GSM网络无线硬件指标设计及实施.docx
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GSM网络无线硬件指标设计及实施
GSM网络无线硬件指标设计及实施
中国联通牡丹江分公司姚敬东
[摘要]本文简要介绍了GSM网络无线硬件指标的设计工作。
实际工程实施中,由于种种原因,设计指标无法被真正满足的情况时有发生。
最常见的情况是天线安装高度的偏差,本文具体讨论了天线安装高度的偏差对实际网络的影响,所得到的结论可作为实际工作中的参考。
[关键词]上行下行小区覆盖覆盖半径系统上下行功率平衡
[引言]由于在日常工作中和优化联系的比较紧密,渐渐的发现现在的优化不论是请来的优化公司还是自己公司的优化,大家更多的把眼光放到了参数的优化而忽略了无线硬件指标设计及实施过程中的问题。
本文的目的只是想通过对GSM网络无线硬件指标的设计的理论分析和其在实践中的应用的探讨,希望能引起我们的技术人员对无线硬件指标设计及实施这部分的重视。
真真切切的搞好我们的网络。
1、GSM移动通信系统的小区规划简介
GSM移动通信系统是目前我国主用的移动通信系统。
出于无线频率资源的缺乏和统一各厂家之间的设备标准的考虑,国际上对GSM的可用频率做了限定。
标准的GSM900频率范围是:
上行:
890-915MHz(手机到基站)
下行:
935-960MHz(基站到手机)
标准的DCS1800频率范围是:
上行:
1710-1785MHz(手机到基站)
下行:
1805-1880MHz(基站到手机)
联通公司得到的GSM900频率范围是:
上行:
909-915MHz(手机到基站)
下行:
954-960MHz(基站到手机)
联通公司得到的DCS1800频率范围是:
上行:
1745-1755MHz(手机到基站)
下行:
1840-1850MHz(基站到手机)
而GSM系统的频点间隔是200KHz,由此可以计算出联通GSM900的最大可用频点只有30个,去掉于移动的隔离品点只有29个频点可用。
联通DCS1800的最大可用频点为50个。
由此可见联通公司得到的频点是多么的稀少。
一方面是频率资源的匮乏,另一方面是不断增长的手机用户对网络容量的要求,能够解决这个矛盾的可行途径就是频率复用、跳频。
如何在GSM移动通信系统中进行合理的频率复用,就是小区规划工程师的主要职责。
当然,实际的小区规划工作还包括小区参数设计、系统功能开放等相关网络服务质量方面的设计工作。
本文所要讨论的是小区规划工作中的一个重要部分——无线硬件指标的设计工作。
该部分工作主要包含设备发射功率的确定和天线安装高度的设计等几个方面。
2、GSM移动通信系统小区规划中无线硬件指标的设计原理
2.1小区覆盖范围的定义
GSM系统中一般这样来定义一个小区的覆盖范围:
在该小区中的一个相当大的地域范围内(如95%的地域),手机接收到的信号能够大于某个特定值(如-90dBm)。
则可认为该小区已被全部覆盖。
对上述定义的理解包括几个方面:
2.1.1一个小区的覆盖范围是一个模糊的概念,它是随着对小区地域覆盖率的要求不同和对手机最小接收强度的预定要求不同而变化的。
由于小区覆盖定义有其模糊性,不便于工程设计。
所以,下面的公式一般被利用来作为设计依据:
PinMS≥SSD(式一)
其中,PinMS为手机在小区边缘的接收信号强度,SSD为预定的手机要求接收信号强度。
手机在小区边缘所能接收的最小信号,即上述的设定值SSD,是通过对若干因素的综合考虑而得到的。
这些因素包括:
手机的接收灵敏度,空间电磁环境干扰,人体吸收,电磁传播的衰落效应等等。
什么时候考虑哪些因素,取决于具体的小区环境和运营商对网络的要求。
在这里需要注意的是,手机的接收灵敏度是一个决定性的因素,或者说,SSD等于手机的接收灵敏度加上若干权数。
