四、GSM/CDMA光纤直放站

　　光纤直放站与无线直放站的最大区别在于施主基站信号的传输方式上，无线直放站通过接收空间传播的无线信号进行放大，从而扩大基站的覆盖范围。光纤直放站是通过光纤进行传输，采用光信号接收器和转换器连接偏远的区域。

1. 光纤直放站的特点
　　（1）工作稳定，覆盖效果好
光纤直放站通过光纤传输信号，不受地理环境、天气变化或施主基站覆盖范围调整的影响，因此工作稳定，覆盖效果好。

　　（2）设计和施工更为灵活
根据无线直放站的工作原理，无线直放站需把施主天线安装在可以接收到GSM信号的地方，而且接收信号强度不能小于－80dBm，所以无线直放站一般只能安装在基站覆盖范围的边缘，并向顺着基站覆盖的方向延伸覆盖。同时，为了防止直放站自激，还需保证施主天线和覆盖天线有足够的隔离度。因此，无线直放站的安装位置和方式受到一定限制，而且一般采用定向天线进行覆盖，覆盖范围较小。光纤直放站在设计时无需考虑安装地点能否接收到信号；不需考虑收发隔离问题，选址方便；覆盖天线可根据需要采用全向或定向天线。另外射频信号能够在很小的传送损失的情况下被传送到远达20公里的远处, 光缆很细,容易铺设。因此，设计和施工的灵活性大。

    (3) 避免了同频干扰，可全向覆盖, 干扰少
光纤直放站是为了扩大移动电话基地站的覆盖范围， 把CDMA移动电话信号变成光纤后，从基地站到远程地区，可使干扰及插入损失减小到最小。

(4) 适用于GSM宽带信道选择型、CDMA宽带信道选择型；

(5) 单级传输距离长达50Km以上，扩大覆盖范围；

(6) 可提高增益而不会自激，有利于加大下行信号发射功率；

(7) 信号传输不受地理条件限制
特别适合边远城镇或地形复杂的山区。

2. 光纤直放站的传输方式

光纤直放站的最大特点是通过光纤进行信号传输，光纤传输可以单独敷设，也可以利用现有的传输网络。其主要有三种应用方式：

(1) 普通双光纤方式
这种方式多用于光缆中有现成多余备用光纤对的情况。

(2) 波分复用方式
如光纤中的1.3μm波长窗口已经被其他信号占用时，可以通过波分复用器将直放站信号复用到1.55μm波长的窗口上，实现直放站信号与其他信号同纤传输。

(3) 一发两收方式
如果传输距离不太远，且话务量不大的两个地方都需要采用直放站，则可利用光纤分路器给成一发两收方式。和同纤传输方式。

一般来说，如果能够从基站敷设光纤至光远端机或现成的光纤网络中有富余的纤芯，都采用普通双光纤的方式解决光纤传输的问题。采用波分复用器可以提高光纤的利用率，但由于波分复用器投资较大，一般较少使用。

3. 光纤直放站的工作原理

　　光纤直放站的原理图如图4-1所示，主要有光近端机、光纤、光远端机（覆盖单元）几个部分组成。光近端机和光远端机都包括射频单元(RF单元)和光单元。无线信号从基站中耦合出来后，进入光近端机，通过电光转换，电信号转变为光信号，从光近端机输入至光纤，经过光纤传输到光远端机，光远端机把光信号转为电信号，进入RF单元进行放大，信号经过放大后送入发射天线，覆盖目标区域。上行链路的工作原理一样，手机发射的信号通过接收天线至光远端机，再到近端机，回到基站。

图4-1 光纤直放站的原理图

光纤直放站的原理结构框图如图4-2所示。

图4-2 光纤直放站原理结构框图

光纤直放站近端机的定向天线收到基站的下行信号(935MHz-960MHz)送至近端主机，放大后送到光端机内进行电／光转换，发射1.55&1.31μm波长的光信号，再送到光波复用器，同原传输链路的光信号(波长1.31μm)合在一起经光缆传到远端；远端光波波分器将1.31μm和1.55μm波长的光信号分开后，让1.55μm波长的光信号输入光端机进行光／电转换，还原成下行信号(935MHz-960MHz)，再经远端主机内部功放放大，由全向天线发射出去送给移动台。移动台的上行信号(890MHz-915MHz)逆向送到基站，这样就完成了基站与移动台的信号联系，建立通话。

