直放站工程应用中应注意的问题

邹伟华，王 璐，刘永方

（广西壮族自治区公安厅，南宁 530012）

1 研究背景

直放站，也称转发器或中继器，它实际上是一种双向信号放大器，起着延伸基站覆盖范围和补盲的作用。直放站作为一种网络辅助手段在完善网络覆盖，优化和改善服务质量，提高运营效益方面起着十分重要的作用。它既可以应用在室外局部盲点覆盖，也可作为信号源应用室内分布系统。

直放站与基站收发信道机不同，它没有基带处理电路，不解调无线射频信号，仅仅是双向中继和放大射频信号。因此利用直放站的作用主要是扩大无线覆盖范围和补充盲区覆盖。它不能增加系统容量，但可以将容量资源均衡的分散或集中到需要覆盖的区域。

直放站在射频工程应用中应该注意选址、上行噪声电平和收发隔离度等要求。下面章节将进行详细的阐述。

2 做好直放站的选址

2.1 选址原则

选址，对直放站的应用至关重要。选址正确与否对直放站实际工作效果起着关键的作用。一个良好的站址，即使采用小功率直放站，其覆盖效果可能比不良站址、大功率直放站覆盖效果还要好。直放站选址应该满足以下条件：

（1）所选站址需要能看到基站天线，使基站天线与直放站施主天线之间保持视距损耗。

（2）所选站址附近的场强值，应该满足关系式：RXmin=Pmax-Gmax-Gant。

式中，RXmin为直放站输出最大功率所需要的最小信号强度，单位为dBm；Pmax为直放站最大输出功率，单位为dBm；Gmax为最大开启增益，单位为dB；Gant为施主天线的最大增益，单位为dBi。

（3）以选址位置为中心，半径为0.5千米范围内无巨大建筑物或地物阻挡。

（4）选择制高点。

（5）站址应选在施主基站与盲区之间，最好是在盲区外并靠近盲区边沿。

2.2 不同选址的覆盖效果

当直放站架设在盲区外，靠近盲区边沿的覆盖效果图如图1所示：

图1 直放站位于盲区边缘

当直放站架设在盲区内，覆盖效果图如图2所示：

由图1和图2可知，直放站架设在覆盖盲区边缘的覆盖效果明显优于架设在盲区内。

图2 直放站位于盲区内

直放站除用于覆盖城乡结合处和偏远地区，也经常用于覆盖城市边缘的密集住宅区，此时应避免在楼群的正面选点。如图3所示，采用正面选点方式时，信号需直接穿透前排楼宇，才能达到到后部区域。由于信号存在较大穿透衰减，导致后面区域的覆盖信号会很弱。如果从楼群的侧面进行覆盖，如图4所示，信号可以从楼宇间较大的空隙穿过，并借助反射达到较好的覆盖效果。

图3 楼群正面选点

图4 群楼侧面选点

3 控制上行噪声电平的施主基站的影响

3.1 架设单个直放站对基站的影响

直放站在放大上行信号的同时，也必然向基站发送上行噪声，当上行噪声电平足够大时，将降低基站接收机的信噪比，对网络的影响是使上行覆盖范围变小。应用示意图如图5所示：

当基站覆盖区引入直放站后，基站和直放站的噪声系数均要增加一个噪声增量，这种噪声增量用dB值表示，计算公式如下：

基站噪声增量：△NFBTS=10log[1+10Nrise/10]

直放站噪声增量：△NFrep=10log[1+10-Nrise/10]

噪声增量因子：NFrise=NFrep-NFBTS+Grep-Ld

式中，NFBTS为基站的噪声系数；NFrep为直放站的噪声系数；Grep为直放站上行增益；NFrise为噪声增量因子；Ld为直放站施主天线到基站的空间链路损耗。

图5 直放站应用示意图

由上式可知，基站的噪声增量△NFBTS与噪声因子NFrise成正比，而直放站的噪声增量△NFrep与NFrise成反比。噪声增量与噪声因子之间的曲线关系如图6所示：

图6 噪声增量与噪声增量因子关系

噪声增量因子NFrise=直放站与基站的噪声系数差+上行增益与路径损耗差。噪声增量因子NFrise可以为正或负，其数值越大，引起基站的噪声增量就越大，对基站的影响就越大，其数值越小，对基站的影响就越小。在工程设计中，直放站和基站的噪声系数是已知的常数，因此噪声增量因子的变量是直放站上行增益Grep和直放站与基站间的路径损耗Ld，一旦直放站安装完毕，进入开通调试时，上行路径损耗值是相对稳定的值。此时，直放站上行增益的大小决定了噪声增量因子的大小，显然上行增益越大，噪声增量因子越大，上行增益越小，噪声增量因子越小。

当NFrise=0时，基站和直放站的噪声系数均在原有的数值上增加了3dB，对上行覆盖范围的影响是相同的。

当NFrise＜0时，基站的噪声增量将＜3dB，NFrise越小，对基站的噪声影响就越小。例如当NFrise=-10dB时，基站的噪声增量只有0.4dB，这时对基站的覆盖范围不会有影响。但是当NFrise越小，对直放站的噪声影响就越大。当NFrise=-10dB时，直放站的噪声系数将增加10.4dB，这就意味着直放站的覆盖距离要缩短1倍以上。

当NFrise＞0时，基站的噪声增量将＞3dB，直放站的噪声增量将＜3dB，NFrise越大，基站的覆盖范围越小，而直放站的覆盖距离就越大。

在工程设计中，当直放站用于郊区，农村，乡村的盲区信号覆盖、话务量不大情况下，一般取△NFBTS=2；如果是用于公路覆盖，为扩大直放站的覆盖范围，取△NFBTS≤3dB；如果直放站是在市区或作为室内分布系统的信号源时，在满足应用的情况下，取△ NFBTS≤1dB。