2.1.2从系统的高度考虑,一个小区的覆盖范围并不一定是越大越好。
比如:
在小区密集的城市,各个小区服务范围需要严格区分,否则可能因频率的干扰而降低整个网络的性能。
如在我们的现网中,有些小区的覆盖范围过大,虽然BCCH频点没有干扰,但由于我们采用的是相同的跳频序列(FHSY),在越区覆盖的情况下,如两个小区的MAIO相同,就有很大程度的同频或邻频干扰而降低了网络的性能。
2.1.3GSM系统小区规划设计工作中,小区的覆盖范围用覆盖半径表示。
覆盖半径是指基站所在地到小区覆盖边缘的距离。
2.2GSM系统基站与手机无线信号路由描述
简化的GSM系统基站与手机无线信号路由如图一所示。
LpD12DDDT
S
LpU
S
GaBTS
S
LfBTS
S
PinMS
S
PoutMS
S
LfMS
S
LfBTS
S
PinBTS
S
接收电路
馈线
合路器
馈线
GaBTS+GdBTSGdBTS
S
GaMS
S
馈线
接
收
电
路
发
射
电
路
馈线
LcBTS
S
功率合成器
PoutBTS
S
发射电路
图一GSM系统基站与手机无线通信路由
图一的左半部分属于基站系统,而右半部分为手机系统。
其中各个变量的含义如下:
(下标MS表示手机,BTS表示基站,D表示下行路由,U表示上行路由)
Pin:
输入功率Pout:
输出功率
Lc:
功率合成器损耗Lf:
馈线损耗
Lp:
空间路径损耗Ga:
天线增益
Gd:
分集接收增益
这里考虑进去的损耗有馈线损耗、空间路径损耗和功率合成器损耗。
接收部分的合路器内部一般装有功率调整电路,可以弥补器件本身插入损耗,故忽略不计。
但是,在一些特殊硬件配置当中,需要考虑进去更多的损耗,以便得到更加准确的结果。
如:
收发双工器损耗,双极化天线的极化损耗等等。
Siemens设备的合路器损耗见表一。
表一CombinerLoss
CombinerType
1:
1
2:
1
4:
1
Duplexer
2.7dB
2.7dB
5.9dB
HybridCombiner
2.0dB
5.2dB
8.4dB
2.3设备发射功率设计
GSM系统的无线功率发射设备包含基站和手机两个部分。
2.3.1手机功率的选择
参照GSM的规范(GSMRec05.05),手机可分为五个级别,各个级别的手机发射功率并不相同(参照表二)。
表二GSM手机发射功率级别列表
PowerClass(GSM05.05)
Max.OutputPower(GSM900)
Max.OutputPower(DCS1800)
1
-
1Watt=30dBm
2
8Watt=39dBm
0.25Watt=24dBm
3
5Watt=37dBm
4Watt=36dBm
4
2Watt=33dBm
5
0.8Watt=29dBm
目前市场上绝大多数的GSM900手机属于第四级别,它的最大输出功率是2W。
在目前的GSM系统中,手机的功率可以在最大输出功率以内做动态调整,调整的指令是由移动交换机发出的。
调整的目的是在不影响正常通信的基础上,尽量降低手机在系统中引入的电磁干扰。
2.3.2基站功率的选择
基站功率的选择是基于系统上下行功率平衡的原理完成的。
GSM通信系统是一个双向通信系统,存在着手机到基站的上行通信和基站到手机的下行通信。
前文对小区覆盖范围的定义,是从下行方向考虑的。
参考该定义,可以导出对上行覆盖的相类似的定义。
系统上下行功率平衡就是上行与下行的覆盖相同,否则会带来能量的浪费、额外的干扰和多余的成本。
由图一的无线路由,可以得到下面两个等式:
PinMS=PoutBTS-LcBTS-LfBTS+GaBTS-LpD+GaMS-LfMS(式二)
PinBTS=PoutMS-LfMS+GaMS-LpU+GaBTS+GdBTS–LfBTS(式三)
