农话接入基站扇区化设计

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0、前言
　　为了解决中国农村的通信问题，根据农村用户分布广、散，地形复杂的特点，为节省工程投资和维护成本，运营商在农村的用户接入网主要采用无线接入方案。
　　目前，我国农村无线接入网络主要采用华为、中兴、大唐的无线接入设备组网，用户已达数百万户。
　　在农话无线接入规划设计中，根据用户预测，对业务发展的不同阶段，在无线接入侧，不同小区配置不同的无线资源。随着用户数量不断增长，基站容量需要相应扩容，天线系统也必须适当调整，常常要求对覆盖扇区的裂化方式进行改造。
　　本文以华为RASYS无线接入基站为例，就天线扇区裂化情形，进行专题研究，以便在工程分期建设时，指导不同建设期之间的衔接，方便扩容、割接，从而节省后期工程投入。
1、农话接入网络现状
　　华为公司的RASYS系统由基站控制器（RAC）和RAU、用户终端以及配套的监控、网管设备组成，RAC通过标准的V5.2接口接入固网的C&C08交换机。
　　每个基站均通过E1电路，经传输网络接入到RAC，RAC通过V5.2接口接至固网交换机，用户端使用固定电话机。
　　RASYS无线接入网络采用CDMA2000的空中接口技术，具备CDMA2000的技术特征。基站容量具备软容量的特点，采用功率控制技术，具有软切换功能，使用话音激活技术等。网络结构见图1。

图1　RASYS系统网络结构

　　a）基站的无线资源能力。阻塞率为5%时，单载频有35 Erl，每用户忙时话务量按0.03 Erl计，单载频基站可接纳1 153个用户进行话音通信（目前低速数据通信需求可以忽略不计，估算基站容量时，以话音通信为主）。
　　b）基站的容量规划。农村用户分布广，初期要求基站容量较小。根据规划，一般配置单载频，在规划第二期、第三期业务预测时，考虑逐步扩容载频。
　　c）基站的天线配置。在初期配置天线时，少部分基站选用单载频、全向天线组网，大部分基站选用单载频、定向天线组网。选用全向、定向天线的原则，主要取决于规划期末用户的发展、无线覆盖环境以及相邻基站的相互干扰程度等。
　　对于配置单载频、使用定向天线的基站，采用功分器将小区扇区化。
2、功分器损耗及安装设计
　　2.1　功分器插入损耗
　　RASYS单载频基站发射功率为20 W，使用增益为10 dBi的全向天线或65°半功率角的、增益为15.5 dBi的定向天线。用户接收端可使用两种固定台，室外型和室内型。其中固定台发射功率为250mW，使用两种增益天线：室外型固定台使用11 dBi定向天线，室内型固定台使用2.15 dBi全向天线。
　　当基站使用65°半功率角定向天线时，一般采用功分器实现天线定向扇区化。由于功分器的插入，必然增加链路衰减。
　　RASYS农话接入系统使用Kathrein公司的功分器。对于型号为K6320227的一分二功分器，频率为450 MHz（380～512 MHz），上行插入衰耗为3 dB；对于型号为K6320227的一分三功分器，频率为450 MHz（380-512 MHz），上行插入衰耗为4.8 dB，下行链路功分器没有插入损耗。
　　对于功分器插入衰耗，按一分二功分器描述（见图2）。

图2　一分二功分器原理示意图

　　发射方向（Tx）：端口1来自功放的功率信号经过功分器平均分配到端口2和端口3（见图中红色部分）。
　　接收方向（Rx）：图中只标示了端口2进来的接收信号，若端口3有相同或不同的信号，分析方法相同。但若有相同信号，就会出现信号加减，信号相差较大时，可以忽略。端口2和端口3并不与50 Ω接口匹配，因此25%的信号被反射回去，25%的信号去向端口3，只有50%的信号由端口1到达接收机，因此损耗为3 dB。端口2和端口3之间的隔离度为6 dB。
　　同样道理，可以推算出一分三功分器的衰耗（见图3）。

图3　一分三功分器原理示意图

　　如上所述：一分二的功率分配损耗为3 dB，端口隔离为6 dB；一分三的功率分配损耗为4.8 dB，端口隔离为9.5 dB。
　　需要说明的是，图2和图3中功分器的功率分配比例均由设备厂家提供。
　　2.2　功分器安装设计
　　根据农话接入容量规划，相应的载频配置的演变规律遵从图4方式。

图4　基站载频配置演进

　　通常，农话接入网络初期，配置单载频，容纳1 153个用户进行话音通信，发展第二阶段，配置二个载频，容纳约2 000用户进行话音通信，第三阶段配置三载频，可容纳约3 000用户进行话音通信。
　　对于采用功分器基站，为适应规划后期发展需要，要求功分器安装在机房内的基站设备顶部或附近。以下讨论功分器安装在基站设备顶部或附近时的安装设计。
　　2.2.1　RASYS单裁全向基站改造为双载频双功分基站
　　如果采用S0.5/0.5方案，天线全部置换成定向天线，增加4根馈线（如果要减少割接时长，可以考虑全部使用新的馈线）。改造天馈线连接图如图5所示。