3.2 架设多个直放站对基站的影响

在覆盖区比较分散的组网方案中，往往一个基站需要引入多个直放站。常用的引入方式有星形和串联型，直放站与基站组成的星形无线覆盖网络如图7所示：

图7 星形无线覆盖网络

设n个直放站噪声系数相同，基站接收到每个直放站的上行噪声电平相等，则噪声增量计算公式如下：

基站噪声增量：△NFBTS=10log[1+n10-Nrise/10]

直放站噪声增量：△NFrep=10log[n+10-Nrise/10]

为了能更好的达到基站和直放站的覆盖效果，在网络规划设计阶段，需将基站和直放站的设计放在一起考虑，合理分配噪声增量。在预测上行覆盖距离时，需要考虑噪声增量对覆盖距离的影响，只有合理分配基站和直放站的噪声增量，才能取得对基站和直放站都有利的覆盖效果。

4 确保直放站足够的收发隔离度

4.1 自激

隔离度是指无线直放站重发天线与施主天线之间的隔离损耗。如果直放站施主天线和重发天线的隔离度不好，极易造成自激，从而对网络造成干扰。克服自激现象的方法有两种：一是增大施主和重发天线的隔离度；二是降低直放站的增益。当要求直放站覆盖范围较小时，可以采用降低增益的办法。当要求直放站覆盖范围较大时，无法降低其增益时，就应该增大天线间的隔离度，一般要求是施主天线和重发天线之间的隔离度比整机增益（含天线）大10dB以上。实际操作时，一方面尽量选用高度不同的天线，另一方面，两副天线之间尽量有高屏蔽的障碍物或保持足够大的水平间距。

概括起来，工程中主要采用以下几种方法来解决自激问题：增大收发天线的水平及垂直距离；增加遮挡物，如有可能，可加装屏蔽网等；增加施主天线的方向性，如使用抛物面天线；选用定向重发天线，如定向角度天线；调整施主与重发天线的角度与方向，使两者尽量背向。

4.2 收发隔离度计算

图8 施主天线与重发天线水平安装示意图

在工程估算隔离度的公式（天线背对背放置）如下：

水平隔离度 Ih计算：Ih=22.0+20log10（d/λ） -（Gd+Gr）+（Xd+Xr）+Lw

式中，22.0为传播常数；d为收发天线水平距离（单位：米）；λ为天线工作波长（单位：米）；Lw为阻挡物体损耗；Gd、Gr分别为发射和接收天线的增益（单位：dBi）；Xd、Xr分别为发射和接收天线的前后比（单位：dB）。

垂直隔离度Iv计算：Iv＝28.0+40log10（d/λ）

式中，28.0为传播常数；d为收发天线垂直距离（单位：米）；λ为天线工作波长（单位：米）。

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

施主天线和重发天线采用背对背安装，根据以上公式计算，隔离度和距离之间的关系数据如表1所示：

表1 Ih和Iv与d之间关系

从表1的计算数据可以看出，如使用的天线和天线间的距离相同，垂直比水平安装更易满足隔离度要求。当距离增加一倍时，水平隔离度增加6dB，而垂直隔离度增加12dB；水平安装最佳距离在25m，垂直安装最佳距离在20～25m，如再增加距离，隔离度增加不明显。

如果某项目直放站工作频段为350MHz，施主天线和重发天线为定向天线，增益为12dBi，前后比为25dB，当直放站开启最大增益为80dB时，那么施主天线和重发天线之间的隔离度至少需要90dB。如果施主天线和重发天线水平架设，那么隔离度满足要求，水平之间的间距需要100m，这个间距现实场景中很难实现，往往需要借助其他物体做阻挡来提高收发之间的隔离度。

邻苯二甲酸酯（Phthalic Acid Esters，PAEs）是一类人工合成有机化合物，可用作化妆品、农药、塑料增塑剂、涂料、香料等的生产原料，其中更多用作增塑剂[1]，以增强塑料可塑性。近年来，随着塑料制品的大量使用以及生活污水、工农业废水的大量排放，进入水环境中的邻苯二甲酸酯类污染物质急剧增加[2]。国内外已将PAEs列为重点监控的有毒有害有机污染物，其中，邻苯二甲酸二丁酯（DBP）被列为内分泌干扰物[3]。

4.3 收发隔离度测量

直放站施主天线和重发天线架设完毕之后，虽然隔离度在设计前进行过预算，但现场还应进行实际测试获得精准数据。隔离度不满足要求，可能导致直放站产生自激而影响覆盖效果，严重时甚至会导致设备烧毁。通过实测，可避免上述现象发生。测试框图如图9所示。

把对讲机天线拧下，利用SMA转N型接口专用测试线，把对讲机和直放站的施主天线连接起来，对讲机发射P1功率。频谱分析仪连接重发天线，开启频谱分析仪，记录频谱分析仪接收到的信号功率值P2。则两付天线之间的隔离度可由公式：Iu=P1-P2计算得出。如隔离度不满足Iu≥Gmax+10要求，则需要调整施主和重发天线之间的间距或增加障碍物。

5 直放站安装完毕后要进行验证测试

直放站架设完毕之后，还应进行信号强度测试和语音通话测试，以验证对盲区信号的改善效果。

具体测试如下：

5.1 信号强度测试

（1）关闭直放站系统，在待测覆盖区域选择几个特殊地点，测试信号强度并记录。

（2）开启直放站系统，再次到选定的测试点，测试信号强度并记录。

5.2 语音通话测试

（1）在直放站系统的主覆盖区域的不同位置，用测试对讲机进行通话呼叫，检查语音通话质量情况。

（2）每个位置进行5次以上通话测试。