直放站工程應用中應注意的問題

鄒偉華，王 璐，劉永方

（廣西壯族自治區公安廳，南寧 530012）

1 研究背景

直放站，也稱轉發器或中繼器，它實際上是一種雙向信號放大器，起著延伸基站覆蓋范圍和補盲的作用。直放站作為一種網絡輔助手段在完善網絡覆蓋，優化和改善服務質量，提高運營效益方面起著十分重要的作用。它既可以應用在室外局部盲點覆蓋，也可作為信號源應用室內分布系統。

直放站與基站收發信道機不同，它沒有基帶處理電路，不解調無線射頻信號，僅僅是雙向中繼和放大射頻信號。因此利用直放站的作用主要是擴大無線覆蓋范圍和補充盲區覆蓋。它不能增加系統容量，但可以將容量資源均衡的分散或集中到需要覆蓋的區域。

直放站在射頻工程應用中應該注意選址、上行噪聲電平和收發隔離度等要求。下面章節將進行詳細的闡述。

2 做好直放站的選址

2.1 選址原則

選址，對直放站的應用至關重要。選址正確與否對直放站實際工作效果起著關鍵的作用。一個良好的站址，即使采用小功率直放站，其覆蓋效果可能比不良站址、大功率直放站覆蓋效果還要好。直放站選址應該滿足以下條件：

（1）所選站址需要能看到基站天線，使基站天線與直放站施主天線之間保持視距損耗。

（2）所選站址附近的場強值，應該滿足關系式：RXmin=Pmax-Gmax-Gant。

式中，RXmin為直放站輸出最大功率所需要的最小信號強度，單位為dBm；Pmax為直放站最大輸出功率，單位為dBm；Gmax為最大開啟增益，單位為dB；Gant為施主天線的最大增益，單位為dBi。

（3）以選址位置為中心，半徑為0.5千米范圍內無巨大建筑物或地物阻擋。

（4）選擇制高點。

（5）站址應選在施主基站與盲區之間，最好是在盲區外并靠近盲區邊沿。

2.2 不同選址的覆蓋效果

當直放站架設在盲區外，靠近盲區邊沿的覆蓋效果圖如圖1所示：

圖1 直放站位于盲區邊緣

當直放站架設在盲區內，覆蓋效果圖如圖2所示：

由圖1和圖2可知，直放站架設在覆蓋盲區邊緣的覆蓋效果明顯優于架設在盲區內。

圖2 直放站位于盲區內

直放站除用于覆蓋城鄉結合處和偏遠地區，也經常用于覆蓋城市邊緣的密集住宅區，此時應避免在樓群的正面選點。如圖3所示，采用正面選點方式時，信號需直接穿透前排樓宇，才能達到到后部區域。由于信號存在較大穿透衰減，導致后面區域的覆蓋信號會很弱。如果從樓群的側面進行覆蓋，如圖4所示，信號可以從樓宇間較大的空隙穿過，并借助反射達到較好的覆蓋效果。

圖3 樓群正面選點

圖4 群樓側面選點

3 控制上行噪聲電平的施主基站的影響

3.1 架設單個直放站對基站的影響

直放站在放大上行信號的同時，也必然向基站發送上行噪聲，當上行噪聲電平足夠大時，將降低基站接收機的信噪比，對網絡的影響是使上行覆蓋范圍變小。應用示意圖如圖5所示：

當基站覆蓋區引入直放站后，基站和直放站的噪聲系數均要增加一個噪聲增量，這種噪聲增量用dB值表示，計算公式如下：

基站噪聲增量：△NFBTS=10log[1+10Nrise/10]

直放站噪聲增量：△NFrep=10log[1+10-Nrise/10]

噪聲增量因子：NFrise=NFrep-NFBTS+Grep-Ld

式中，NFBTS為基站的噪聲系數；NFrep為直放站的噪聲系數；Grep為直放站上行增益；NFrise為噪聲增量因子；Ld為直放站施主天線到基站的空間鏈路損耗。

圖5 直放站應用示意圖

由上式可知，基站的噪聲增量△NFBTS與噪聲因子NFrise成正比，而直放站的噪聲增量△NFrep與NFrise成反比。噪聲增量與噪聲因子之間的曲線關系如圖6所示：