4. 光纤直放站的主要指标
--- 光路参数
    光纤：G.652单模光纤（对于1.55μm波长，适于采用G.652单模光纤）
    光源：1.3μm/1.55μm波长激光器组件
    入纤光功率：≥3dBm(1.3μm波长) ≥0dBm(1.55μm波长)
    光检测器：Pin接收组件
    连接器：APC/FC,PC/FC

---射频参数
　　频率范围：800MHz -1000MHz
　　输入电平： 下行：-20dBm 上行：-20dBm - -60dBm
　　阻抗：50Ω 　
　　射频电缆接口：SMA

---传输指标
　　光接收灵敏度：（传输载噪比≥24dB）
　　路数（CH） 　　　8 　16 　24 　32 　40 　48
　　光功率（dBm）：-30 -28.5 -27.6 -27 -26.5 -26.1
　　接收端AGC范围：20dB（相当于10dB光衰减）
　　传输带宽：890MHz-960MHz（±0.5dB） 800MHz-890MHz（±0.5dB）
　　输出电平： 下行：-20dBm 上行：-20dBm - -60dBm
　　两频三阶互调产物：≤-38dBc
　　噪声系数：≤5dB（光接收机噪声底为-126dBm/CH）
　　输入输出阻抗：50Ω
　　驻波比：≤1.5

5. 光纤直放站应用及组网图

由于光纤直放站传输距离长，避免了同频干扰可全向覆盖因而选址方便，且信号传输不受地理条件限制，特别适于郊区、乡村边远城镇和地形复杂的山区以及乡镇、丘陵地带的通信盲区等。如图4-3所示了光纤直放站组网示意图。

图4-3 光纤直放站组网示意图

6. 光纤直放站工程设计原理与举例
在设计一个光纤直放站的覆盖区域时，需要掌握一个基本原则和三个相互制约的要素。
原则：设法使上行和下行信道的系统余量相等，从而保证上、下行信道的通信距离，话音质量和通信概率大体相同。
要素：①覆盖半径，②话音质量，②通信概率(可靠性)。

除上述三要素外，还应考虑传播环境，地形地物特征，使用频段以及可利用的系统参数等因素，因此有以下设计方程。

SM=SG-SL (1)
SG=Pt+Gt+Gr-Pmin (2)
SL=La+Lt+Lr (3)
Pmin=Pr+d (4)

式中：
SM：系统余量(dB)
SG：系统增益(dB)
SL：系统衰耗(dB)
Pt：发射机输出功率(dBW)
Gt：发射天线增益(dB)
Gr: 接收天线增益(dB)
d：恶化量
Pmin：接收机输入端最低保护功率电平(dBm)
La：实际路径衰耗中值(dB)
Lt: 发射端附加衰耗(dB)
Lr：接收端附加衰耗(dB)
Pr：接收机的噪声门限电平
对于移动通信的电波传播，其衰落特性由下列已知公式及图2─图5来表征。
--- 自由空间的传播衰耗：
Lbs＝32.45+20lpD(km)+20lgf(MHz) (5)
--- 准平滑地形市区路径传播衰耗中值：
Ltt＝Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f) (6)
Am(f,d)，Hb(hb,d)，Hm(hm,f)为相应的修正因子，其中An(f,d)为基本衰耗中值，Hb(hb,d)为基站天线高度增益因子，Hm(hm,f)为移动天线高度增益因子。

例如：针对某一个8信道的基站，要覆盖50km远外一小镇(5km覆盖半径)，其地形为准平滑地形，则在此建一光纤直放站，其直放站所架天线位于20m高的房顶上一个30m的铁塔顶部，馈线选SDY-50-22的低损耗(0.05dB／m)电缆40m, 要求保证5km以上边缘通信概率为50％。