图5　单载频全向基站改造为双载频双功分基站连接示意图

　　2.2.2　RASYS单载频三功分基站改造为双载频双功分基站
　　如果采用S0.5/0.5方案，只需要改变跳线的连接方式即可完成。改造天馈线连接图如图6所示。

图6　单载频三功分基站改造为双载频双功分基站连接示意图

　　2.2.3　RASYS双载频双功分基站改造为三载频三扇区基站
　　如果采用S1/1/1方案，只需要改变跳线的连接方式即可完成。改造天馈线连接图如图7所示。

图7　双载频双功分基站改造为三载频三扇区基站连接示意图

　　2.2.4　S0.5/0.5、S0.3/0.3/0.3与全向基站的差异
　　全向基站覆盖范围为基站四周均处于理想环境（无障碍物），且各个方向的覆盖基本一致，但如果采用S0.5/0.5或S0.3/0.3/0.3，则覆盖范围受定向天线方向图的影响，每个方向覆盖不再均匀，因此必须关注这种差异性。
3、定向天线和扇化增益
　　有3个扇区的基站，如果使用理想的120°半功率角天线模式（如图8（a）所示），就只收到来自1个扇区的信号，从而干扰减小2/3，这样扇区信噪比提高3倍，导致容量也可以增加3倍。
　　然而这只是理想状态，实际的120°和理想的模式有一定差异（如图8（b）所示）。同样，使用65°半功率角天线模式和理想的模式也有一定差异。

图8　120°扇区中方向天线的天线模式

　　事实上，各个扇形天线的辐射模式间总有一定的重叠，约为15%，干扰也不会准确减少3倍。更准确的扇化增益表达为
　　
　　式中：
　　N——扇区数
　　——全向小区的干扰因子，=0.6
　　——扇形小区的干扰因子，=0.85
　　从而扇化增益X为2.6。
　　以dB形式可表示为
　　10lgX=10lg2.6=4.1 dB
　　由此可知：基站全向天线改为定向天线时，天线扇区化带来扇化增益为4.1 dB。
4、无线链路空间损耗
　　RASYS农话接入网使用450 MHz频率，覆盖预测采用Okumura-Hata模型。该模型以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正。
　　市区的路径损耗中值标准公式为
　　
　　式中：
　　Lp——市区基站到固定台的路径损耗（dB）
　　f——载波频率（MHz），范围为150～1 500 MHz
　　hb——基站有效天线高度（m），范围为30～200 m
　　hm——固定台有效天线高度（m），范围为1～10 m
　　d——基站到固定台的距离（km）
　　Ahm——有效固定天线修正因子（dB），其值取决于环境
　　在郊区，标准模型可以修正为
　　
　　在农村（开阔地），标准模型可以修正为
　　
　　从无线链路空间衰耗计算公式中可以看出，无线信号在空中的衰耗主要受到信号传播距离、传播使用的频率以及环境影响，而基站覆盖的扇区分裂不会影响其空中传播衰耗。
5、宏基站扇区裂化对链路预算的影响
　　链路预算分下行链路预算和上行链路预算。
　　对于下行链路预算，就是要求保证用户终端能可靠接收基站的信号，满足规定的误帧率要求，主要取决于基站发射功率、馈线的衰耗、插入器件的插入损耗、基站天线增益、无线链路空间衰耗、终端接收灵敏度等增益和衰减。
　　对于上行链路预算，就是要求保证基站能可靠接收用户终端的信号，满足规定的误帧率要求主要取决于用户终端发射功率、馈线的衰耗、终端天线增益、无线链路空间衰耗、基站接收灵敏度等增益和衰减。
　　改变链路中任一个因素，都将影响链路预算，并很有可能影响用户的通信，特别是网络边缘的用户通信最有可能受到影响。
　　对于RASYS网络已建基站，当进行宏基站扇区改造时，从以上分析可以看出，由于扇化增益和功分器插入损耗这两方面原因，下行和上行链路预算将受到不同的影响。
　　在下行链路预算中，基站天线扇区化带来扇化增益4.1 dB，虽然使用功分器，但功分器不带来插入衰耗，功率均等分配到各扇区。
　　在上行链路预算中，基站天线带来扇化增益4.1 dB，由于使用功分器，给链路带来插入损耗，一分二的功率分配损耗为3 dB，端口隔离为6 dB；一分三的功率分配损耗为4.8 dB，端口隔离为9.5 dB。
　　对上行和下行链路预算的具体影响情况见表1和表2。

表1　农话接入基站扇化时下行链路预算变化情况

表2　农话接入基站扇化时上行链路预算变化情况

　　从表1和表2的结果可以看出，在农话接入网络已建基站基础上，对宏基站天线的扇区进行裂化，虽然使用功分器带来了插入损耗，但CDMA系统在天线进行扇化后，会带来扇化增益。上行链路，功分小区提高增益1.1 dB，单载频小区提高增益4.1 dB；下行链路，提高增益4.1 dB。综合效果是提高链路增益。
6、结束语
　　从以上分析可以得出结论：在进行农话接入基站优化设计中，由于扇区化的结果是提高链路增益，扩大基站覆盖范围，因此，不必担心会降低边缘用户通信概率和正常使用。