圖6 噪聲增量與噪聲增量因子關系

噪聲增量因子NFrise=直放站與基站的噪聲系數差+上行增益與路徑損耗差。噪聲增量因子NFrise可以為正或負，其數值越大，引起基站的噪聲增量就越大，對基站的影響就越大，其數值越小，對基站的影響就越小。在工程設計中，直放站和基站的噪聲系數是已知的常數，因此噪聲增量因子的變量是直放站上行增益Grep和直放站與基站間的路徑損耗Ld，一旦直放站安裝完畢，進入開通調試時，上行路徑損耗值是相對穩定的值。此時，直放站上行增益的大小決定了噪聲增量因子的大小，顯然上行增益越大，噪聲增量因子越大，上行增益越小，噪聲增量因子越小。

當NFrise=0時，基站和直放站的噪聲系數均在原有的數值上增加了3dB，對上行覆蓋范圍的影響是相同的。

當NFrise＜0時，基站的噪聲增量將＜3dB，NFrise越小，對基站的噪聲影響就越小。例如當NFrise=-10dB時，基站的噪聲增量只有0.4dB，這時對基站的覆蓋范圍不會有影響。但是當NFrise越小，對直放站的噪聲影響就越大。當NFrise=-10dB時，直放站的噪聲系數將增加10.4dB，這就意味著直放站的覆蓋距離要縮短1倍以上。

當NFrise＞0時，基站的噪聲增量將＞3dB，直放站的噪聲增量將＜3dB，NFrise越大，基站的覆蓋范圍越小，而直放站的覆蓋距離就越大。

在工程設計中，當直放站用于郊區，農村，鄉村的盲區信號覆蓋、話務量不大情況下，一般取△NFBTS=2；如果是用于公路覆蓋，為擴大直放站的覆蓋范圍，取△NFBTS≤3dB；如果直放站是在市區或作為室內分布系統的信號源時，在滿足應用的情況下，取△ NFBTS≤1dB。

3.2 架設多個直放站對基站的影響

在覆蓋區比較分散的組網方案中，往往一個基站需要引入多個直放站。常用的引入方式有星形和串聯型，直放站與基站組成的星形無線覆蓋網絡如圖7所示：

圖7 星形無線覆蓋網絡

設n個直放站噪聲系數相同，基站接收到每個直放站的上行噪聲電平相等，則噪聲增量計算公式如下：

基站噪聲增量：△NFBTS=10log[1+n10-Nrise/10]

直放站噪聲增量：△NFrep=10log[n+10-Nrise/10]

為了能更好的達到基站和直放站的覆蓋效果，在網絡規劃設計階段，需將基站和直放站的設計放在一起考慮，合理分配噪聲增量。在預測上行覆蓋距離時，需要考慮噪聲增量對覆蓋距離的影響，只有合理分配基站和直放站的噪聲增量，才能取得對基站和直放站都有利的覆蓋效果。

4 確保直放站足夠的收發隔離度

4.1 自激

隔離度是指無線直放站重發天線與施主天線之間的隔離損耗。如果直放站施主天線和重發天線的隔離度不好，極易造成自激，從而對網絡造成干擾。克服自激現象的方法有兩種：一是增大施主和重發天線的隔離度；二是降低直放站的增益。當要求直放站覆蓋范圍較小時，可以采用降低增益的辦法。當要求直放站覆蓋范圍較大時，無法降低其增益時，就應該增大天線間的隔離度，一般要求是施主天線和重發天線之間的隔離度比整機增益（含天線）大10dB以上。實際操作時，一方面盡量選用高度不同的天線，另一方面，兩副天線之間盡量有高屏蔽的障礙物或保持足夠大的水平間距。