所建直放站可以确定为每信道输出功率为1W(0dBW)，发射全向天线增益为10dB，移动台接收灵敏度(A)为-110dBm(0.7μV)，保证50％的通信概率。则有：
SM＝0，由(1)式得到：
SG＝SL (7)
由于接收机输入功率电平
Pr＝A-101gR-126 (8)
由已知条件可得：Pt＝1W＝0dBW，Gt＝10dB，Gr＝2dB，A＝0.7μV，Lt＝1.56dB，Lr＝0.5dB，d＝6dB(查附图(2))，R＝50Ω
由(2)-(4)，(7)，(8)式和已知条件可求得：
SG＝Pt+Gt+Gr-Pmin＝152dBW (9)
(9)式代入(3)式得到实际衰耗中值：
La＝SL-Lt-Lr＝149.94dB (10)
查图3得：
Am(f，d)＝Am(900MHz，5km)＝26.5dB (11)
查图5得：
Hb(hb，d)＝Hb(50m，5km)＝-10.5dB (12)
查图4得：
Hm(hm，f)＝Hm(2m，900MHz)＝-2dB (13)
由公式(5)、(6)及(11)、(12)、(13)得出，路径传播衰耗中值为：
Ltt＝Lbs+Am(900MHz，5km)-Hb(50m，5km)-Hm(2m，900MHz)
＝32.45+20lgD+20lg900+39＝71.45+20lgD+20lg900 (14)
因La＝Ltt，则由(10)，(14)式可求出覆盖半径D＝9.3km
因此，半径9.3km的覆盖范围可以满足边缘通信概率为50％盲区，如果地形更的话，覆盖范围将更大。

7. 光纤直放站设计中需考虑的问题
　　(1) 传输距离
光纤直放站采用光纤进行传输，光信号在光纤中传输的损耗非常小，光纤直放站信号传输的距离主要是受信号时延的限制。 GSM数字移动通信采用TDMA时分多址技术，每载频分为8个信道分时共用，即每载频8个时隙。时隙之间的保护间隔很小，为消除手机MS到BTS的传播时延，GSM系统采用MS提前一定时间来补偿时延，时间提前量的取值范围是0～233μS，对应信号传播约70公里，由于信号一来一回是双向的，所以，GSM信号在每载频8个时隙时，空间传播距离是35km。当引入光纤直放站延伸信号传播距离时，信号的传播时延包括了在光纤直放站上的时延和在空中传播的时延。光信号在光纤的介质中传播时，速度是无线信号在空气中传播的2/3，加上直放站的时延（大约1.5μS）和无线信号在空中传播时延，因此，光纤直放站距离基站最远不应该大于20km。

光纤直放站的核心部分是光端机，它的好坏影响直放站的传输质量及可靠性，现在国内光端机质量已相当好，因此，光纤直放站的可靠性是不成问题的，下面对传输距离进行计算。

对1.55μm波长的光端机，其已知条件是：
光功率输出为0dBm;光接收灵敏度优于-26dBm;光端机内射频信号具有自动增益控制(AGC)20dB；光端机内电／光及光／电转换时电信号将损耗10dB；光缆损耗≤0.35dB／km；活动连接器衰耗≤0.1dB；波分复用器的损耗≤0.3dB，系统光功率储备7dB(为保证电信号的载噪比而设)。

则对于50km远的光缆，就能计算光信号在传输系统中的衰耗为:
     L=光缆损耗 + 连接器损耗 + 波分复用器的损耗=0.35×50+0.1×2+0.3×2＝18.3db。

系统光功率余量=光功率-系统衰耗-光接收门限＝OdB-18.3dB-(-26)dB＝7.7dB，
该值大于系统功率储备7dB，由此可知光纤直放站的光信号可以传输50km远的距离，光／电转换后的电信号还能满足直放站所需电信号载噪比的要求。

　　(2) 直放站增益的计算
引入直放站设备，给手机和基站之间的信号增加了热噪声，增加热噪声的直接后果是降低了基站的接收灵敏度。下面看一下应如何正确设置直放站的增益，减小引入直放站对GSM网络的影响。

　　a. 基站接收端的噪声
在没有引入直放站的情况下，基站接收端的噪声为热噪声和基站噪声系数之和，称为基站底噪声。 热噪声的计算公式为：N＝10Lg[KTB]，其中K为波次曼常数，T为绝对温度，B为信号带宽；基站噪声系数Nfbts一般为2dB。
因此，基站接收端的底噪声电平Npbts为： Npbts=10Lg[KTB]＋Nfbts =-121dBm/Hz＋2dB ＝－119dBm 当引入直放站，该基站成为直放站的施主基站后，其接收端的噪声为基站底噪声加上直放站的噪声增量。

