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移動通信基地站(BS)基礎(chǔ)知識

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移動通信基地站(BS)基礎(chǔ)知識
     
在城市，基地站可以安裝在辦公樓中；在農(nóng)村，安裝在集裝箱內(nèi)。基地站是一套為無線小區(qū)服務(wù)的設(shè)備，通常是一個全向或三個扇形無線小區(qū)。 
    90年代初中國移動通信市場上競爭的有美國的摩托羅拉、瑞典的愛立信及日本的NEC公司。三者生產(chǎn)TACS制系統(tǒng)均有一定的經(jīng)驗。 
    TACS制式基地站包括無線收、發(fā)信設(shè)備及其接口或控制系統(tǒng)。通�；卣居袃煞N控制方式，一種是由移動業(yè)務(wù)交換中心直接控制，基地站除配備收發(fā)信設(shè)備外，只有必要的各種接口，愛立信及NEC兩家公司即采用這種方式；而另一種是基地站具有控制系統(tǒng)(BSC)，即具有一定的智能，摩托羅拉公司即是這種方式。  
    摩托羅拉公司的設(shè)備有兩種系列。圖1是一個典型HC系列5個機(jī)架基地站的組合固，從右到左看，第一個是電源架，第二、第三是發(fā)信架，第四個是收信架，第五個是基地站控制系統(tǒng)(BSC)及音頻架。一個發(fā)信架包括8個話音信道和一個控制信道�，F(xiàn)兩個發(fā)信架互為主備用狀態(tài)，自動倒換，即采用所謂冗余式。圖2是一個典型LD系列3個機(jī)架基地站的組合圖，從右到左看，第一個是電源架，第二、三個是收發(fā)信架(包括基地站控制系統(tǒng))。一個收、發(fā)信架有8個話音信道和兩個控制信道。每一個電源架只能提供兩個收、發(fā)信架的需要，當(dāng)根據(jù)擴(kuò)容需要增加收、發(fā)信架時，電源架也必須相應(yīng)地增加。每增加一個機(jī)架就可增加10個話音信道，可根據(jù)所需信道數(shù)組成多機(jī)架，最多可達(dá)13個。 
由于摩托羅拉公司的基地站設(shè)備具有一定的智能，它可以分擔(dān)移動業(yè)務(wù)交換中心的部分功能，所以從基地站到移動業(yè)務(wù) 
    交換中心的接續(xù)和掛機(jī)過程與愛立信及NEC兩家公司不同，其移動用戶被呼過程，如圖3所示。 
    移動用戶主呼過程，如圖4所示。 
    移動用戶釋放過程，如圖5所示。 
 
圖1. HC系列5機(jī)架基地站的組合圖 
 
圖2. LD系列3個機(jī)架基地站的組合圖 
 
圖3. 移動用戶被呼過程示意圖 
 
圖4. 移動用戶主呼過程示意圖 
 
圖5. 移動用戶呼叫釋放過程示意圖 
    下面以愛立信的基地站設(shè)備(RBS883)為主進(jìn)行簡要介紹。其基地站主要作用是處理基地站與移動臺之間的無線通信，為數(shù)據(jù)和話音信號，在MSC與MS之間起中繼作用。在通話期間，基地站利用監(jiān)測音(SAT)和測量接收信號強(qiáng)度的方法，監(jiān)示無線傳輸質(zhì)量。其基地站設(shè)備主要由一至多部收發(fā)信機(jī)架(根據(jù)信道的需要)、交換機(jī)與無線信道接口機(jī)架、電源架及天線等組成。  
一、收、發(fā)信機(jī)架(單機(jī)架) 
    收發(fā)信機(jī)架上具有與移動臺進(jìn)行無線通信所需的全部設(shè)備。它包括：信道單元、發(fā)射機(jī)(TX)合成器、接收機(jī)(RX)多路耦合器(MC)、信號強(qiáng)度接收機(jī)(SR)、參考振蕩器(用于CMS8810)、控制信道備用倒換(CCRS)、信道測試器(CT)、功率監(jiān)視單元(PMU)等功能塊，其組成框圖及其在機(jī)架中的位置，如圖6及圖7所示。 
 