假设,空间路径损耗在上行和下行时是相等的(因上下行频率相当接近),即LpD=LpU。
此时用(式二)减去(式三),可以得到(式四)如下:
PinMS-PinBTS=PoutBTS-PoutMS-LcBTS-GdBTS(式四)
将基站输出功率移到等式右边,其余各项移到左边,可得(式五):
PoutBTS=PoutMS+LcBTS+GdBTS+(PinMS-PinBTS)(式五)
在小区边缘,(PinMS-PinBTS)是手机与基站接收信号强度之差,实际上也是两者接收灵敏度之差。
(式五)中其余各项都可通过产品资料查到。
这样,基站的输出功率可以计算得出。
2.4天线安装高度设计
前面曾经提到过,小区覆盖范围不是越大越好。
实际的小区规划工作中,小区覆盖范围是根据小区在地图上的分布确定的,之后才是天馈线系统设计。
也就是说,在确定小区的覆盖范围后才去设计天线安装高度。
2.4.1天线安装高度设计基本公式
(式一)是由小区覆盖范围定义得出的小区覆盖边缘手机预定接收信号强度要求。
在设计天馈线系统时,取该式的临界状态。
即在小区边缘,取PinMS=SSD。
将PinMS=SSD代入(式二),并对等式重新排列,得到:
LpD=PoutBTS-LcBTS-LfMS+GaBTS-+GaMS-SSD-LfBTS(式六)
式中:
LpD是一个关于工作频率f、天线安装高度h及覆盖半径d的函数。
即LpD=ƒ(f,h,d)。
LfBTS是一个关于馈线长度l的函数。
即LfBTS=ƒ(l)
PoutBTS可以通过(式五)计算得到。
SSD由人工设定,可参照前文。
剩余各项都可从产品资料查到。
2.4.2LpD的函数表达式
LpD是下行空间路径损耗,是电磁信号从基站传输到手机的空间信号损失。
虽然LpD是一个关于工作频率f、天线安装高度h及覆盖半径d的函数。
但是,在不同的环境条件下,这个函数的表达式并不相同。
比如:
由于建筑物的阻挡,信号在城市中传播的空间路径损耗显然要大于在空阔的乡间传播的空间路径损耗。
所以,我们只能在考虑充分多的因素的情况下,建立关于典型环境下空间路径损耗的模型,并在此基础上进行估算。
影响空间路径损耗计算的因素有:
地面的镜像效应、地球的曲面效应、建筑物遮挡等等。
值得庆幸的是,我们的前人已经在上述模型的建立工作中做了大量的工作。
一些常用环境中,对空间路径损耗的估算也有了现成公式。
如:
城市环境:
Lp(urban)=69.55+26.16logf-13.82logh+(44.9-6.55logh)logd(式七)
县城或城市郊区环境:
Lp(suburban)=Lp(urban)-2[log(f/28)]2-5.4(式八)
开阔环境:
Lp(open)=Lp(urban)-4.78(logf)2+18.33logf-40.94(式九)
以上三个表达式中:
f表示载波频率,单位为MHz。
取值范围是(100-1500)。
h表示基站天线安装高度,单位为m。
取值范围是(30-200)。
d表示小区覆盖半径,单位为km。
取值范围是(1-20)。
1)LfBTS的函数表达式
LfBTS是基站馈线损耗,是一个关于馈线长度l的函数。
这个表达式比较简单:
LfBTS=ρl(式十)
式中:
ρ表示单位长度的馈线损耗
l表示馈线长度
对于馈线来说,在相同的频率条件下,线径越大则馈线损耗越小;但同时,线径越大实际施工就越困难。
所以工程中通常选用的是7/8馈线,线径合适,易于施工,同时损耗也不大,大约为ρ=0.043dB/m。
2.4.3天线安装高度的计算
到此为止,我们对(式六)做了比较详细地讨论。
可以看出,该式中除了馈线长度l及基站天线安装高度h这两个参数外,其余各个参数都可从产品资料上或从前步的计算中得到。
例如:
LfMS为普通手机馈线损耗,从产品资料取得;覆盖半径d,根据小区在地图上的分布而确定;而PoutBTS通过(式五)计算得到。
