無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳播環(huán)境對(duì)PHS網(wǎng)絡(luò)RF優(yōu)化的影響

 作者:陳景國(guó)    64



目前,PHS網(wǎng)已在移動(dòng)通信網(wǎng)中占有相當(dāng)?shù)姆蓊~。其用戶(hù)總數(shù)量已超過(guò)1000萬(wàn),多于CDMA網(wǎng)用戶(hù)總數(shù),并且每月以?xún)粼?0萬(wàn)用戶(hù)的速度快速發(fā)展。


隨著PHS網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,“小靈通”用戶(hù)也開(kāi)始逐漸從中低端擴(kuò)展到中高端,PHS網(wǎng)絡(luò)也從中小城市走向大中城市。大中城市中的城市環(huán)境與中小城市相比,有顯著的特點(diǎn)。比如,高層建筑物多,而且其中多為高端用戶(hù);車(chē)輛多,車(chē)內(nèi)使用話(huà)機(jī)普遍,在某些路段車(chē)速較快;用戶(hù)密集區(qū)多,基站密度大;通信頻譜中潛在的電子干擾源增多等等。PHS網(wǎng)覆蓋的特點(diǎn)是CELL半徑小,基站手機(jī)功率小,天線(xiàn)高度低,單個(gè)基站信道總數(shù)少等等。這些都為我們?cè)谛碌腞F規(guī)劃及優(yōu)化中提出了更高的要求。本文中,我們將介紹一些移動(dòng)通信中無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播的基本特點(diǎn),并結(jié)合例子對(duì)一些地區(qū)目前的網(wǎng)絡(luò)中若干現(xiàn)象做簡(jiǎn)單解釋?zhuān)⑻峁┛赡艿慕鉀Q方法。


1. 多徑效應(yīng)

實(shí)際環(huán)境中無(wú)線(xiàn)電波的傳播非常復(fù)雜,可能受到各種因素的影響,其中一個(gè)很重要的因素就是多路徑效應(yīng)。它是指電波沿著傳播路徑傳播時(shí)由于發(fā)生反射、衍射和透射,使得到達(dá)接收天線(xiàn)的部分信號(hào)其相位和幅度發(fā)生了變化,當(dāng)包括直射波在內(nèi)的所有信號(hào)到達(dá)接收位置后,該處疊加信號(hào)的能量就會(huì)減小或增加,因而造成通信信號(hào)的不穩(wěn)定,產(chǎn)生多徑衰落。在理論研究里,多路徑衰落可以用瑞利分布來(lái)描述,所以也叫瑞利衰落;又由于多徑衰落在空間或時(shí)間上的變化比較快,所以有時(shí)也叫快衰落(小尺度范圍的衰落)。在移動(dòng)通信中,多徑衰落不可能完全消除,我們只能想辦法減小其影響,主要采用的方法是信號(hào)分集。根據(jù)不同的分集原理可分成多種方式,如時(shí)間分集(采用RAKE接收原理)、空間分集(采用陣列天線(xiàn))、角度分集(根據(jù)信號(hào)的不同入射角度)和極化分集(利用波的不同極化方式)等等。目前PHS中使用的是采用天線(xiàn)陣的空間分集方式。其原理是:多徑信號(hào)形成的多徑衰落在空間距離為l/2以上時(shí),衰落深度便已經(jīng)不相關(guān),因此我們可以在相距半個(gè)波長(zhǎng)以上的不同位置接收有不同衰落深度的信號(hào),并將其加在一起,就可抵消這種變化。因此大家見(jiàn)到的基站天線(xiàn)通常是在水平位置錯(cuò)開(kāi)的4根天線(xiàn)組成的天線(xiàn)陣,每根天線(xiàn)中又有4個(gè)半波振子,實(shí)際為16陣元的陣列天線(xiàn)。在PHS基站的天線(xiàn)中,同一副天線(xiàn)既是接收天線(xiàn)又是發(fā)送天線(xiàn),如果它可以消除手機(jī)上行信號(hào)的多徑效應(yīng)的影響,那么它也可以消除基站發(fā)送到手機(jī)的下行信號(hào)的多徑影響。因此,大家在使用手機(jī)時(shí),雖然手機(jī)上并未采用天線(xiàn)陣結(jié)構(gòu),但大多情況感覺(jué)不到多徑效應(yīng)的存在。

