主要考慮在較高接收靈敏度的情況下,使得信號具有更好的信噪比。
3.2 線性功放技術
CDMA系統(tǒng)的調制方式以及頻譜的利用率,對功放的線性度也提出了很高的要求,如ACPR、IMD3等指標均與線性功放的性能有關。
3.3 增益、功率控制技術
為了保證應用的直放站不會影響CDMA系統(tǒng)環(huán)路控制的正常工作,直放站本身必須具備增益、功率調整控制技術,這種調整可以是現(xiàn)場的,也可以是遠端的。
3.4 收發(fā)雙工技術
通過雙工器可以使直放站、下行收發(fā)天線共用,便于工程施工,減少工程造價,當直放站采用分體機結構時,使用雙工器可以更方便的使前后端匹配。
3.5 濾波技術
CDMA系統(tǒng)上下行頻率相隔45MHz,為了避免直放站設備內(nèi)部形成環(huán)路自激,保證設備穩(wěn)定工作,放大鏈路需有足夠的濾波電路,對于需要嚴格控制帶寬的設備(如選頻型),還要采用變頻、中頻SAW濾波等技術。
3.6 光傳輸技術
光纖直放站利用光纖進行信號的傳輸,需要RF信號與光信號轉換單元,以及光波分復用、光耦合及光功率分配等技術。
3.7 集中控制管理技術
為了便于設備的維護管理,直放站內(nèi)部應具有較為完善的智能管理單元,以提供遠程的遙測、遙控功能,并可定時上傳狀態(tài)信息,故障自動告警等。
3.8 多頻合路、多模兼容技術
在室內(nèi)分布應用的情況下,要考慮同已經(jīng)安裝的其它室內(nèi)分布系統(tǒng)(如GSM)的兼容工作,這需要用到多頻、多模兼容技術。
4 直放站產(chǎn)品的系統(tǒng)解決方案
4.1 應用原則
根據(jù)直放站系列產(chǎn)品的特點和CDMA系統(tǒng)的需求,不同的地理環(huán)境及應用場合,系統(tǒng)的解決方案是不同的,這需要認真分析,區(qū)別對待。
對于無線直放站來說,信號的隔離顯得尤為重要。無線直放站是從空間接收信號,勢必要求空間信號盡可能純凈;而在基站較為密集區(qū)域,分離不同基站或扇區(qū)信號的難度將大大增加,容易使直放站增加對基站干擾。所以在基站較為密集區(qū)域,建議盡量采用有線信號的引入方式,比如光纖直放站。在不具備使用光纖直放站條件的場所,只能采用無線直放站,但其施主天線必須具有足夠的方向選擇性。
針對各類地區(qū)及應用場所,由于基站的密集性、用戶話務量等不同,建議采用如下直放站的應用原則:
*城市密集區(qū)
由于用戶量大,基站數(shù)量較多,一般不存在大范圍的信號盲區(qū),直放站只是用于解決小范圍區(qū)域的補盲以及建筑物內(nèi)的信號覆蓋。
在光纖到樓尚未普及的情況下,需采用無線直放站:隨著建筑物的增多,所需的直放站數(shù)量也會隨之增加,就會出現(xiàn)一個基站配置多臺直放站的情況。
直放站的引入必然對基站產(chǎn)生干擾,干擾會隨著直放站數(shù)量的增多而加大,特別是大功率直放站的引入,會使系統(tǒng)干擾明顯加劇。因此,在城市密集區(qū)應當采用小功率(1W以下)直放站。
*城市邊緣
在CDMA網(wǎng)絡建設初期,由于基站數(shù)量較少,可以采用大功率的無線或光纖直放站。
城市邊緣地區(qū),主要是解決信號覆蓋問題。在已印鋪設光纖的地區(qū)最好采用輸出功率為10W的光纖直放站。
無光纖資源時,可利用無線直放站進行延伸覆蓋。采用方向性好的施主天線提取較為純凈的源信號,輸出功率為5W/10W,等同于基站的輸出,達到較好的覆蓋效果率。
*郊區(qū)、鄉(xiāng)村
郊區(qū)、鄉(xiāng)村主要是解決覆蓋問題。在鋪設光纖的地區(qū)最好采用大功率光纖直放站(10W/20W)擴大覆蓋范圍。
對于無光纖資源但又能收到基站信號的地區(qū),可采用無線直放站解決覆蓋問題。特殊情況下,還可采用移頻直放站來增加覆蓋距離。
4.2 應用模型
為了使直放站在CDMA系統(tǒng)中的應用更具有指導意義,下面提出了三種典型應用模型作為參考。
*無線直放站的應用模型
*光纖直放站的應用模型
*室內(nèi)分布系統(tǒng)的應用模型
5 干擾及解決方法
5.1 直放站對CDMA系統(tǒng)的干擾
在CDMA系統(tǒng)中直放站使用不僅可以消除盲區(qū),而且還可以延伸基站的覆蓋范圍。但是,直放站的使用也會對CDMA系統(tǒng)產(chǎn)生下述的干擾問題:
*噪聲疊加
上行鏈路中直放站的使用使CDMA系統(tǒng)的噪聲疊加,基站的接收靈敏度下降。
*使原基站覆蓋范圍縮小
