浅析PHS三信道移频直放站原理和应用

引言

　　目前，PHS(个人手提电话系统，俗称小灵通)网络已基本覆盖我国的大部分城市和乡镇，而PHS本身因为其低辐射环保和价格低廉，深受广大民众的喜爱，用户数已达到8 900万户，并持续增长。在这样的环境下，PHS网络质量的重要性越发显著，网络优化建没工作也成了重中之重。

　　由于PHS技术特点的原因，基站容量和覆盖范围有限，基站之间的容量分摊缺乏灵活性，部分地区由于信号覆盖不好而导致的用户增长缓慢和用户投诉率高。比如：基站场强偏低，手机通话不稳定或无法拨通；或者处于不同基站覆盖的边缘，信号重叠，手机频繁切换甚至掉话；因建筑物等遮挡而造成的阴影区；个别地区容量不够导致手机无法上线；某些地区距离局端过远无法安装基站，或者某些活动的应急通信无法及时安装基站导致的覆盖欠缺或空白。这些问题的存在极大地影响了PHS的竞争力甚至导致部分用户流失。PHS智能型三信道直放站正是解决这类问题的利器，而且它安装方便，应用面广，受到了运营商的重视，是一种有特色的高性价比产品。

　　文中介绍了PHS工作原理，并结合PHS网络优化过程中需要考虑的覆盖、优化及抗干扰等问题，详细说明了PHS三信道移频直放站的用途、使用环境和注意事项。

1 工作原理

　　PHS智能型移频直放站的工作原理是：下行时它以手机的身份和宿主基站通信，如图1所示，接收基站的信号并解调，将解调后的信号再调制，并以新的CS-ID在新的时隙和频点发送给手机，这个过程称为转时隙发送。同理，上行也是如此。由于直放站自己产生新的CS-ID，手机在通信过程中并不直接接收基站的信号，而是与直放站建立链接。

　　值得一提的是，直放站的引入不会提高基站的噪声电平，并且因为信号是解调后再由直放站调制发射的，所以实现了对信号的恢复，排除原来传递过程中的失真和干扰；在同样情况下，可以有效改善信号质量和减小再接收时的误码率。

　　直放站、基站与手机之间的空中接口遵循RCRSTD-28协议，按协议规定，空中接口以TDD(时分双工)／TDMA(时分多址)方式工作，每一帧提供4个信道，分成1个CCH(控制信道)和3个TCH(业务信道)。CCH负责呼叫控制和TCH信道分配，TCH完成手机接人网络和通信过程。直放站工作原理如图2所示。

　　当手机进入直放站覆盖区域时，可显示直放站场强，处于测试模式的手机可以看到直放站产生的CS-ID。若手机不进行通信，则直放站不占用宿主基站的信道，若只有1台手机通信，直放站只占用基站1个TCH。同理，超过3台手机同时通信，因直放站信道占满而直接接入基站或其他信源。

　　移频直放站与基站之间或者多台移频直放站之间，不会互相干扰导致自激，根据不同的需要，多台直放站可接人同一宿主基站。

2 上下行链路平衡

　　对于实现双向通信的系统来说，上下行链路平衡是十分重要的，是保证在两个方向上具有同等的话务量和通信质量的主要因素，也关系到小区的实际覆盖范围。合理地确定PHS移频直放站的输出功率和接收灵敏度决定了它的上下行链路的性能和平衡度，从而使系统工作在状态，在切换和呼叫建立期间，移动通话性能更好。接收灵敏度是指在确保BER(误比特率)不超过某一特定值的情况下，在天线接收端口测得的接收功率，这里取BER=10-3。接收灵敏度可以用下列方法推导得出。根据噪声系数FN的定义，输入信噪比RSNR应为：

式中：RSNRo为噪声门限。

输入噪声功率为：

　　当RSNRo为满足BER<10-3时(即噪声门限)，则输入信号的功率Si即为接收灵敏度：

　　式中：k为波尔兹曼常数(1.38×10-23 J／K)；T为温度(K)；B为噪声带宽(Hz)；FNB为收信机噪声系数。

　　由于k、T为常数，故接收机灵敏度以对数形式表示，则有：

　　PHS采用的π／4-DQPSK(差分编码正交相移键控)有3种解调方式：基带差分检测、中频差分检测、鉴频器检测。可以证明这3种非相干解调方式是等价的，在具有理想传输特性的稳态高斯信道，解调的BER曲线如图3实线所示，由图可以查出在BER=10.3的情况下，系统可以正确解调的信噪比门限只需要为9 dB，但实际的解调性能线与理沦线大约会相差2 dB～3 dB，故取解调信噪比门限RSNR。为12 dB。信号带宽B为288 kHz，直放站收信机噪声系数FNR≤3dB，按3 dB计算，根据式(2)，所需要验证的直放站灵敏度Si为：

　　PHS手机的平均发射功率按照协议要求小于等于10 mW，峰值功率小于等于80 mW且不可调，故设Pps=19 dBm。一般PHS手机的灵敏度为16 dBμV即-91 dBm。

