作者单位:

刘永方  广西公安厅科技信息化总队  

邓斌     杭州鸿竣科技有限公司  


一  直放站的概念


直放站属于同频放大设备,是指在无线通信传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中继设备。直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强器。直放站在下行链路中,由施主天线从现有的覆盖区域中拾取信号,通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的滤波隔离,将滤波后的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中,覆盖区域内的移动终端的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站,从而达到基站与移动终端的信号有效传递。


直放站作为实现“小容量、大覆盖”目标的手段之一,一是直放站在不增加基站数量的前提下保证网络覆盖,二是其造价成本低。直放站是解决通信网络延伸覆盖能力的一种优选方案。


二  直放站的工作原理


直放站由天线、射频双工器、低噪声放大器、混频器、电调衰减器、滤波器、功率放大器等元器件或模块组成,包括上、下行两种放大链路。如图1所示。其工作的基本原理是:用前向天线(施主天线)将基站的下行信号接收进直放机(无线信号放大器),通过低噪放大器将有用信号放大,抑制信号中的噪声信号,提高信噪比(S/N),再经下变频至中频信号,经滤波器滤波,中频放大,再移频上变频至射频,经功率放大器放大,由后向天线(重发天线)发射到移动台;同时利用后向天线(重发天线)接收移动台上行信号,沿相反的路径由上行放大链路处理,即经过低噪放大器、下变频器、滤波器、中放、上变频器、功率放大器再发射到基站。从而达到基站与移动台的双向通信。


图1 直放站工作原理


其中:施主天线一般采用定向天线,指向基站。重发天线一般安装在楼宇内部,地下室,隧道等,可以是一根或多根天线。如果需要覆盖的区域大,隧道长,可后接干线直放站。


直放站具有ALC自动电平控制功能,确保设备稳定工作。采用SDR数字技术选择工作信道,有效屏蔽不相关信道的信号,保证输出功率稳定,输出频谱干净。直放站还具有防尘、防潮、防水功能,安装相对简单,无需光纤链路,不需要拉很长距离的馈线。使用灵活,哪里有信号覆盖盲区就安装在哪里。


三  PDT无线直放站对接收的下行信号的要求


PDT无线直放站是直放站中技术要求较高的一类。PDT无线直放站使用环境一般是边远地区的派出所、执勤站,或是城市高楼密集区的会展中心、运动场馆、会议室、停车场、地下室、隧道等,其接收点的信号强度往往很弱,而覆盖区往往较大,要求直放站增益高,增益在70-100dB的超高放大倍数(100亿倍),因而对接收信号有较严格的要求。


在室外天线处,对接收的基站下行信号强度一般要求大于-95dBm。室外信号越强,通信效果越好,覆盖范围越大。


对于70dB增益的PDT无线直放站,若要求输出功率达到+30dBm(1W),则要求输入信号强度达到-40dBm。对于100dB超高增益的PDT无线直放站,若要求输出功率达到+30dBm(1W),则要求输入信号强度达到-70dBm,这在PDT系统中是很强的信号了(对讲机接收灵敏度-120dBm),对350兆PDT基站信号,超过3公里距离或高楼遮挡,很难达到这样的信号强度。


若室外信号只有-80dBm,对于70dB增益的PDT直放站,其室内输出只有-10dBm;即使是100dB超高增益PDT直放站,其室内输出也只有+20dBm(0.1W)。远不能达到直放站最大输出的效能,直放站覆盖面积会较小。


由此可知,直放站要实现较大的覆盖面积,则要求直放站的输出功率较大。输出功率较大,则要求直放站接收天线处的下行信号较强。可参考:PDT无线直放站增益信号强度对照表。


PDT无线直放站增益信号强度对照表

70dB增益PDT无线直放站(下行2W,上行0.1W)

下行(单位:dBm)

上行(单位:dBm)

输入(室外天线端)

输出(室内天线端)

输入(室内天线端)

输出(室外天线端)

-100

-30

-100

-30

-90

-20

-90

-20

-80

-10

-80

-10

-70

0

-70

0

-60

+10

-60

+10

-50

+20(0.1W)

大于等于-50

+20(0.1W)

-40

+30(1W)



大于等于-37

+33(2W)




100dB增益PDT无线直放站(下行2W,上行0.1W)

下行(单位:dBm)

上行(单位:dBm)

输入(室外天线端)

输出(室内天线端)

输入(室内天线端)

输出(室外天线端)

-110

-10

-110

-10

-100

0

-100

0

-90

+10

-90

+10

-80

+20

大于等于-80

+20(0.1W)

-70

+30(1W)



大于等于-67

+33(2W)



 说明:下行是指从基站到直放站输出端的信号,上行是指从直放站到基站的信号


四  直放站与基站的比较


(一)主体不同

1、基站:移动通信基站,是移动设备接入通信网络的接口设备,也是无线电台站的一种形式,由信道机、控制器、天馈系统等组成。

2、直放站:由天线、射频双工器、低噪声放大器、混频器、电调衰减器、滤波器、功率放大器等元器件或模块组成,包括上、下行两种放大链路。


(二)原理不同

1、基站:在一定的无线电覆盖区中,通过移动通信交换中心,与移动终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。