CDMA直放站的使用所引入的噪聲,導致基站系統(tǒng)的接收靈敏度下降,從而引起上行鏈路覆蓋范圍的收縮。通常情況下,在郊區(qū),當上行鏈路中由于直放站使基站的噪聲電平提高2.1dB時,上行鏈路的覆蓋范圍將收縮13%。因而,CDMA系統(tǒng)中,直放站的架設位置不能處于原小區(qū)邊緣。
*下行鏈路的導頻時延
在CDMA系統(tǒng)中使用直放站會產(chǎn)生定時時延和信號延時擴散,如果時延較大,將使CDMA系統(tǒng)導頻碼的相位發(fā)生變化,產(chǎn)生掉話等。
在存在雙重覆蓋區(qū)域的情況下,來自直放站和基站信號的多徑傳播導致接收端的延時擴散。為了減少多徑干擾,應慎重選擇直放站的站址,使雙重覆蓋所產(chǎn)生的時延在一個時間窗之內(nèi);另外可以調整基站的時間窗,使系統(tǒng)導頻信號不產(chǎn)生混亂。
5.2以系統(tǒng)容量的影響
任何能夠改變基站接收端信號電平或干擾電平的因素,都對系統(tǒng)的容量產(chǎn)生影響。
下面分幾種不同的情況分析直放站引入對CDMA系統(tǒng)容量的影響:
A、CDMA系統(tǒng)容量
比特能量與總的噪聲功能譜密度之比:
Eb/No=PG/(V*(N-1)*(1+Iother/Iself))
系統(tǒng)容量:
N=1+PG/(V*Eb/No(1+Iother/Iself))
其中:PG=21dB 為CDMA系統(tǒng)處理增益,V為話音激活增益,通常取0.4。
Iother來自于其它小區(qū)的干擾,Iself自身小區(qū)的干擾假設系統(tǒng)要求Eb/No=10dB。
單小區(qū)系統(tǒng):
對于單小區(qū)系統(tǒng),來自于相鄰小區(qū)的干擾為零,即Iother/Iself=0,代入得系統(tǒng)容量N=32.5。
多小區(qū)系統(tǒng):
多小區(qū)無直放站的系統(tǒng)容量取決于相鄰小區(qū)的干擾情況。
。隆惭bCDMA直放站時的系統(tǒng)容量
單小區(qū)有直放站:
單小區(qū)有直放站時,因為Iother/Iself=0,系統(tǒng)容量不變。
多小區(qū)有直放站:
多小區(qū)有直放站,分以下兩種情況進行討論:
移動臺位于小區(qū)邊緣與直放站之間的情況下,因為直放站的作用,相鄰小區(qū)移動臺的發(fā)射功率減小,因而來自相鄰小區(qū)的干擾減小,即公式中Iother/Iself減小,因而系統(tǒng)容量增加。
移動臺位于基站與直放站之間的情況下,當直放站位于基站與直放站之間,因為直放站的增益,使得對相鄰小區(qū)的干擾增加,通過分析可以得到該項的影響較弱。
多小區(qū)安裝直放站的情況下,對于相鄰小區(qū)干擾主要來自本小區(qū)邊界的用戶,采用直放站后,這些用戶發(fā)射功率減小,降低了相鄰小區(qū)的影響,使系統(tǒng)容量得以增加。統(tǒng)計表明,通常情況下,Iother/Iself可降低12%-6%,容量增加2-3個用戶。
綜上所述,對于單蜂窩系統(tǒng),直放站的使用可在保持原有容量的前提下,增加覆蓋范圍;對多蜂窩系統(tǒng),直放站的使用不僅可以增加覆蓋范圍,還可使系統(tǒng)容量略有增加。
5.3 基站每扇區(qū)可帶直放站的數(shù)目
假設基站和直放站的噪聲系數(shù)均為5dB,經(jīng)過有關計算,可得到以下結論:
對于直放站的輸出功率為100mW(20dBm)時,加入60臺直放站后,將引入2dB的附加噪聲。
對于1W(30dBm)的直放站,加入10臺,將引入2dB的附加噪聲。
對于10W(40dBm)直放站,加入1臺直放站后,將引入1.5dB的附加噪聲,加入4臺直放站,將引入4dB左右的附加噪聲。
6 直放站設計中的其它因素考慮
CDMA網(wǎng)絡中應用的直放站不僅要保證良好的線性、較高的抗干擾能力,也要兼顧在安全性、可靠性、可擴展性及可行性方面的考慮。
在設計/開發(fā)直放站系列產(chǎn)品時,安全性方面的措施包括:設備安裝時的防盜、防撬、防破壞,室外設備的防水、防濕、防高溫、防嚴寒能力;在軟件操作方面,多層分級授權密碼管理也保證了網(wǎng)管系統(tǒng)不易受到外部侵擾和破壞。
在研發(fā)、生產(chǎn)、工程整個流程執(zhí)行規(guī)范的質量管理體系,尤其是嚴格的技術指標、例行試驗、高溫老化等一系列措施,以確保整機設備的高可靠性。
CDMA直放站設備是在GSM網(wǎng)中大量應用后才開始應用,因此,CDMA直放站設備應具備同GSM網(wǎng)兼容的能力。在系統(tǒng)兼容擴展方面,不僅可以應用于單載波、多載波,還可以在不同的網(wǎng)絡上兼容GSM900、GSM1800等其它通信系統(tǒng)。
節(jié)選自《無線電工程》2001.12