计算上下行链路的允许路径损耗如下：

　　a) 下行，从直放站到手机：直放站发射功率为33 dBm，线损为1 dB，直放站天线增益为10 dBi，等效全向辐射功率为42 W，手机灵敏度为-91 dBm，手机天线增益为1 dBi，衰落余量为6 dB，人体损耗为3 dB，下行路径损耗为125 dB。

　　b) 上行，从手机到直放站：手机发射功率为19 dBm，手机天线增益为1 dBi，等效全向辐射功率为20 W，线损为1 dB，直放站天线增益为10 dBi，直放站灵敏度为-104.3 dBm，衰落余量为6 dB，人体损耗为3 dB，上行路径损耗为124.3 dB。

　　e) 链路不平衡度(下行-上行)为0.7 dB。可以看到，链路的平衡度不平衡度小于1 dB，保障了上下行是基本平衡的。一般工程设计，下行路径损耗略大于上行0～1.5 dB。

3 干扰和同步

3.1 干扰

　　由于是无线传输，空中接口是开放的，很容易引入干扰。干扰的存在会影响有用信号的接收，妨碍通信的正常进行或直接造成通信失败，降低网络的性能和效率。PHS受到的干扰主要分为系统外干扰和系统内干扰两种。

　　系统外干扰主要源于其他频段系统使用功率信号的边缘频率信号或者协波信号，包括目前的GSM、WLAN，以及将来可能使用的3G等。PHS三信道移频直放站在射频端口装有PHS腔体滤波器，去除了系统外干扰的影响。同时，该滤波器还具有一定程度的防雷作用。

　　系统内干扰分为邻频干扰和同频干扰。邻频干扰是邻频的谐波对有用信号的干扰，主要的解决办法是设备端保证有良好的邻道选择性。较高的射频输出性能(高ACPR、低延时)的直放站可以上降低了邻频干扰的可能性。

　　同频干扰是PHS存在的主要干扰，也是网络优化中主要解决的问题，同频干扰包括CCH的干扰和TCH的同频干扰，造成同频干扰的原因主要是基站／直放站的密度过大且天线下倾角过小和系统没有严格同步。现场考查过后，可以通过调整天线高度或角度、基站／直放站的参数等来减小于扰。

3.2 同步

　　当各基站的帧相位不同步时，就会出现时隙对不齐的情形，从而导致TCH的时隙使用效率降低。TCH时隙不同步造成对相邻两个时隙的干扰，使周围基站发生不必要的TCH切换，甚至导致时隙不能被占用。造成通话有噪声，或者难以通话等问题。对于这种情况，要利用有效测试工具，选择一个基站作为基准，现场查看，找出问题所在。

4 直放站的优势和限制

直放站主要的优点是：

　　a) 安装方便，只要求有供电和一定强度的宿主基站信号即可，施工周期很短，见效快。对于室外安装，常用的安装方式是抱杆和挂墙，设备防水，壳体接地，防雷设计；室内使用时，设备体积较小，重量较轻，安装方式更为灵活。

　　b) 不增加容量，性价比高，尤其在一些低话务量的地区如乡村、道路或者基站问的盲区。解决无线话路局部拥塞／局部空闲问题；在话务量较少的地方因地制宜地延伸基站覆盖范围，代替基站使用。

移频直放站在使用上也有些限制：

　　a) 无分集，受环境影响大，多径衰落影响明显。直放站适用于相对简单地环境，一般不建议室外安装覆盖室内或者室内安装覆盖室外。

　　b) 移频直放站工作时会使用新的CCH和TCH，在基站密集或者频率资源紧张的地区不适合使用。

　　直放站有时隙单元干扰检测功能，可自动检测宿主基站分配的信道是否被占用或者被干扰，同时给手机分配频点和时隙。一般室外应用时，建议使用定向天线和八木天线等波瓣张角较小的天线，以减小与周围基站之间可能存在的互相干扰。

5 应用实例

　　以南京某个700坪工厂为例，直放站覆盖前PHS信号是由外部远处的基站经由多个建筑物反射后，穿透钢筋混凝土后达到厂房内部的。从图4中看出实地场强除了靠近窗口处，其他大部分面积场强都在30 dBμV以下，小灵通手机通话不稳定、噪声大、上线困难。

　　通过在窗口外引入外接宿主天线接收基站信号，如图5所示。由于所需覆盖环境相对简单，一个吸顶天线就可以达到目的，并且不影响美观。安装后可以看出信号覆盖强度和质量都得到了大幅度提高，并且实际拨打效果也改善了许多，通话无噪声，不掉话，去话接通虑高于95％，同时也提高了宿主基站的话务量。

　　直放站有许多不同的适用环境，应当结合具体环境考虑，选择合适的天线、宿主基站和安装方式，以达到的网络优化效果。

6 结束语

　　PHS 三信道移频直放站完全可以解决城市中的大多数覆盖不良点，是投入少、见效快的方案，由于移频型直放站比其他类型的直放站具有更高的适用性，大量采用该类直放站优化刚络是可行并经济的。