　　b. 引入直放站后基站接收端噪声的变化　　
基站接收端接收到直放站的噪声电平与直放站的上行增益有关，下面看一看直放站上行增益对基站输入端噪声的影响。先从无线直放站引出相关的计算，直放站输出的噪声功率Np'rep为直放站的热噪声N加上直放站的噪声系数Nfrep再加上直放站的增益Grep,即：
     Np'rep=10Lg[KTB]＋Nfrep＋Grep,
把从基站发射机至直放站的所有损耗计为路径损耗Lp，则直放站产生，在基站接收端的噪声电平Nprep为：
    Nprep = Np'rep -Lp =10Lg[KTB]＋Nfrep＋Grep -Lp =-121＋Nfrep＋Grep-Lp (1)
引入直放站后，基站接收端的总噪声(NP)total为基站底噪声Nbts和直放站在基站接收端产生的噪声Nrep的叠加，即：
     (NP)total=10Lg[10Npbts+10Nprep]=NPbts+10Lg[1+10Nfrep-Nfbts+Grep-Lp]令10Lg[1+10Nfrep-Nfbts+Grep-Lp]= ΔNbts (2)
则： (NP)total =Npbts+ΔNbts
　　从以上推算可以看到，引入直放站以后，基站接收端的噪声电平比无直放站时增加了ΔNbts，这个值为噪声增量。噪声增量与基站、直放站的噪声系数、直放站的增益、基站发射机至直放站的路径损耗有关。

根据公式（2）计算：当Nfrep-Nfbts+Grep-Lp＝0时，基站接收端的噪声增量ΔNbts为3dB；当Nfrep-Nfbts+Grep-Lp＝－６时，基站接收端的噪声增量为ΔNbts降为0.97 dB，也就是说基站的灵敏度下降了0.97 dB。这时，可以认为直放站引入基本上对基站的无影响。一般，基站噪声系数Nfbts为2dB，那么，按公式(1)计算直放站在基站接收端产生的噪声电平Nprep为－125dBm。

　　在工程实际中，基站和直放站的噪声系数一定，噪声增量主要受直放站增益和基站发射机至直放站的路径损耗的影响。基站噪声系数Nfbts为2dB，直放站噪声系数Nfrep为4dB，那么，直放站的增益Grep应比基站发射机至直放站的路径损耗Lp小8dB，才能把基站接收端的噪声增量控制在1dB以内。

　　光纤直放站一般从基站直接耦合信号，光纤直放站的路径损耗Lp为耦合器的耦合损耗，同样的原理，光纤直放站的上行增益需比耦合损耗小8dB左右。在工程实际中，我们一般选择高耦合比的耦合器，使输入光纤直放站的信号在0dBm，这样，基站至光纤直放站的路径损耗为40dB左右，而光纤直放站的上行增益设置为30dB，保证了光纤直放站引入后，原基站灵敏度基本不受影响。

　　在网络设计中，如果目标覆盖的范围较大，需要到多个光纤直放站并联才能完成覆盖，这种情况下，基站接收端的噪声为基站底噪声与基站接收到各直放站噪声的叠加，即， NPtotal=10lg[10NPBTS+?0(Nprep)］（Nprep）i为每一个直放站在基站接收端产生的噪声，n为直放站的数量。为了控制直放站总的噪声水平，即总的ΔNbts保持小于１dB，需要减小每一个直放站的增益。假设每一个直放站对基站产生的噪声增量ΔNbts相等，那么，n个直放站时每一个直放站在基站接收端产生的噪声Ｎp'rep与一个直放站时产生的噪声－125dBm相比，需满足以下公式：Ｎp'rep<-125-10Lgn 如果每一个直放站的路径损耗相等，那么，n个直放站时，每一个直放站的增益G'rep，比一个直放站时的增益Grep小10Lgn，即 G'rep。