所以,(式六)成为关于l和h的二元方程。
为了最终计算出天线安装高度h,我们必须得到馈线长度l与基站天线安装高度h这两个参数之间的关系。
事实上,从局方提供的基站工程计划中,小区规划人员可以大致得到这个关系。
一旦这个关系确定,(式六)就转化成一个关于h的一元方程,基站天线安装高度h自然能够通过计算得到。
3、施工偏差讨论
3.1基站发射功率调整对系统的影响
一旦系统中使用的手机的级别被选定,也就是说,手机的发射功率被确定,则基站的发射功率不可以轻易更改。
一个容易出现的认识误区是,认为可以通过更改基站发射功率改变小区覆盖。
实际上,小区覆盖是一个系统上下行功率平衡的概念。
增大基站的发射功率,只是扩大了下行的小区覆盖,其效果也只体现在小区边界的手机接收信号变强了。
但是,由于上下行覆盖的失衡,确切的说,此时的上行覆盖小于下行覆盖。
可能造成小区边缘这样的情况:
从手机上看信号较强,但用户无法接入系统进行通话,或者是可以通话但话音质量不好。
从(式五)也可以得出相同结论。
(式五)表明基站理论发射功率只与手机发射功率、基站发射合路器插入损耗、基站分集接收增益以及手机和基站的接收灵敏度有关。
实际网络中,基站的发射功率可以在计算所得结果的基础上增加2-3dB。
原因很简单,在得到(式五)的结论前,我们曾经假设LpD=LpU。
事实上,根据频率越高空间损耗越大的原理,LpD应该略大于LpU。
这也就是为什么基站的发射功率可以在计算的所得结果基础上人为地增加2-3dB。
3.2天线安装高度与设计不符对系统造成的影响
实际工程中,设计好的天线安装高度往往由于种种原因而无法精确达到。
一个常见的原因就是铁塔上缺少天线安装支架或已被占用,此时只能根据实际情况实施,造成天线的实际安装高度与原设计不符的情况发生。
所以,讨论一下天线安装高度与原设计不符对系统的影响是很有必要的。
由(式六)可以确定系统上下行功率平衡后的下行空间损耗LpD。
而LpD是一个关于工作频率f、天线安装高度h及覆盖半径d的函数。
在工作频率f已知(900MHz)的情况下,LpD=ƒ(h,d)。
此时,天线安装高度h与原设计的偏差影响的是原设计小区覆盖半径d,而影响的大小由具体的LpD函数表达式决定。
城市环境中已知的LpD函数表达式为(式七)。
假设:
原设计天线安装高度为h1,而实际安装高度为h2;原设计小区覆盖半径为d1,发生天线安装偏差后,实际的小区覆盖半径为d2。
同时,h2=x*h1,d2=y*d1。
由(式七)可得:
Lp(urban)=69.55+26.16*logf-13.82*logh1+(44.9-6.55*logh1)*logd1(式十一)
Lp(urban)=69.55+26.16*logf-13.82*log(x*h1)+[44.9-6.55*log(x*h1)]*log(y*d1)(式十二)
两式相减,可得:
0=-13.82*log(x)+[44.9-6.55*log(h1)]*log(y)-6.55*log(x)*log(d1)-.55*log(x)*log(y)
整理可得:
log(y)=[13.82*log(x)+6.55*log(x)*log(d1)]/[44.9-6.55*log(h1)-6.55*log(x)]
即:
y=10{[13.82*log(x)+6.55*log(x)*log(d1)]/[44.9-6.55*log(h1)-6.55*log(x)]}(式十三)
A、y与d1的关系
当x≠1时:
对于固定的x和h1,根据指数函数是升函数的特点,当d1增加时,y会随之增大。
得出结论:
当天线安装高度与原设计不符时(x≠1),对于一定的安装偏差和设计高度,原设计的覆盖半径越大,由实际安装偏差所引起的覆盖半径偏差也越大。