圖6. 無線信道（RCG）功能塊框圖 
 
圖7. 無線柜（架） 
1、信道單元 
    控制信道和話音信道的信道單元是相同的。每個信道單元由一個發(fā)射機(jī)、一個接收機(jī)、一個控制單元和一個功率放大器組成。功率放大器有三種，它們的輸出功率分別是：10W、25W及40W；究競選年哪一種，取決于小區(qū)覆蓋半徑的大小。為了獲得所需的覆蓋，在安裝時可在三種功率放大器中選擇一個。發(fā)射機(jī)的輸出功率受軟件(SW)和硬件(HW)控制。硬件是裝在收發(fā)信盤(TRM)面板上的一個電位器，可用人工進(jìn)行調(diào)整，調(diào)節(jié)范圍可從最大輸出功率下調(diào)20dB。軟件調(diào)節(jié)有7個檔次，每檔4dB調(diào)低輸出功率。硬件和軟件控制后的最小輸出功率為100mW。 
    收發(fā)信盤(TRM)裝在一個雙面鋁／鋅合金材料鑄成的盒子里。發(fā)信機(jī)(除功率放大器外)、接收機(jī)和電源裝在一邊，控制單元(CU)裝在另一邊，功率放大器(PA)單獨地用螺絲固定在收發(fā)信盤的后面，并配有一個溫控電扇。 
    一個基地站可以由一個或幾個收發(fā)信機(jī)架組成，最多96個信道單元。 
    在同一個機(jī)架中的信道單元，可由MSC指令分配給本基地站的不同無線小區(qū)。同樣，信道單元也能指定為話音信道、控制信道或作信號強(qiáng)度接收機(jī)。通常CMS8810機(jī)第一信道為控制信道，2~8信道為話音信道單元，第二信道(Ch2)為備用控制信道單元。 
    控制單元由微處理機(jī)組成，為信道單元的智能部分，它負(fù)責(zé)管理送向MSC的信令過程和送向MS的信令，并負(fù)責(zé)對收發(fā)信單元的控制，同時也負(fù)責(zé)測量來自MS話音信道的質(zhì)量和整個收發(fā)信單元的故障監(jiān)測。 
2、接收機(jī)多路耦合器(MC) 
    單機(jī)架(A機(jī)架)的接收機(jī)多路耦合器，用于把接收信號分配給二個功率分配器。每個分配器所引入的6dB衰耗，由多路藕合放大器的增益(前置放大器)來補(bǔ)償。功率分配器是無源的，沒有截止頻率，輸出端口之間的隔離大于30dB。 
    多路耦合器由帶通濾波器、放大器和功率分配器等組成。放大器的電流是受到監(jiān)視的，如果出現(xiàn)故障，有告警信號指示，并把告警信號送到配線單元(DBU)。 
    不同頻段使用不同形式的多路耦合器(MC)。 
    當(dāng)收發(fā)信單元的數(shù)量超過16時，需要配置一個主功率分配器(MPS)，它可以把功率分配給四個功率分配器；當(dāng)數(shù)量超過32個時，需要增加第二個主功率分配器。因此，在多個機(jī)架的情況下，一個接收機(jī)多路耦合器最多可容納48個信道接收機(jī)和2個信號強(qiáng)度接收機(jī)。 
3、信號場強(qiáng)接收盤(SR) 
    SR由接收機(jī)和控制單元組成，其性能指標(biāo)與信道收信單元相同。SR按照MSC的指令，連續(xù)地、逐路地對鄰近無線小區(qū)的信道進(jìn)行掃描，并把測量結(jié)果送到MSC；MSC根據(jù)測量結(jié)果，判斷一個行進(jìn)中正在通話的移動臺是否需要進(jìn)行交換(信道轉(zhuǎn)換)，即是否轉(zhuǎn)換到所考慮的鄰近無線小區(qū)中。 
4、參考振蕩器(ROU) 
