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浅谈移动通信网的广域深层覆盖
 
慧聪网   2005年12月13日13时56分   信息来源:通信世界网    

  随着社会的发展,移动通信市场也在迅速发展,移动用户数量激增并且分布范围越来越广,用户对网络质量的要求逐步提高。因此,移动通信网络的覆盖范围和服务质量越来越被运营商所关注,如何充分利用现有网络吸纳更多的用户,以较低的投入创造较大的效益是值得我们考虑的。

  通过10余年的建设,移动通信网日趋完善,大部分重点和热点区域都有了较好的无线信号覆盖,这些区域由于成熟较早,用户群相对稳定,对网络质量也有了较大的认同感。而广阔的乡村区域由于用户较分散、单位话务量较低,基站密度较小,相对而言覆盖效果和通话质量均较差。近年来,话务量增长了4倍多,市区、县城、乡村的话务分布比例由50%:25%:25%演变为30%:26%:44%,这说明乡村区域蕴藏着很大的发展潜力。

  随着乡村区域用户的增多,有关网络覆盖和信号质量的投诉也大大增加,用户需求与网络质量之间的矛盾日益凸现,通过话务分析和测试分析,我们发现市区、县城、干道、富裕乡镇等人员密集区域由于基站较多,再辅以室内分布系统和小区分布系统,平均覆盖面积达到(0.8~4)平方公里/基站,网络有效覆盖率和信号质量都比较好,基本满足用户室内外的正常通信需求;而乡村区域的信号覆盖面积为(30~140)平方公里/基站,在近站点和公路等开阔区域信号覆盖良好,但有些2~3公里外的大村庄内覆盖就很不理想,北方的村庄树木较多、以平房院落为主、房屋密集且墙体较厚,无线信号的介质衰耗、慢衰落现象都很明显。由图1可以看到较近的村庄距基站不到3km,村庄较大且较为富裕,下行信号强度在村外为-70dBm左右,在村内街道上已经达到-90dBm,部分院落和室内区域为信号盲区,我们把这类问题归结为广域深层覆盖问题,即距基站一定范围内较大村庄的有效覆盖,对移动通信来说这是一个共性问题,对市场发展影响较大。


  

图1  G网下行电平路测图

图1  G网下行电平路测图

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    众所周知,在自由空间传播条件下,传输损耗PL(dB)=32.45+20lgd(km)+20lgf(MHz),可见PL仅与频率f和距离d有关,该点的下行信号强度P(dBm)=Pt+Gm-PL,其中Pt为天线口输入信号强度,Gm为天线增益。实际上移动通信是工作在复杂的多径传播环境中,传输损耗PL要根据环境的不同增加相应的修正因子。因此为了提高信号强度P,就要设法提高Pt、Gm和降低PL,同理为了提高上行信号强度,就要提高基站接收灵敏度、天线增益和降低传输损耗。广域深层覆盖问题的实质就是待覆盖区域内信号电平较弱的问题,这使得手机接入困难、通话质量较差,没有主用信号,手机在几个波动的弱信号间频繁切换和重选。

    根据不同的需求和位置环境,广域深层覆盖有多种解决方案,大致分为调整优化参数和工程参数、增加附属器件、增加基站主设备三类,它们都是建立在现网设备和天馈系统正常运行、频率规划合理无误的基础之上,下面就对这三类方案进行逐一探讨。

    一、 调整优化参数和工程参数的方案

    1.BSC数据库中有许多与优化相关的控制参数可以适当调整,如载频功率等级、允许接入的最小接收电平(RX_LEV_ACC_MIN)、RACH最小接入电平、切换和功控相关参数等,但在常规情况下,优化参数的调整对广域深层覆盖这类问题帮助不大,因为这种区域主要是信号强度较弱,虽然像G网中的无线链路失效计数器、SACCH复帧数、T200定时器等参数的调整会对指标进行提升,但对用户而言并没有实质的改善,这里不做讨论。

    2.天线工程参数的调整包括挂高、方向角和下倾角等方面,对较近距离的广域深层覆盖会起到一定的作用。根据Okumura传播模型,覆盖距离随天线挂高的升高而扩大,在本地CDMA建网初期由于基站设备与GSM网基站共址且G网天线多位于上平台,故C网天线挂高较低而影响覆盖效果。

