无线工程初步设计基站设计流程及技术要点

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22、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覆盖区域非常重要，对市场发展影响非常大3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4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1Erlang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排队模型用户排队服务3.1、话务工程基本概念5Erlang-B表公式Pn(A)=Ann!1++...+A1!Ann!Pn(A)=阻塞率(%)n个中继电路是话务量A的函数A=话务量(Erlangs)n=中继电路由于阻塞而丢失的话务量中继电路数时间最大信道数平均忙时信道数启呼话务量,A6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PSTNOfficeP.001P.005P.02P.005CDMA系统各部分的阻塞率BTSBTSBTSBSCMSC7话务量阻塞启呼的话务量(TO)是用户启呼的话务量TO=CAxCDCA=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通过的话务量BTSBTSBTSBTSBTSBTS启呼的话务量BSCMSC阻塞的话务量8话务量查表A=f(B,n)阻塞率0.00010.0020.027Bn123002.9350.2话务量Erl中继电路9话务量速查10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11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%小时周日周一周二周三周四周五周六话务强度12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年人口普及率用户数忙时话务量/用户忙时总话务量小区数量平均话务量/小区平均信道数/小区总话业务信道数0/项目启动1,000,0000.1%1,000.10010010101717011,000,0002.5%25,000.051,2502550611,52521,000,0005.0%50,000.042,0003557682,38031,000,0007.0%70,000.032,1004052.5642,56041,000,0009.0%90,000.0282,5204556673,01551,000,00012%120,000.0253,0005060713,550117111019857652738167166997现有系统的话务量133.2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157-112-13122179-112-8711295193-616614131133-133-175-2-2-121137--62-194-5---36-53-45话务量,Erl话务小方格计数104.212.44.220.61411.66.82126.435.2191.43.268.41.07.822.418.85.65.61792092921191329354527581215414312711110.21.03.0Erlangs14新的Erl数需要的信道数原有的Erl数104.212.44.220.61411.66.82126.435.2191.43.268.41.07.822.418.85.65.6211225123828241639476036610151951841351414145.8817.365.8828.8419.616.249.5229.436.9649.2826.61.964.488.411.761.410.9231.3626.327.847.84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15需要的信道数211225123828241639476036610151951841351414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211225123828241639476036610151951841351414需要2个以上扇区（站点）的区域假设最大扇区话务性道数2216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173.3.1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18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19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21dB3.3.2正常解调电平203.3.3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213.3.3链路预算分析链路预算分上行链路和下行链路两种情况分析： 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3.5dB223.3.3链路预算分析典型GSM网下行链路分析项目名称单位城市密集区城市郊区乡村开阔地基站发射功率dBm43.043.043.043.043.0典型馈线损耗dB3.03.03.03.03.0双工器损耗dB1.01.01.01.01.0合路器损耗dB3.03.0000基站天线增益dBi13.016.018.018.018.0基站有效发射功率ERPdBm49.052.057.057.057.0人体损耗dB3.03.03.03.03.0手机静态接收灵敏度dBm-102.0-102-102-102-102衰落余量dB10.08.08.06.06.0恶化储备dB6.04.03.03.03.0建筑物穿透损耗dB2520141210最大允许空间链路损耗dB10711913113513723链路预算分析系统参数IS95ACDMA1x话音话音数据业务速率(kbps)9.69.69.619.238.476.8153.6扩频带宽(MHz)1.22881.22881.22881.22881.22881.22881.2288最大移动台发射机功率(W)0.20.20.20.20.20.20.2最大移动台发射机功率(dBm)23232323232323连接器、合成器等损耗总计(dB)1111111移动台天线增益(dBi)1111111人体损耗(dB)3300000移动台总的ERP(dBm)20202323232323基站天线增益(dBi)15.715.715.715.715.715.715.7基站馈缆损耗(dB/100m)6666666基站馈缆长度(m)50505050505050其它损耗估计(dB)1111111基站天馈损耗总计(dB)4444444小区负载因子0.50.50.50.50.50.50.5干扰余量(CLF)(dB)3333333接收机噪声系数(dB)5555555热噪声谱密度(dBm/Hz)No=KT-174-174-174-174-174-174-174接收机干扰功率密度(dBm/Hz)-169-169-169-169-169-169-169总有效噪声加干扰功率密度(dBm/Hz)-165.99-165.99-165.99-165.99-165.99-165.99-165.99数据速率(dB-Hz)39.8239.8239.8242.8345.8448.8551.86Eb/Io(dB)6.84.94.943.32.72.2基站灵敏度(dBm)-119.37-121.27-121.27-119.16-116.85-114.44-111.93软切换增益(dB)3.53.500000覆盖区边缘通讯概率(%)0.750.750.750.750.750.750.75正态衰落方差(dB)8888888正态衰落余量(dB)5.45.45.45.45.45.45.4最大允许空间损耗(dB)149.17151.07150.57148.46146.15143.74141.2324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=[（λ2/4π）/(4πd2)]*Pt传播损耗定义为L： L=Pt/Pr=（4πd/λ）2 表示为分贝形式： [L]=10*log[（4πd/λ）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)]PrPtPr3.3.4无线传播特性25 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