但在有的地方某些特殊情況下,多徑效應(yīng)表現(xiàn)的非常明顯。比如,由于市區(qū)高層建筑較多,為解決這些大樓的覆蓋采用了定向天線(xiàn)覆蓋方式。其中在樓內(nèi)客戶(hù)的一個(gè)辦公室里,有一平米大小的區(qū)域內(nèi)信號(hào)很弱,以至于無(wú)法正常通話(huà),而其他地方信號(hào)卻很好。這是因?yàn)椋捎枚ㄏ蛱炀€(xiàn)覆蓋,尤其只采用一根定向天線(xiàn)覆蓋時(shí),由于天線(xiàn)的陣元數(shù)目少,陣元間距小,已經(jīng)起不到空間分集的作用,因此造成這些區(qū)域較強(qiáng)的信號(hào)衰落。要解決這個(gè)問(wèn)題,可以增加該基站定向覆蓋的天線(xiàn)數(shù)目,加大陣列天線(xiàn)的復(fù)雜度,并適當(dāng)稍微調(diào)整一下天線(xiàn)的位置。


2. 多普勒效應(yīng)

當(dāng)手機(jī)在移動(dòng)中通信時(shí),接收信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化,稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)所引起的附加頻移稱(chēng)為多普勒頻移(Doppler Shift)。多普勒效應(yīng)在移動(dòng)通信中同樣不能被完全消除,只能減小其影響。在基站和通信終端中都有鎖相環(huán)電路(PLL),以跟蹤信號(hào)頻率的變化,很大程度上減小了多普勒效應(yīng)的影響。多普勒頻移的大小與信號(hào)的頻率、手機(jī)或周?chē)矬w移動(dòng)的移動(dòng)速度以及入射信號(hào)與移動(dòng)方向的夾角有關(guān);信號(hào)頻率越高,手機(jī)移動(dòng)越快,多普勒頻移就越大。在多徑傳播環(huán)境下,多普勒效應(yīng)的結(jié)果是對(duì)發(fā)射信號(hào)的隨機(jī)調(diào)頻(信號(hào)相位的隨機(jī)變化),它同樣也會(huì)造成信號(hào)的快衰落和慢衰落(大尺度范圍的衰落),造成接收機(jī)的誤碼率增加。比如在某干道的立交橋上,車(chē)速較快,該處手機(jī)經(jīng)常有掉話(huà)現(xiàn)象。這是由于該處信號(hào)覆蓋較弱,在車(chē)速較快時(shí)信號(hào)衰落深度加大,誤碼率增高。要解決這個(gè)問(wèn)題,需要改善此處的信號(hào),并且最好采用智能基站進(jìn)行覆蓋。


3. 乒乓效應(yīng)

在基站下載的參數(shù)文件中有兩個(gè)參數(shù)需要我們注意,即“ 再呼叫型區(qū)間切換處理電平”(參考值:23dB)和“再呼叫型區(qū)間切換區(qū)域的選擇電平”(參考值:32dB)。這兩個(gè)參數(shù)表示在通話(huà)時(shí),當(dāng)手機(jī)接收到原基站的信號(hào)強(qiáng)度降到23dB時(shí),手機(jī)發(fā)起申請(qǐng),要求做基站間的切換(Handover),即切換到下一個(gè)基站上通話(huà)。但下一個(gè)基站信號(hào)必須在32dB以上,手機(jī)才能真正切換過(guò)去,否則只能在原基站上通話(huà)。之所以這兩個(gè)參數(shù)間有9dB的差值,目的是防止“乒乓效應(yīng)”。為說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題,我們假設(shè)這兩個(gè)電平值接近,比如都為23dB。此時(shí),手機(jī)雖然可以很容易地切換到下一個(gè)基站上去,但是由于移動(dòng)通信的信號(hào)有不穩(wěn)定的特點(diǎn),很可能剛切換過(guò)來(lái)的基站的信號(hào)又變?nèi)酰謾C(jī)又開(kāi)始往回切換,從而造成“乒乓效應(yīng)”。這兩個(gè)值相差越大,“乒乓效應(yīng)”發(fā)生的可能性就越小。但太大又可能造成手機(jī)在合適的時(shí)候無(wú)法使用下一基站通話(huà)。一般情況下,我們都采用上面給出的參考值;一些特殊環(huán)境也可考慮改變這些參數(shù)。上面我們討論的是由手機(jī)發(fā)起切換申請(qǐng)的情形,另外還有由基站發(fā)起申請(qǐng)的情形,即當(dāng)基站接收手機(jī)的信號(hào)弱到一定程度(6dB),由基站通知手機(jī)做切換,如果此時(shí)手機(jī)能找到一個(gè)信號(hào)強(qiáng)的基站(32dB以上),則切換到該基站上通話(huà)。造成“乒乓效應(yīng)”有兩種可能,一是通信信號(hào)很不穩(wěn)定,二是兩參數(shù)值間隔太小。