    3.近年来推出了电调下倾、高增益、公路兼顾村庄、带零填充、组合天线等多种新型天线,将能量范围进行有效调整,从而适应不同环境的覆盖需求。

    一旦基站铁塔建成,天线挂高基本也就确定了,调整的余地有限,而且随着小区分裂的加剧,天线挂高过高会增加信号重叠区域、出现越区覆盖现象而影响通话质量;方向角的调整只是改变了天线水平波瓣的覆盖方向,在这些区域信号得到加强的同时势必会造成有些区域的信号减弱,同时使得小区间信号重叠不均衡而影响切换性能,并考虑到原主瓣方向用户的感受,进行权衡处理;替换天线一定要结合使用环境,按照具体需求来选择,不同类型的天线实质上是对增益进行特定转移,要综合考虑覆盖、呼损、干扰和网络质量等因素。总体而言参数调整方案实施及调测最简单,时效性最强,投资很小,相对来说对广域深层覆盖起到的效果一般,但投入产出比较高。

    二、增加基站附属器件的方案

    增加基站附属器件的目的是为了增强上下行信号强度,从而延伸小区的有效覆盖范围,工作在双工方式的移动通信系统,其小区有效覆盖范围是由上下行链路中最弱的一方决定的,因此通过优化上下行链路之间的平衡关系,可以达到较为理想的有效覆盖范围并保证区域内的通话质量,在使用附属器件时也要考虑到这一点。为解决广域深层覆盖问题,常用的附属器件有塔放、基站放大器和直放站等。

    1.塔顶放大器

    塔顶放大器是安装于基站塔顶靠近天线侧的一种低噪声放大器,使天线所接收到的较弱上行链路信号在通过馈线损耗衰落进入基站之前进行放大,有效改善接收信号信噪比,从而降低系统的噪声系数,提高基站小区接收灵敏度。系统的噪声系数NF=(Si/Ni)/(So/No),即系统输入信噪比与输出信噪比的比值,对于多级串联系统NF=NF1+(NF2-1)/G1+……+(NFn-1)/(G1G2……Gn),其中NFn为第n级噪声系数,Gn为第n级增益。因此安装塔放前后的系统噪声系数NFSYS分别为:

    NFSYS=NFcab+(NFBTS-1)/Gcab

    NFSYS=NFTTA+(NFcab-1)/GTTA+(NFBTS-1)/GcabGTTA

    其中,NFcab、NFBTS、NFTTA分别为馈线系统、基站设备、塔放的噪声系数,Gcab、GTTA分别为馈线系统、塔放增益。按常规假设NFTTA=2dB、GTTA=12dB、NFBTS=5dB、NFcab=2dB、Gcab=-3dB(对于55m左右天线挂高),不难看出,安装塔放后NFSYS显著下降,即基站接收灵敏度明显提高(3倍以上,馈线损耗较大的更加明显)。因为塔放适合安装于上行受限的基站,因此在馈线较长、上行信号偏弱的基站采用塔放可以较明显的改善广域深层覆盖和覆盖区边缘的上行接收灵敏度,实现上下行链路平衡,从而提高通话质量。另外由于上行接收电平得到加强,手机的发射功率也可以适当降低,起到了省电和减少辐射的作用。如郊县某基站1小区为40W单载频配置,天线挂高55m,主要用于覆盖公路和几个乡村,距相邻基站9km,区域内有部分丘陵地带,常出现单通和掉话现象,经测试分析主要是由于信号反射引起上行强度较差,安装12dB增益的上行塔放后该处上行强度得到保证,降低了上行信号误码率,改善了上行质量,手机发射功率得到降低,上行功控边缘扩大了2公里,并扩大了覆盖范围,切换次数明显减小,TCH话务量由0.51Erl增加到1.42Erl。

