1、无线工程初步设计 基站设计流程及技术要点 作者：沙 平 审核：沈文明 2004年7月05日,2,1、确定需改善区域,围绕总体目标，基于现网，确定需要改善的目标区域 覆盖和质量分析 基于路测和模拟，分析缺陷： 按照上节分析门限 确定问题具体区域（大小、形状） 尽可能深入地分析原因 容量分析 基于现网容量分布，和业务预测 可细至扇区 同步放大，局部修正 考虑必要的利用率，形成一定的冗余,3,2、确定需建基站区域,在优化调整无法解决，其他方式不适用的情况下 不同方式比较,是否设置应考虑其经济效益： 直接经济效益 所建设基站，覆盖的人口足够多，面积较大，可形成足够的经济收入 间接经济效益 所建设基站的
2、覆盖区域非常重要，对市场发展影响非常大,4,话务受限 需改善区域的总体话务 能够使用的最大配置 覆盖受限 需改善区域的面积 单站能够提供的最大覆盖,3、确定各站覆盖区域及容量,5,在无线应用中使用Erlang-B 公式 资源 BSC中的中继电路,声码器 BTS中的信道单元 1 Erlang 表示1条电路连续使用1个小时 阻塞:当需要时, 却没有可分配的资源; 阻塞率 阻塞率是阻塞发生的概率 0.02 代表 2% 的概率 阻塞概率也叫服务等级,3.1、话务工程基本概念,6,Erlang-B 表公式,7,蜂窝系统中阻塞可能发生在以下部位 BTS中没有足够的信道单元 BSC中没有足够的声码器 没有足
3、够的交换网 没有足够的中继电路 大多数的阻塞发生BTS上 P.02 是系统扇区通常的取值,系统的阻塞率,PSTN Office,P.001,P.005,P.02,P.005,CDMA系统各部分的阻塞率,BTS,BTS,BTS,BSC,MSC,8,话务量阻塞,启呼的话务量(TO)是用户启呼的话务量 TO = CA x CD CA = 总的试呼次数 CD = 平均成功呼叫的时间 通过的话务量是系统受理的话务量 阻塞的话务量是没有被系统受理的话务量,9,话务量查表,A = f (B,n),10,话务量速查,11,小区话务量计算,单扇区（全向）、2扇区、3扇区的小区均采用下列方法计算话务量 单载频和多
4、载频都是以扇区的业务信道总数来查话务量表，得出单个扇区的话务量，小区的话务量是三个扇区话务量相加。,Alpha 扇区,Beta 扇区,Gamma 扇区,试呼,空中信道组 1,空中信道组 2,空中信道组 3,中继,同 等获 取,12,话务量分布示例,蜂窝移动系统 一天及一周话务量分布,0%,10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%,100%,小时,话 务 强 度,13,话务量预测,小区数量要同时考虑对区域的覆盖和承载的话务量,14,3.2 话务工程举例,根据话务密度,计算小区的话务量,进而计算小区的信道数.,需要的信道数,话务量, Erl,话务小方格计数,15,新的
5、Erl数,需要的信道数,原有的Erl数,话务工程举例(续1),话务量增加40%;需要的信道数相应要增加 25% (最小的小区) 到34% (最大的小区) 可以通过增加CDMA载频来增加信道数,16,需要的信道数,话务工程举例(续2),根据信道数、最大单扇区配置推算站数需求,需要2个以上扇区（站点）的区域,假设最大扇区话务性道数22,17,单站覆盖存在极限 单站覆盖可以控制 影响单站覆盖面积的因素： 等效发射电平 正常解调电平 -最大路径损耗 发射高度、接收高度 无线传播特性 -最大覆盖半径,3.3 单站覆盖,18,3.3.1 等效发射电平,移动台有效全向辐射功率EIRP =移动台最大发射功率移
6、动台天线增益人体损耗 基站信道有效辐射功率EIRP（天线主路径） =信道最大发射功率天线增益馈线损耗,19,基站发射功率 主要指经过高功放后的功率，各扇区的最大发射电平一般为20w 信道发射功率 各信道有不同的发射电平，其总和为基站发射功率. 如导频一般在扇区总电平的14% 手机发射电平 手机最大发射电平根据网络类型不同，c网0.2w 馈线损耗 与馈线长度及类型有关，如7/8馈线5dB/百米 移动台天线增益 一般认为是0dB 人体损耗 一般认为是3dB,3.3.1 等效发射电平,20,基站正常解调电平 =接收机灵敏度-天线增益+馈线损耗 =（基站噪声系数热噪声功率密度Eb/N。-信息速率）-天