B、y与h1的关系
当x≠1时:
对于固定的x和d1,根据指数函数是升函数的特点,当h1增加时,y会随之增大。
得出结论:
当天线安装高度与原设计不符时(x≠1),对于一定的安装偏差和设计覆盖半径,原设计的安装高度越高,由实际安装偏差所引起的覆盖半径偏差也越大。
C、x与y的关系
x与y的关系比较复杂,这里用列表法分析。
我们已知y与d1及h1的关系,可以得出结论:
对于固定的x,在较小的d1及h1取值下得出的y值,一定会小于在较大的d1及h1取值下得出的y值。
因此,我们将在最大的d1及h1取值下,分析x与y的关系;在较小的d1及h1取值下,y相对于x的变化一定会更小,即由实际安装偏差所引起的覆盖半径偏差也会更小。
参考(式七)的取值范围。
最大的d1及h1取值为d1=20km,h1=200m。
根据实际工程中安装偏差程度,x取值从0.85至1.15,步进间隔取0.05,由(式十三)计算y,可得表四。
表四、d1=20km,h1=200m时,x与y的关系
x
0.85
0.90
0.95
1.05
1.10
1.15
y
0.887
0.925
0.962
1.037
1.075
1.112
D、根据以上的讨论,得出如下结论:
在城市环境中,d1及h1取值最大(d1=20km,h1=200m),而且h1的偏差绝对值小于0.15的条件,h1的偏差和由其引起的d1的偏差在量级上是可比的,且d1的偏差会略小于h1的偏差。
d1及h1取值变小时,h1的偏差所引起的d1的偏差也随之变小。
E、城市郊区环境和空阔环境下的LpD函数表达式与城市环境下的LpD函数表达式相较,不同之处只与工作频率f有关。
所以,在工作频率f已知(900MHz)的情况下,4)中的结论也适用。
F、实际施工时,安装高度的偏差绝对值一般不会超过0.15,也就是说,引起的覆盖半径偏差绝对值也会在0.15之内,因而对系统造成的影响可以接受。
如果需要修正,对于安装高度偏高的情况,可以采用调整天线附仰角的办法;而万一安装高度偏低,则只能通过增加基站天线增益来解决。
后者实施比较困难,应该尽量避免。
4、造成影响的消除方法。
在实际的施工中很难保证设计的完全实现。
在出现和设计有偏差时我们应尽力的去消除这种影响。
A、线挂高过高,形成了越区覆盖。
a、我们可以采用低增益天线。
b、加大俯仰角。
但俯仰角不可超过天线规定的最大俯仰角,不然会改变天线波瓣的形状,造成更大的影响。
c、降低收发信机的发射功率。
降低了收发信机的发射功率也就是降低了下行链路的覆盖距离,手机可以通过自身的调整达到上下行链路的功率平衡。
开了跳频之后的越区覆盖所产生的影响已经不再像没有开跳频时那么明显,因此应该得到我们的关注。
d、开跳频的小区,应注意小区覆盖范围内的微蜂窝区的MAIO的设置,同时加强这部分区域小区的话务统计和路测,注意网络的运行情况。
B、要覆盖的距离大,但上行链路信号不好。
这种情况可以利用塔放,来放大上行链路的信号强度,达到上下行链路的功率平衡。
保证用户的正常使用。
4.总结
以上我们探讨了GSM网络的小区规划的无线硬件指标设计问题,也分析了实际施工中需注意的地方。
GSM网络的小区规划是一个比较复杂的工作,光是通过理论的计算是远远不够的。
只有在理论设计的基础上,进行不断地话务统计和分析,并据此进行不断的修正工作,才能获得一个令人满意的网络通信质量。
参考文献
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[3]Siemens.PLMNBSSRadioNetworkParameters.SiemensAG1995
[4]Siemens.培训教材.SiemensAG1995
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