有這樣一個(gè)例子,某一高層樓房,外面采用日立大功率基站定向覆蓋,樓內(nèi)采用20mW京瓷基站覆蓋。在樓房?jī)?nèi)的辦公室中,當(dāng)客戶(hù)通話(huà)過(guò)程中如果轉(zhuǎn)動(dòng)身體,則手機(jī)便做頻繁的切換,甚至無(wú)法通話(huà)。這是因?yàn)?,開(kāi)始時(shí)假如用戶(hù)使用外面的基站進(jìn)行通話(huà),手機(jī)的上行信號(hào)能夠經(jīng)過(guò)窗口(較強(qiáng))和透過(guò)墻壁(較弱)到達(dá)基站。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)身體時(shí),手機(jī)通過(guò)窗口的信號(hào)減弱,造成外面基站幾乎收不到手機(jī)的信號(hào),于是基站申請(qǐng)要手機(jī)做切換,以使用周?chē)谋热缡覂?nèi)基站。當(dāng)用戶(hù)再轉(zhuǎn)動(dòng)身體時(shí),室內(nèi)基站信號(hào)又變?nèi)?,室外基站信?hào)變強(qiáng),手機(jī)又往回切,造成“乒乓效應(yīng)”。這里的情況主要是由于外面基站采用定向天線(xiàn)的天線(xiàn)陣陣元數(shù)目太少(基站側(cè)的另兩根全向接收天線(xiàn)對(duì)手機(jī)的上行信號(hào)幾乎不起任何作用,因?yàn)樗鼈冊(cè)谠撚脩?hù)方向上的接收增益非常微弱),造成下行信號(hào)在室內(nèi)和上行信號(hào)在基站側(cè)的多徑衰落深度加大,信號(hào)不穩(wěn)定。對(duì)于室內(nèi)20mW基站,其信號(hào)強(qiáng)度本身就弱,并且它的天線(xiàn)也為簡(jiǎn)單陣元結(jié)構(gòu),本身消除多徑效應(yīng)的能力也很弱。所以,用戶(hù)所處環(huán)境多徑衰落非常明顯,信號(hào)在空間上(手機(jī)側(cè))和時(shí)間上(基站側(cè))很不穩(wěn)定。

要解決這個(gè)問(wèn)題,須將兩個(gè)定向天線(xiàn)同時(shí)覆蓋該樓房,并將另外兩根全向接收天線(xiàn)也換成定向天線(xiàn),以接收來(lái)自大樓方向的手機(jī)信號(hào);還可以適當(dāng)調(diào)高周?chē)嚓P(guān)基站的兩個(gè)切換參數(shù)間的差值。或者將日立基站換作京瓷基站(因京瓷基站4根天線(xiàn)均為發(fā)射和接收天線(xiàn),可以更好的減小多徑衰落;但此時(shí)基站會(huì)由于采用了定向天線(xiàn),其自適應(yīng)功能而被浪費(fèi)掉)。在滿(mǎn)足話(huà)務(wù)覆蓋的情況下,室內(nèi)的20mW基站也可以不用安裝。


4. 波導(dǎo)效應(yīng)

PHS系統(tǒng)工作在微波段。我們知道微波波長(zhǎng)短,繞射能力差,因此在可視直線(xiàn)情況下傳播最好。另外,波長(zhǎng)越短的無(wú)線(xiàn)電波,當(dāng)遇到在物體時(shí),在其表面發(fā)生鏡面反射的可能也越大。當(dāng)信號(hào)在兩側(cè)是規(guī)則樓房的街道中傳播時(shí),便是以反射方式進(jìn)行,我們稱(chēng)之為“波導(dǎo)效應(yīng)”。在PHS系統(tǒng)的RF規(guī)劃中,我們也充分考慮到了這一特點(diǎn)。比如,將基站架設(shè)在十字路口處和靠近街道的位置,就是為了讓信號(hào)能在周?chē)臻g更好地傳播。另外,在一些規(guī)則的居民區(qū),最好能在與樓房平行的方向上架設(shè)基站,目的也是為了讓信號(hào)能在樓房之間的通道內(nèi)較好的傳播。


5. 孤島效應(yīng)