    在一些基站密度较低的区域,用户比较分散且话务量较小,基站的作用以广覆盖为主,此时上下行功率不足便成为制约扩大覆盖的瓶颈,在增加基站上行增益的同时必须增大下行发射功率,于是上下行双向塔放应运而生,它在以低噪声放大器增加上行增益的同时,采用高功率选频放大器,将从馈线接收到的下行信号进行超线性放大(一般放大数倍),然后输出到天线向空中发射,从而使基站的上下行链路达到新的平衡点,更为有效的扩大了基站的覆盖范围、加强了广域深层覆盖的效果。如我们使用的部分G网微基站,配置为单载频全向站,载频输出功率8W,经实测到40M高的天线端口其发射功率仅为3.6W,受环境影响覆盖范围较小,村庄内信号较差,我们对此站安装了上下行双向塔放,其输出功率调整为23W,上行增益12dB,开通后效果非常明显,B和A之间为村庄,广域深层覆盖良好。对比结果参见表2。

  

表2 G网微站上下行双向塔放开通前后对比结果

表2 G网微站上下行双向塔放开通前后对比结果

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    2.基站放大器

    因宏基站载频发射功率一般为20W到40W,小区扩容简便,此时若安装上下行双向塔放,下行功率的放大效果就比较小了,扩容也较困难,而且有源器件安装于塔顶,对环境要求较高,维护不便。所以对于需要扩大有效覆盖范围的宏基站可以将基站放大器和上行塔放配合使用。基站放大器置于基站机房内,对输入的基站下行信号进行超线性放大,然后输出到天馈系统,其输出功率为60W到200W,可对1到4个载频进行信号放大,配合上行塔放对基站小区接收灵敏度的提高,起到非常明显的效果。如郊县某C网基站3小区机顶发射功率20W,天线挂高50m,距相邻基站较远,村庄较为散布,村内信号很弱,用户投诉较多,故对该小区安装了基站放大器和上行塔放,基站放大器输出功率为100W,上行塔放有12dB增益,在不改变天线下倾角、方向角的情况下进行了对比测试(见表3),开通后该小区全天话务量均值由17.62Erl上升到52.075Erl,全天话务掉话比均值由59.14分钟提高到62.92分钟,有效覆盖距离扩大了2公里,同时较好的解决了广域深层覆盖问题。

  

表3 C网基站放大器开放前后指标对比

表3 C网基站放大器开放前后指标对比

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    再如G网某郊县基站周边基站稀疏,村落较为密集,农业发达,其它移动运营商在此区域信号较弱,随着该区域副业的发展,用户需求增大,先后对该基站进行了全向改定向、单载频改双载频(使用EDU双收双发方式)等优化调整,提高了通话质量和话务容量,近期随着用户的快速增长,村庄特别密集的1小区覆盖范围内的广域深层覆盖问题凸现,引发几十次用户投诉,经实地测试村庄中的确存在室内信号很弱的现象,但出村后信号恢复正常,而且此处地势高低不平,为达到深层覆盖的目的,在1小区安装了基站放大器,将40W载频功率放大到150W后向天馈系统输出,同时上行塔放提供12dB的增益,效果也比较明显。对于TA在6到9范围内的成片村庄,平均下行电平值由-90dBm提高到-78dBm,通话质量良好,深层覆盖得到加强,测试结果如表4。

   

表4 G网基站放大器开通前后指标对比

表4 G网基站放大器开通前后指标对比

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    3.直放站

    直放站用于基站覆盖范围的延伸、深层覆盖的加强、填补盲区、提高网络的接通率和通话质量。直放站通过在目标区域放大基站上下行链路的信号强度来有效增加基站的覆盖面积,根据所用滤波器带宽的不同可将直放站分为宽带放大型和选频放大型;根据供电方式的不同可分为太阳能直放站、交流供电和直流供电直放站;根据中间传输链路的不同可分为无线直放站、光纤直放站和移频直放站。光纤和移频直放站均由位于施主基站的近端设备和位于目标区域的远端设备组成,近端设备将从基站施主小区耦合出的射频信号通过光纤或微波(非当前工作频段)传送到远端设备,再将传送信号转换为同样的射频信号经天馈系统辐射目标区域,上行信号的传送遵从相同的原理,因此它们与无线直放站相比,具有抗干扰能力强、不受天线隔离度限制、选址灵活、覆盖区域较大等优势,但受到传输距离(功率损耗)、传输方式(有无光纤或有无阻挡)、级联(串接)、远端数量(并接)等方面的限制。