2、直放站:用前向天线(施主天线)将基站的下行信号接收进直放机,通过低噪放大器将有用信号放大,抑制信号中的噪声信号,提高信噪比(S/N);再经下变频至中频信号,经滤波器滤波,中频放大,再移频上变频至射频,经功率放大器放大,由后向天线(重发天线)发射到移动台。


(三)要求不同

1、基站:建设都是围绕覆盖面、通话质量、投资效益、建设难易、维护方便等要素进行。随着移动通信网络业务向数据化、分组化方向发展,移动通信基站的发展趋势也必然是宽带化、大覆盖面及IP化。

2、直放站:最大输出功率在不超过信息产业部无线电管理局规定的最大限值的情况下,应分成若干等级供用户选用,下行主要考虑覆盖,上行保证基站稳定可靠接收。微型直放站输出功率为0.5W以下,主要用于室内小区域覆盖或补盲。


五  PDT直放站的应用


对室外大片区域,PDT直放站难以处理,达不到理想效果。同时PDT直放站室外安装,若施主天线与重发天线信号隔离不够,容易产生自激。因而,PDT直放站主要用于楼宇内部、地下室、隧道等无线通信信号的覆盖。


(一)PDT直放站隧道信号覆盖解决方案

随着交通的发展,城市道路及公路、铁路建设了不少隧道,隧道内的通信信号覆盖一直是难题,合理使用PDT直放站,可有效解决隧道内的PDT信号覆盖问题。


方案一:无线直放站+八木定向天线

适用范围:长度不超过500m的笔直隧道,且隧道外可以接收到较强的无线信号。如图2。

图2  500m内的笔直隧道PDT直放站信号覆盖解决方案


方案二:隧道两端均采用无线直放站+八木定向天线

适用范围:长度不超过1000m的笔直隧道,且隧道口两端均可以接收到较强的无线信号。如图3。

图3  1000m内的笔直隧道PDT直放站信号覆盖解决方案


方案三:无线直放站+干线直放站+八木定向天线

适用范围:隧道长度在600~800m的笔直隧道,且仅有隧道一端可以接收基站信号。如图4。

图4  仅一端可接收的600~800m笔直隧道

PDT直放站信号覆盖解决方案


方案四:隧道两端采用无线直放站+干线直放站+八木定向天线

适用范围:隧道长度在1000~1500m的笔直隧道,且隧道两端均可以接收基站信号。如图5。

图5 长距离笔直隧道PDT直放站信号覆盖解决方案

注:以上信号源输出均是按照33dBm输出考虑。


(二)PDT直放站室内信号覆盖解决方案

随着城市建设迅速发展,新建高楼大厦越来越多,室内覆盖以及地下信号覆盖存在较多信号盲区。如地下或半地下办公场所、地下停地场、办公大楼、派出所、交警中(大)队、检查站、指挥中心、会议室(厅)、审讯室、监狱、执法场所、办事大厅、接待中心等,还有大型体育(会展)场馆大都为钢架结构,像屏蔽网一样。由于建筑物遮挡及墙壁穿透损耗的原因,室内大多数区域是弱信号区,地下层及电梯往往属于信号覆盖盲区。类似的地方还有机场侯机大楼、火车站、教学大楼、大型会场、展览大厅等。通过安装PDT直放站,把室外PDT基站的信号引入到室内,并进行放大,可有效的解决室内信号覆盖不到的问题。


方案:室外全向天线(八木定向天线)+无线直放站+功分器+耦合器+蘑菇头天线(吸盘天线)

适用范围:地下或半地下办公场所、地下停地场、办公大楼、派出所、交警中(大)队、检查站、指导中心、会议室(厅)、审讯室、监狱、机场侯机大楼、火车站、大型会场、展览大厅、执法场所、办事大厅、接待中心等,且楼顶或室外可以接收到较强的无线信号。


典型(实测)案例1:

浙江某市公安局首长会议厅,在会议厅大楼顶可以接收到350兆PDT基站的信号,会议厅内350兆信号很弱,对讲机信号场强为-100dB至-110dB左右,基本不通。采用无线直放站+功分器+蘑菇头天线的覆盖方式后,测试现场对讲机的信号场强在-80dB左右,语音通话正常了。如图6,室外采用玻璃钢全向天线,会议厅采用一个二功分器,两个耦合器,四套蘑菇头天线。室内四角分别安装一套蘑菇头天线,采用1/2英寸电缆作为传输馈线。


 图6  PDT直放站会议厅覆盖解决方案


典型(实测)案例2:

浙江某派出所,在室外可以接收到PDT基站的信号,在室内350兆信号基本为盲区,综合指挥室对讲机信号场强为-100dB至-110dB左右,基本不通。在采用无线直放站+吸盘天线的覆盖方式后,测试现场办公区域内对讲机信号场强在-80dB左右,语音通话正常了。如图7,室外采用玻璃钢全向天线,室内安装一套吸盘天线,采用1/2英寸电缆作为传输馈线。


图7  PDT直放站派出所信号覆盖解决方案


典型(实测)案例3:

浙江某市交警大队办公楼,在办公楼顶上可以接收到PDT基站的信号,办公楼一到三层内350兆信号比较弱,基本为肓区,对讲机信号场强为-100dB至-110dB左右,信号差。在采用无线直放站+功分器+蘑菇头天线的覆盖方式后,测试整个办公楼办公区域内对讲机信号场强在-85dB左右,语音通话正常了。如图8,办公楼楼顶采用玻璃钢全向天线,办公楼室内采用一个三功分器,三套蘑菇头天线,一到三层分别安装一套蘑菇头天线,采用1/2英寸电缆作为传输馈线。


图8  浙江某交警大队办公楼PDT直放站信号覆盖解决方案


六  PDT直放站工程实施中的注意事项


(一)站址选择

如果是为了扩大基站的覆盖范围,直放站应安装在基站覆盖区的边界处,基站信号强度能使直放站工作在理想状态。直放站距离基站太近(施主天线接收信号强),则直放站与基站形成重叠覆盖,移动台信号一路通过直放站延时后到达基站,一路直接到达基站,形成对基站的多径干扰,所以要尽量减少直放站与基站重叠覆盖区域的面积。直放站距离基站太远,施主天线接收信号弱,则直放站前向输出功率较小,覆盖范围较小,达不到增大覆盖范围的要求。


(二)测点

为最大限度发挥直放站工作效果,在安装前需进行实地测点,根据测点结果对覆盖效果及覆盖面进行初步评估。通常按以下步骤进行测点:

1、根据确定需要转发的基站载频号(频率),测试接收点信号场强值;

2、根据覆盖要求确定设备具体安装站址;

3、根据场强值初步确定使用设备的类型、天线类型,天线的安装高度及位置;

4、计算预装设备的工作增益,最大输出功率值;

5、根据设备的输出功率及重发天线的类型,预测设备开通后的覆盖范围及覆盖效果。


(三)施主天线与重发天线的安装

受多径干扰的影响,天线安装位置的选择对直放站的覆盖范围影响很大,除考虑天线隔离度、输入电平大小因素外,还需要考虑直放站输入信号的波形质量。施主天线位置不合适,直放站转发恶劣信号,移动台用户不可能接入基站。为增大隔离度,楼顶安装时,要使用建筑物或增大水平距离进行隔离,避免将施主天线与重发天线安装在同一侧。


(四)防止信号自激

直放站安装不当,收发天线隔离度不够,整机增益偏大时,输出信号经延时反馈到输入端,致使直放站输出信号发生严重失真,产生自激,严重影响通话质量,产生掉话现象。


克服自激现象的方法有两种:一是增大施主天线与重发天线的隔离度;二是降低直放站的增益。


当要求直放站覆盖范围较小时,可采用降低增益的办法。当要求直放站的覆盖范围较大时,应增大隔离度。工程中主要采用以下几种方法:一是增大施主天线与重发天线的水平及垂直距离;二是增加遮挡物,如加装屏蔽网;三是增强施主天线的方向性,如使用抛物面天线;四是选用方向性更强的重发天线,如定向角度天线;五是调整施主天线与重发天线的角度和方向,使两者尽量背向。


(五)防止“乒乓”现象

这种现象主要指在直放站的覆盖区内,移动台在两个或多个基站间反复切换。其原因是直放站天线安装不当,施主天线安装在多个基站重叠覆盖区域内,接收到多个基站的信号,而且强度相近,交替占优,经直放站中继后各基站信号强度仍很接近,造成覆盖区内移动台在多个基站间频繁切换,俗称“乒乓”现象。当各基站信号强度之差小于3dB时,移动台同时接入两个或多个基站,给系统负荷加重或过载,增加了直放站中继中断的可能性,并降低基站系统容量,这种情况多出现在地形复杂的山区、丘陵地带和楼群密集的城区。


为避免“乒乓”现象,工程中主要采取以下措施:一是改变施主天线安装位置,使施主天线对准一个基站,直到找出较强信号较强且稳定的基站;二是改变直放站安装站址,尽量不要选择在多个基站覆盖的交叠区,以避开相邻基站的干扰;三是选用方向性更强的施主天线,如高增益大口径的抛物面天线。


(六)防止接收信号选择性衰落

由于空中信号传输多径,会造成信号选择性衰落,当施主天线接收到这样的信号时,经直放站放大,发射到覆盖区,移动台接收此信号,通话质量较差,严重时移动台检测不到基站控制信号,所以,当安装施主天线时,一定要检测施主天线接收到的基站信号频谱,发现频率选择在衰落,要调整天线角度或位置,直到收到的频谱比较理想。


七  结语


随着PDT数字集群建设的持续推进,PDT主网络已经基本建成,城区道路、街道、主要场所、重点部位基本由PDT基站完成了信号覆盖,但地下室、隧道、体育场馆及会展中心室内、高楼密集区的办公室内等一直是信号覆盖的难题,严重影响PDT系统的使用效果,本文为此提供了一种可供参考的解决方法。同时,PDT直放站技术越来越成熟,不断地适应不同应用场景需求,PDT系统的通信效果将会得到极大提升。


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