當(dāng)基站位置過(guò)高時(shí),其覆蓋的范圍就會(huì)增大,由于遮擋物少,以及不同密度空氣層的折射,信號(hào)可以傳到較遠(yuǎn)的地方。此時(shí)手機(jī)可能會(huì)收到該基站信號(hào)。但由于手機(jī)信號(hào)較弱,上行信號(hào)卻無(wú)法到達(dá)該基站,形成“孤島效應(yīng)”。通常情況下,基站覆蓋范圍內(nèi)的手機(jī),其上行信號(hào)都可以被有效接收,系統(tǒng)上下行信道功率是匹配的,因?yàn)樯闲行盘?hào)強(qiáng)度與基站下行信號(hào)強(qiáng)度的差值由基站的接收靈敏度來(lái)補(bǔ)償。但由于空中信道的時(shí)變特性,下行信號(hào)可以到達(dá)的地方,上行信號(hào)可能返不回去?;蛘呱闲行盘?hào)雖能到達(dá),但卻很弱,手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度在基站接收靈敏度之外,造成前面的現(xiàn)象。我們不能采用增加手機(jī)發(fā)射功率的辦法來(lái)解決上行信號(hào)較弱的問(wèn)題,因這會(huì)造成手機(jī)之間的上行信道對(duì)基站的干擾,使整個(gè)系統(tǒng)的容量降低。而應(yīng)采用合理規(guī)劃基站位置的方法解決。


6. 智能天線(xiàn)

PHS是最早實(shí)現(xiàn)智能天線(xiàn)商業(yè)化的通信系統(tǒng)之一。智能天線(xiàn)所實(shí)現(xiàn)的功能大大增強(qiáng)了PHS系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)資源利用率。所謂智能天線(xiàn)就是一種由多個(gè)天線(xiàn)單元組成的并且可以自適應(yīng)調(diào)整的陣列天線(xiàn)。它有兩個(gè)必要基礎(chǔ),一個(gè)是陣列天線(xiàn),一個(gè)是會(huì)計(jì)算的“大腦”,這個(gè)“大腦”就是在基站調(diào)制解調(diào)模塊中的智能處理單元。由于智能處理單元位于基站中,所以我們也常把這種基站叫做智能基站。智能天線(xiàn)實(shí)際上采用了空域和時(shí)域的二維數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),而不只是以前的一維時(shí)域數(shù)字信號(hào)處理,因此它比起以前普通天線(xiàn)技術(shù)在性能上有了很大的提高。

采用智能天線(xiàn)技術(shù)后有以下好處,它可以:

(1)提高基站的等效發(fā)射功率。自適應(yīng)天線(xiàn)的波束成形和波束控制功能使得同輻射功率下的信號(hào)可以傳的更遠(yuǎn),并且可以跟隨手機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置而移動(dòng),從而擴(kuò)大了覆蓋范圍。

(2)提高基站接收的靈敏度?;镜母采w范圍加大后,手機(jī)不會(huì)因?yàn)榫嚯x增大而造成上下行信道的不匹配,因?yàn)榛拘盘?hào)的收發(fā)共用一副天線(xiàn),在提高其等效發(fā)射功率的同時(shí),也同樣提高了其接收的靈敏度。

(3)降低系統(tǒng)干擾,提高信噪比。智能天線(xiàn)的自適應(yīng)功能,可以將信號(hào)發(fā)射到需要它的地方,而在不需要和有同頻干擾的地方發(fā)射很小或不發(fā)射。對(duì)接收上行信號(hào)亦是如此,實(shí)現(xiàn)有選擇的接收信號(hào),從而減少了使用同一個(gè)TCH信道的手機(jī)對(duì)基站的干擾。

(4)增加系統(tǒng)容量,提高頻譜利用率。手機(jī)間的相互干擾減小后,自然就增加了系統(tǒng)容量,提高了系統(tǒng)的可靠性。更重要的一點(diǎn)是智能天線(xiàn)的SDMA功能,它可以提供更多的信道接入,使得可以在有限的頻譜內(nèi)容納更多的用戶(hù)。

(5)增強(qiáng)空間分集效果。智能基站的天線(xiàn)陣在結(jié)構(gòu)上收發(fā)必須要一致,4根天線(xiàn)即是發(fā)射天線(xiàn),又是接收天線(xiàn)。這樣在很大程度上避免了非智能基站中出現(xiàn)的上下行信號(hào)空間分集不匹配的現(xiàn)象。另外,智能天線(xiàn)在空間分集上不是將各天線(xiàn)接收到的信號(hào)簡(jiǎn)單相加,而是采用更合理的運(yùn)算方法決定信號(hào)的最終幅度。


目前,在網(wǎng)絡(luò)中的日立基站性能普遍不及京瓷基站,就是因?yàn)槿樟⒒緹o(wú)智能功能,而京瓷(500mW)均有該功能的緣故。很快,日立公司也會(huì)有自己的智能基站推出,屆時(shí),PHS網(wǎng)的整體性能也會(huì)因此有很大的提升。

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