    直放站在布放时要注意组网方式、传输指标、信号环境、频率误差、增益范围、带内波动、噪声系数、前后端隔离度、时延、杂散辐射、互调衰减、搜索窗口、手机发射功率等问题,若调测不好会对现网产生较大的影响。

    如距郊县某G网基站3小区方向5公里外有一片较大村庄,无主用信号覆盖,信号较弱切换频繁通话断续,部分区域为信号盲区,但近来产生了较多用户需求。为尽快解决覆盖问题,在该村规划了一套G网移频直放站,位置接近目标区域中心,建设一座35m高轻型塔,施主天线挂高25m,采用24.5dBi增益的栅网抛物面天线,使用1800MHz频段传送施主基站3小区900MHz射频耦合信号,重发天线挂高32米,通过功分器挂接3面90度水平半功率角、17dBi增益的定向天线,方向角分别为0、120、240度,下倾角3度,直放站近端采用30dB大功率耦合器,远端下行输出功率10W,上行增益最大60dB(可调)。可以看到直放站开通前后广域覆盖和深层覆盖均得到很大的加强,该区域有了稳定的主用信号。

    上行塔放适合小区覆盖上行受限的区域,双向塔放适合扩大微基站的有效覆盖范围,基站放大器对目标小区的整个覆盖区域进行了上下行信号的有效增强,适合小区覆盖范围内的广域深层覆盖和用户较为分散的区域,直放站可以对目标小区中特定的区域进行信号放大,或解决较远距离处的小区延伸覆盖,信号放大效果最好。塔放和基站放大器均与基站共址,施工和调测较为简单,时效性很强,维护较为容易,设备投资相对较多,因采用基站动力设施可以与基站同步工作,而直放站因为要另外选址施工,设备和配套投资均较大,建设周期较长,调测较为复杂,动力不能得到有效的保证,施主基站或直放站的不正常工作都会影响到目标区域甚至其它区域用户的正常使用。采用增加基站附属器件的方案对广域深层覆盖可以起到较好的作用,但只是有效放大了小区信号,不会增加小区容量,一旦小区话务拥塞还是要对基站进行扩容,同时监控效果一般,投入产出比较好。

    三、增加基站主设备的方案

    对于基站密度较小、用户发展较快、覆盖效果较差的区域应该逐步建设新的基站,以获得稳定的无线信号、拥有相应的话务容量、解决广域覆盖和深层覆盖问题,同时这些基站还可以作为施主源下挂基站附属器件,有效扩大覆盖范围;根据实际情况对现网基站实施工程改造,如布局严重不合理的基站进行合理搬迁、全向站改定向站、微基站的微塔替换为大塔以替换成宏基站并提升天线挂高等,以发挥基站应有的作用,扩大有效覆盖范围;对于拥塞小区虽然不是覆盖问题,但覆盖范围内的用户会因为无信道可用而占用较远基站的小区信号从而导致覆盖问题投诉,因此应及时扩容,同时注意选用合路损耗小的器件以免扩容后覆盖范围的减小(可采用小区的两根馈线双收双发方式)。这些方案因经常采用这里不再复述,对于新建基站一定要做好前期的规划工作。

    增加基站主设备可以有效的解决广域深层覆盖问题和容量问题,作为独立运行的基站,对其重视程度、维护力量、监控效果和环境适应性都是最强的,因此覆盖效果和质量是最好的,但设备、铁塔、土建、动力、传输等诸多工程投资无疑又加大了运营成本,同时工程周期较长使得时效性较差,投入产出比与市场预测和网络规划有很大关系。

    解决移动通信网中的广域深层覆盖问题和扩大基站有效覆盖范围的方法有很多,都有各自的适用条件和应用范围,在使用中应根据投入产出比、用户需求、话务预测、时效性、无线环境、应用目的、工程难易程度等方面均衡考虑,采用灵活多变的组网方式,以最小的投入实现预期的效果。一般情况下可以按照上述三类方案的顺序选择实施,先以低成本和高时效性培育用户,根据市场发展情况有重点的逐步提高某些区域的网络覆盖、网络质量和网络容量,创造出较好的社会效益和经济效益。

 
作者:吴俊峰,赖博强 
 
 
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