这样，n个直放站在基站接收端产生的总噪声增量将控制在1dB以内。

总的说来，设置光纤直放站上行增益时需考虑基站发射机至直放站接收机的路径损耗和并联在该基站上光纤直放站的数量。

    c. 正确设置光纤直放站的下行增益－直放站与手机之间上下行平衡的计算
设置光纤直放站的下行增益，也就是控制直放站的输出功率，需要考虑的是直放站与手机之间上下行平衡的问题。为保证上下行平衡，直放站的发射功率需满足以下公式： 直放站发射功率Po＋直放站噪声系数Nf＝手机发射功率Pm＋手机噪声系数Nfm其中：手机最大发射功率Pm＝33dBm手机噪声系数＝6dB直放站噪声系数＝4dB因此直放站的发射功率Po最大为：Po=33+6-4=35 dBm这是设置直放站下行功率要注意的问题。

无线直放站在工程中，设置增益时还需考虑收发天线之间的隔离度，要求增益必须小于收发隔离度，才能避免直放站自激。光纤直放站一般收发天线相距较远，隔离度不需要考虑。

8. 使用案例
光纤直放站相对于无线直放站来说，成本相对较高，而且需要敷设光纤，设计和施工难度也较大，但与无线直放站相比，光纤直放站有着无可比拟的优点，光纤直放站主要运用在以下几个不具备安装无线直放站条件的情况：
    1、覆盖区域距离基站较远，在该地无法取得基站无线覆盖的信号。
     2、覆盖目标区域无线环境非常恶劣，需要采用天线阵对该区域进行覆盖，而该区域无法布放粗大的馈线的情况下，采用光纤直放站，布放光纤传输信号方便设计和施工。

(1) 隧道覆盖
根据规模的不同，隧道长短不一，短的几十米，长的几公里，区域内话务量并不高。隧道内无线信号传播环境复杂，受隧道大小和转弯等因素影响，无线信号衰减很快，一个基站的覆盖范围有限，因此，适合运用直放站解决覆盖问题。

下面是某隧道的例子。 某隧道由于受到山的阻挡，是信号覆盖的盲区，而且经过实地勘察后发现有以下的问题：
　a. 该区域无视距范围内的基站，接收基站信号微弱，低于－90dBm，信号质量差，因此无法安装无线直放站。 　　

    b. 该区域距离基站较远，安装覆盖天线的最佳位置距离基站有1公里。

为了解决该区域的覆盖问题，我们采用光纤直放站进行覆盖。 基站距离隧道入口有1公里，隧道外信号覆盖较弱，隧道内是覆盖盲点。这个方案中，光远端机安装在隧道口，光远端机的信号三功分后送入3面定向天线，其中2面覆盖两条隧道，另外1面覆盖公路，很好地解决了该区域的覆盖问题。

    (2) 某村密集楼房的覆盖
某村是城市里的“城中村”，村中的建筑全部是7～8层楼房，楼房非常密集，无线信号传播环境非常恶劣，经过测试，每个基站仅能覆盖的半径为基站周围约四幢楼的范围，如果采用增加基站来解决室内信号覆盖，需建设3至5个基站，运营成本很高。　　

为了满足客户的要求，解决该村的信号覆盖问题，我们设计了一个天线系统对该区域进行覆盖。每隔四、五栋楼，安装一个小型全向天线对这几栋楼进行覆盖，一共用了20余根全向天线，天线与基站之间采用多台光纤直放站进行连接，每天线发射功率为10dBm左右，解决了该区域的覆盖问题。

以光纤直放站延伸基站覆盖，特点是投资少、见效快，能快速扩大网络的覆盖范围，特别是随着近年技术的发展，光纤直放站不但性能稳定，各种指标满足GSM规范要求，而且开通了监控功能，使光纤直放站的建设和维护都非常方便，完全可以在GSM网上运行。

在很多机房选址难，传输、电源、铁塔等配套设施建设难度大，建设成本高，而从竞争和服务上考虑，又必须进行覆盖的地方，如乡镇、公路、旅游景点等话务较小的地区，完全可以用光纤直放站代替基站进行覆盖；同时，通过加装光纤直放站，扩大话务量小的基站的覆盖范围，提高该基站的话务量，从而提高了原有基站设备的利用率。总之，在网络中建设光纤直放站，是扩大网络覆盖，提高网络质量和设备利用率的有效手段。