7、线增益 +馈线损耗 移动台正常解调电平 =移动台接收灵敏度-天线增益+人体损耗 基站噪声系数 反映了设备的优劣，一般在4-5dB 热噪声功率密度 反映了无线环境，无外部干扰为-174dBm/hz. Eb/N 根据制式不同有不同的取值，不同设备稍有差别，cdma95为7dB 信息速率 最终反映在扩频增益，cdma业务信道为9600kbps，扩频增益21dB,3.3.2 正常解调电平,21,3.3.3 链路预算分析,链路预算分析是为获取空间链路最大允许损耗而进行的由发射端至接收端极限情况下的计算,发射机,移动台,双工器,人体损耗,分集增益,22,3.3.3 链路预算分析,链路预算分上行链路和下行链
8、路两种情况分析： 上行从移动台至基站，下行从基站至移动台 良好的系统应保证上下行链路允许的最大损耗相同，即上下行链路平衡 反向（移动台 基站）最大路径损耗= 移动台等效发射电平接收机正常解调电平干扰余量软切换增益 衰落余量建筑物穿透损耗 衰落余量：为保证可通率，依据对数正态分布特性取定的余量 干扰余量：为克服网内外的干扰取定的余量 建筑物穿透损耗：市区一般到达25dB 软切换切换增益：一般认为在3.5dB,23,3.3.3 链路预算分析,典型GSM网下行链路分析,24,链路预算分析,25,理论基础回顾： 无线信号是电磁波，空间传播时为球面波 在自由空间的传播存在以下公式： Pr =（2/4）/
9、(4d2)*Pt 传播损耗定义为L： L= Pt /Pr =（4d/）2 表示为分贝形式： L=10*log（4d/）2=32.45+20logf+20logd 其中，f为工作频率（MHz），d为收发距离（km） L的单位为dB，P的单位为dBm=log(1000PW),Pr,Pt,Pr,3.3.4 无线传播特性,26,对非自由空间，由于信号存在折射、反射、衍射形成的叠加场存在严重的起伏特性： 固定任一点的测试也具有起伏 原因：多径信号的叠加 周边物体的变化 空气等传播介质介电常数的变化 考虑： 取信号中值或包络,dB,T(s),3.3.4 无线传播特性,27,场强特性曲线的瞬时值快速起伏变化
10、称为快衰落 引起原因： 多径叠加 偶然因素 特性： 近基站处通常服从莱斯分布，远基站处通常服从瑞利分布,dB,d,快衰落,3.3.4 无线传播特性,28,场强特性曲线的中值慢速起伏变化称为慢衰落 引起原因： 大气、温度、气候的变化 地形、阴影 特性： 服从正态分布,dB,d,慢衰落,3.3.4 无线传播特性,29,对衰落的处理 快衰落深度最高可达30dB，在工程中可通过分集接收改善 在测试中可通过40内取样50个，平均后输出(误差小于1dBm) 慢衰落由于服从（对数）正态分布，可通过增加余量保证可通率: 正态分布概率服从p(m)=(2t2)-1/2exp-(m-M)2/(2t2) 75%的可通
11、率，m=0.9*8=5.4dBm,p,m,M,3.3.4 无线传播特性,30,时延特性 数字信号在空间传播，由于距离的变化引起时间相位上的变化 由于采用制式的不同，对时延处理方式和时延带来的影响不同： GSM网络引入时间提前量和时隙间隔避免信号混淆 最大传播距离35公里 CDMA网络引入导频搜索窗，依靠参数获取不同时延条件下的导频信号，并以此为基准进行同步 作为微波频段，以直线传播位置，受地球表面曲率影响 d=(2R)1/2(H1/2+h1/2) 其中： d传播距离 R等效地球半径（地球大气折射率变化） H基站高度，h移动台高度,3.3.4 无线传播特性,31,3.3.5 传播模型,获得最大允
12、许空间链路损耗后，根据无线信号传播计算，可计算相应的传播距离 为计算链路损耗和传播距离的关系，我们建立了传播模型 目前的传播模型分理论模型和经验模型两类，较流行的模型有： 理论模型：Walfisch-Ikegami、大地理论模型、Lee 经验模型：奥村（Okumura)模型，COST231模型，标准模型,32,Walfisch-Ikegami模型,视通情况下：,非视通情况下：,3.3.5 传播模型,33,3.3.5 传播模型,Walfisch-Ikegami模型（续）,其中：,Lmsd=Lmsd(1)+ka+kdlog(d)+kflog(f)-9log(b),其中，Lstreet=:,34,3