dBT(s)3.3.4无线传播特性26 场强特性曲线的瞬时值快速起伏变化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dBd快衰落3.3.4无线传播特性27 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dBd慢衰落3.3.4无线传播特性28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40λ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)=(2πσt2)-1/2exp[-(m-M)2/(2σt2)]75%的可通率，m=0.9*8=5.4dBmpmM3.3.4无线传播特性29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303.3.5传播模型获得最大允许空间链路损耗后，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31Walfisch-Ikegami模型视通情况下：非视通情况下：3.3.5传播模型323.3.5传播模型Walfisch-Ikegami模型（续）其中：Lmsd=Lmsd(1)+ka+kdlog(d)+kflog(f)-9log(b)其中，Lstreet=:(-10)+0.354aa<352.5+0.075(a-35)35<a<554.0-0.114(a-55)55<a<90333.3.5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：343.3.5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K2~K6—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，用来表示两段函数，例如LOS：

1logdd<dbreak

Prx-Ptx=-I1m-{+K6(Hmeff)+Kclutter+AntGain

s2logd+(s1-s2)logdbreakd≥dbreak353.3.6最大覆盖半径HataModel,800M,40mcost-231model,800M,40mdhata密集城区城区郊区乡村开阔地cost

密集城区城区郊区乡村开阔地1123.35123.35118.35113.35106.3595.35120.57120.57117.57114.57112.5796.571.5129.41129.41124.41119.41112.41101.41126.63126.63123.63120.63118.63102.632133.71133.71128.71123.71116.71105.71130.93130.93127.93124.93122.93106.932.5137.05137.05132.05127.05120.05109.05134.27134.27131.27128.27126.27110.273139.77139.77134.77129.77122.77111.77136.99136.99133.99130.99128.99112.993.5142.07142.07137.07132.07125.07114.07139.29139.29136.29133.29131.29115.294144.07144.07139.07134.07127.07116.07141.29141.29138.29135.29133.29117.294.5145.83145.83140.83135.83128.83117.83143.05143.05140.05137.05135.05119.055147.40147.40142.40137.40130.40119.40144.62144.62141.62138.62136.62120.625.5148.83148.83143.83138.83131.83120.83146.05146.05143.05140.05138.05122.056150.13150.13145.13140.13133.13122.13147.35147.35144.35141.35139.35123.356.5151.32151.32146.32141.32134.32123.32148.54148.54145.54142.54140.54124.547152.43152.43147.43142.43135.43124.43149.65149.65146.65143.65141.65125.657.5153.46153.46148.46143.46136.46125.46150.68150.68147.68144.68142.68126.688154.43154.43149.43144.43137.43126.43151.65151.65148.65145.65143.65127.658.5155.33155.33150.33145.33138.33127.33152.55152.55149.55146.55144.55128.559156.19156.19151.19146.19139.19128.19153.41153.41150.41147.41145.41129.419.5156.99156.99151.99146.99139.99128.99154.21154.21151.21148.21146.21130.2110157.76157.76152.76147.76140.76129.76154.98154.98151.98148.98146.98130.9810.5158.49158.49153.49148.49141.49130.49155.71155.71152.71149.71147.71131.7111159.19159.19154.19149.19142.19131.19156.40156.40153.40150.40148.40132.4011.5159.85159.85154.85149.85142.85131.85157.07157.07154.07151.07149.07133.0712160.49160.49155.49150.49143.49132.49157.71157.71154.71151.71149.71133.71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363.3.7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

374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”384.1确定站址站址确定位置站高39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40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414.2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42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43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44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454.3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46天线的增益偶极子λ/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47天线的极化TxRx天线具有极化方向——垂直、水平 当接收天线和发射天线极化方向相同时增益最大Tx建筑物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48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，接收不同极化方向的两个信号，形成不相关的两个接收信号——2～3dB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1dB4.3.3确定天线参数49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50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H÷tan(下倾角）=主瓣方向覆盖目标（覆盖半径）站高H÷tan(下倾角-垂直波半角/2）=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51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52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535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

54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55CDMA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]

5.1多种覆盖手段56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57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0-15dBm5.1多种覆盖手段58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10～50m范围内，近似与距离成正比计算公式为：LS（dB）＝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59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