概括起來，工程中主要采用以下幾種方法來解決自激問題：增大收發天線的水平及垂直距離；增加遮擋物，如有可能，可加裝屏蔽網等；增加施主天線的方向性，如使用拋物面天線；選用定向重發天線，如定向角度天線；調整施主與重發天線的角度與方向，使兩者盡量背向。

4.2 收發隔離度計算

圖8 施主天線與重發天線水平安裝示意圖

在工程估算隔離度的公式（天線背對背放置）如下：

水平隔離度 Ih計算：Ih=22.0+20log10（d/λ） -（Gd+Gr）+（Xd+Xr）+Lw

式中，22.0為傳播常數；d為收發天線水平距離（單位：米）；λ為天線工作波長（單位：米）；Lw為阻擋物體損耗；Gd、Gr分別為發射和接收天線的增益（單位：dBi）；Xd、Xr分別為發射和接收天線的前后比（單位：dB）。

垂直隔離度Iv計算：Iv＝28.0+40log10（d/λ）

式中，28.0為傳播常數；d為收發天線垂直距離（單位：米）；λ為天線工作波長（單位：米）。

假設 Gd=Gr=12dBi，Xd=Xr=25dB，Lw=0，f=350MHz。

施主天線和重發天線采用背對背安裝，根據以上公式計算，隔離度和距離之間的關系數據如表1所示：

表1 Ih和Iv與d之間關系

從表1的計算數據可以看出，如使用的天線和天線間的距離相同，垂直比水平安裝更易滿足隔離度要求。當距離增加一倍時，水平隔離度增加6dB，而垂直隔離度增加12dB；水平安裝最佳距離在25m，垂直安裝最佳距離在20～25m，如再增加距離，隔離度增加不明顯。

如果某項目直放站工作頻段為350MHz，施主天線和重發天線為定向天線，增益為12dBi，前后比為25dB，當直放站開啟最大增益為80dB時，那么施主天線和重發天線之間的隔離度至少需要90dB。如果施主天線和重發天線水平架設，那么隔離度滿足要求，水平之間的間距需要100m，這個間距現實場景中很難實現，往往需要借助其他物體做阻擋來提高收發之間的隔離度。

鄰苯二甲酸酯（Phthalic Acid Esters，PAEs）是一類人工合成有機化合物，可用作化妝品、農藥、塑料增塑劑、涂料、香料等的生產原料，其中更多用作增塑劑[1]，以增強塑料可塑性。近年來，隨著塑料制品的大量使用以及生活污水、工農業廢水的大量排放，進入水環境中的鄰苯二甲酸酯類污染物質急劇增加[2]。國內外已將PAEs列為重點監控的有毒有害有機污染物，其中，鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）被列為內分泌干擾物[3]。

4.3 收發隔離度測量

直放站施主天線和重發天線架設完畢之后，雖然隔離度在設計前進行過預算，但現場還應進行實際測試獲得精準數據。隔離度不滿足要求，可能導致直放站產生自激而影響覆蓋效果，嚴重時甚至會導致設備燒毀。通過實測，可避免上述現象發生。測試框圖如圖9所示。

把對講機天線擰下，利用SMA轉N型接口專用測試線，把對講機和直放站的施主天線連接起來，對講機發射P1功率。頻譜分析儀連接重發天線，開啟頻譜分析儀，記錄頻譜分析儀接收到的信號功率值P2。則兩付天線之間的隔離度可由公式：Iu=P1-P2計算得出。如隔離度不滿足Iu≥Gmax+10要求，則需要調整施主和重發天線之間的間距或增加障礙物。

5 直放站安裝完畢后要進行驗證測試

直放站架設完畢之后，還應進行信號強度測試和語音通話測試，以驗證對盲區信號的改善效果。

具體測試如下：

5.1 信號強度測試

（1）關閉直放站系統，在待測覆蓋區域選擇幾個特殊地點，測試信號強度并記錄。

（2）開啟直放站系統，再次到選定的測試點，測試信號強度并記錄。

5.2 語音通話測試

（1）在直放站系統的主覆蓋區域的不同位置，用測試對講機進行通話呼叫，檢查語音通話質量情況。

（2）每個位置進行5次以上通話測試。