13、.3.5 传播模型,奥村模型,其中： fc=频率（MHz） L平均路径损耗（dB） hb基站天线高度（m） hm移动台天线地校正因子（dB） r距离基站地距离（km） 模型适用范围：,35,3.3.5 传播模型,标准（General）模型： Prx=Ptx+K1+K2log(d)+K3log(Heff)+K4Diffraction+K5log(d)log(Heff)+K6(Hmeff)+Kclutter +AntGain K1截距 K2K6斜率 Heff有效基站天线高度 Diff绕射损耗 Hmeff有效手机天线高度 Kclutter地面用途系数 K1、 K2可以在不同情况下取不同值，用来表示两
14、段函数，例如 LOS ： 1logd ddbreak Prx-Ptx = -I1m- + K6(Hmeff)+Kclutter +AntGain s2logd+(s1-s2)logdbreak ddbreak,36,3.3.6 最大覆盖半径,通过链路预算后的最大路径损耗，以及特定的传播模型参数，可得到单站的覆盖半径,37,3.3.7 单站目标确定,目标区域容量需求 单站提供最大容量 目标区域面积大小 单站提供最大半径,站数,单站覆盖半径目标 单站提供容量目标,38,4 确定站点参数,包括站址、站型、天线参数、设备参数四个方面， 关键是“刚好解决问题，又不影响其他区域”,39,4.1 确定站址,
15、站址确定 位置 站高,40,基站的设计应尽可能符合理想蜂窝的栅格结构,非栅格状 非标站型,理想蜂窝的栅格结构,实际中更多要考虑阻挡、站高差异,4.1.1 位置,41,站高 基站的站高，会产生相应的边缘场强和覆盖距离变化,市区的基站站高应高于周围建筑5-15米 过高的站高会带来干扰，过低的站高影响基站覆盖效用 基站的高度可通过合理的建设方式拔高,4.1.2 站高,42,4.2 确定站型,站型确定 全向站与定向站 微基站与宏基站 多载频基站,43,全向站的特点 减少了射频模块 容量小、设备便宜 天线带来覆盖和干扰控制的差别 主瓣方向增益少6dB左右，覆盖距离小35%-40% 下倾角调节不灵活，容易
16、出现塔下黑 全向站的适用范围 低话务的郊区 周围相对较封闭的圆形区域 不适用于高山站和市区 全向站的扇区化 可以采用全向站设备+定向天线，改善覆盖和进行干扰控制,4.2.1 全向站与定向站,44,微基站与宏基站 微基站特点 主要指一体化小基站（不含室内微蜂窝基站） 一般为全向或单扇区，容量小，设备价格便宜 通常不需要机房和电源设备，工程方便投资小 可能存在多载频扩容和技术升级问题 微基站适用范围 小范围、低话务的郊区 缺乏机房和电源配套条件 市区应避免使用,4.2.2 微基站与宏基站,45,多载频基站的应用主要是为了解决单载频容量瓶颈 CDMA的容量瓶颈可存在于CE以外的Walsh码和干扰极限
17、容量 多载频基站的应用带来的问题 载频间切换 伪导频、数据库辅助等 业务驻留 Hash、按照业务类型划分等 共天线，因合路带来的损耗 两载频：-3dB 设备投资增加 多载频建设要符合条件，一旦建设一般应成片,4.2.3 多载频基站,46,4.3 确定天线参数,天线参数 天线的增益 天线的极化 分集增益 垂直与水平半功率角 下倾角与电下倾,47,天线的增益,偶极子,/2,=,=,天线阵列,形成增益,实现了能量在不同方向上的重新分配， 0dBd=2.15dBi 得到主瓣方向上的增益 对偶极子 对全向振子,4.3.1 确定天线参数,48,天线的极化,Tx,Rx,天线具有极化方向垂直、水平 当接收天线
18、和发射天线极化方向相同时增益最大,Tx,Rx,在城市，经过各中折射、反射，极化方向会变化，各向趋近相同,4.3.2 确定天线参数,49,天线的分集 由于无线信号传播过程中的多径作用，信号会产生快衰落；将两个不同路径来得信号进行合成，可在一定程度上克服快衰落，即接收分集； （两路径信号的相关性越小，效果越好）； 利用天线可形成空间分集和极化分集 CDMA系统本身还使用软切换分集和Rack接收分集,空间分集（BTS）：接收天线在水平距离上（针对垂直极化）， 保持4米左右的距离，使两天线的接收信号具有不相关性3dB左右 极化分集（BTS）：即交叉极化，同一根天线内分别采用45的 振子，接收不同极化方
19、向的两个信号，形成不相关的两个接收信号23dB左右 极化分集在地形复杂多变的市区较有效，郊区会较空间分集少约1dB,4.3.3 确定天线参数,50,垂直与水平半功率角即垂直与水平波瓣角,典型天线水平剖面图 约60度定向,典型定向天线立体图,在市区，为利用小区间去耦性降低干扰， 一般定向基站扇区方向大致统一； 但几乎不存在完全理想的状态,4.3.4 确定天线参数,51,下倾角 由于基站一般高于被覆盖目标，所以通常天线设置下倾,一般要求 主瓣超向覆盖目标（覆盖边缘）； 整个主瓣（上波瓣）落地 计算公式： 站高Htan(下倾角）= 主瓣方向覆盖目标（覆盖半径） 站高Htan(下倾角-垂直波半角/2）
20、= 最大允许干扰控制距离,典型天线垂直剖面图,4.3.5 确定天线参数,52,电下倾 为了避免过度下倾的畸变，在下倾比较大的情况下多选用电下倾,无下倾,机械下倾,电下倾,包括电可调和预置电调两种：电可调是可以通过改变参数 进行调整的，便于优化,全向多为预置电调 多为3、6,垂直方向电照图,主要是通过改变振子阵列的 相位偏置实现的,4.3.6 确定天线参数,53,设备参数 功率分配参数 典型范围： 导频10-20%（14%）；寻呼5-10%(7.5%);同步1.5%;业务信道70-85%（77.5%） 低话务时，发射功率只占总功率的20%左右；高负荷会使质量下降，但RX升高 在郊区可适当增大导频
21、等开销功率 切换参数 Tadd、 Tdrop、 Ttdrop、 Tcomp，影响软切换的比例 （13dB、15dB、 3s 、 2.5dB） 邻区列表 设置不当（过多、漏邻区）会造成切换失败,4.4 设备参数,54,5 其他,多种覆盖手段直放站 多种覆盖手段室内分布系统 塔放 特殊天线,55,基于建设成本考虑，优先考虑低成本的方式 CDMA直放站,需要注意问题： 施主基站的选取 引电问题 容量资源充足； 交流电 具备上述安装条件 太阳能,5.1 多种覆盖手段,56,CDMA直放站的噪声放大,基站热噪声电平升高ROT= 10log(10PBTS/10+ 10PINJ/10)/ 10PBTS/10
22、,5.1 多种覆盖手段,57,室内分布系统 解决大中型建筑物的室内深度覆盖问题 对于个别特殊建筑，成本较增加基站少；成片的情况不然 本身可视为一套复杂的天馈线系统，进行功率的均匀分配 分类： 电分布系统（有源、无源） 光分布系统 光电混合分布系统 信源： 基站、直放站等,5.1 多种覆盖手段,58,室内分布系统原理图举例分析,主要组成： 天线 馈线 功分器 耦合器 干线放大器 合路器 一般天线口功率0-15dBm,5.1 多种覆盖手段,59,室内分布系统布置图举例分析,一般天线覆盖距离15米左右 在10m以内，基本上同自由空间； 在1050m范围内，近似与距离成正比 计算公式为： LS（dB）
23、32.45+20lgf(MHz)+20lgd(km) CDMA网室内分布系统要考虑： 满足需要区域内的覆盖要求； 控制向室外的泄漏 注意与室外基站的切换（信源为基站）,5.1 多种覆盖手段,60,射频拉远（也有称光远端） 基站本身分为基带部分和射频部分 部分厂家提供将射频部分进行拉远,可节约基带部分： 省设备费用； 省容量资源 需要设备支持，具体拉远 距离有限制,基带部分： 信道板,射频部分： 线形功放,典型模块化基站,5.1 多种覆盖手段,61,5.2 塔放,基站接收系统的有源器件和射频导体中的电子热运动引起的热噪声，降低了接收信噪比（S/N），限制了基站接收灵敏度 一个多级放大系统噪声主要
24、取决于第一级的噪声系数F1 ，系统噪声系数为： NF = F1+ (F2-1)/G1 + (F3-1)/G1*G2 + 。 其中：F1,F2,F3是第一级到第三级的的噪声系数 G1,G2是第一级到第二级的增益 塔顶放大器的原理就是通过在基站接收系统的前端，即紧靠接收天线下增加一个低噪声放大器来实现对基站接收性能的改善。,62,5.2 塔放,如图中塔放的噪声系数为2dB，增益为12dB;一般基站噪声系数为5dB 加入塔放后整体噪声系数变化为 2+（5-1）/12=2.3 dB 相当于接收灵敏度提高2.7 dB,覆盖半径扩大了20%,63,5.3 特殊天线考虑,零点填充的天线可以解决塔下黑的问题，建议全向天线采用具有零点填充的天线. 8字型天线和210 天线。建议在进行高速公路的覆盖上可考虑 对于基站建在山上，而要覆盖山下，建议选用垂直面半功率波束很宽的天线进行覆盖。比如全向天线增益在8.5dBi，定向天线在14dBi，垂直面波束宽度在20 左右的天线,