    ROU是一個高穩(wěn)定度的振蕩器，可產(chǎn)生一個31．250kHz，具有0．25ppm頻率穩(wěn)定度的信號。此信號分配給所有信道單元發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的頻率發(fā)生器中，作本機(jī)振蕩器鎖相環(huán)的參考信號。該信號具有兩種形式：一種是數(shù)字形式(采用PCM方式)，用于MSC的交換機(jī)與無線接口機(jī)架之間；另一種為模擬形式，用于模擬信令時的調(diào)制與解調(diào)。 
    當(dāng)采用PCM連接時，ROU的輸出信號作為PCM的外部基準(zhǔn)。當(dāng)交換機(jī)與無線信道接口機(jī)架(ERl)收到一個來自MSC的時鐘信號(2048000土0．000005Hz)時，把它轉(zhuǎn)換成收發(fā)信單元的本地振蕩器鎖相環(huán)所需的參考信號。 
    這個參考振蕩單元中，還有一個穩(wěn)定度為1．5ppm／a的普通溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，作為PCM外部基準(zhǔn)的備用。 
    模擬方式不設(shè)外部基準(zhǔn)，但配以具有晶體恒溫箱的高穩(wěn)定度內(nèi)部振蕩器，它的穩(wěn)定度可達(dá)到0．25ppm／a。 
    所有的收發(fā)信機(jī)均有自己的石英晶體振蕩器。當(dāng)ROU系統(tǒng)發(fā)生故障時，例如鎖相環(huán)(PLL)失鎖，在參考振蕩單元(ROU)發(fā)出告警信號的同時，它們自動投入運(yùn)行。使用ROU系統(tǒng)的優(yōu)點是，每年維護(hù)時只需對一個振蕩器核對即可，而無需涉及每一信道單元的各振蕩器。 
    ROU通過配線單元(DBU)把參考信號分配到每個收發(fā)信單元、信號場強(qiáng)接收盤、信道測試盤等。它最多可供6個機(jī)架。 
5、信道測試盤(CT) 
    CT是受MSC操作人員控制的設(shè)備，用來測試基地站內(nèi)的無線信道設(shè)備，并把測試結(jié)果通過數(shù)據(jù)線送回MSC。信道測試盤是由收發(fā)信機(jī)和控制單元組成，其接收機(jī)用同軸電纜與收發(fā)信單元的發(fā)信機(jī)相連，同時與星形聯(lián)結(jié)器上的測試結(jié)點相連，其發(fā)射機(jī)通過多路耦合器的測試結(jié)點與收發(fā)信單元的接收機(jī)連接。它能連接9個發(fā)射機(jī)和3個接收機(jī)天線。 
6、功率監(jiān)測單元(PMU) 
    它聯(lián)接在功率合成器的輸出端，通過定向耦合器獲取信號，測得天線饋線電纜上的前向和反射的功率，以達(dá)到監(jiān)視前向和反射功率的目的。當(dāng)反射功率太高時，就會啟動告警。每個發(fā)射天線需要一個功率監(jiān)測單元。 
7、控制信道備用倒換單元(CCRS) 
    CCRS由高頻(RF)同軸繼電器和控制邏輯電路組成。它有兩種工作狀態(tài)：正常和倒換。當(dāng)處于正常狀態(tài)時，控制信道(CC)作為控制信道使用，而備用控制信道(CCR)作為話音信道使用。  
    一旦控制信道(CC)出現(xiàn)故障，不能工作時，它在接到MSC指令后，處于倒換狀態(tài)。此時，控制信道(CC)的輸出為開路，備用控制信道(CCR)代替原控制信道起控制信道的作用。 
8、配線單元(DBU) 
    配線單元由安裝在印刷電路板上的14個連接器組成。機(jī)架內(nèi)部和相互之間所有的告警、信息分配器連接、收信連接、發(fā)信連接和參考振蕩單元時鐘／告警信號都與配線單元連接起來。 
    每個收發(fā)信盤、信號場強(qiáng)接收盤和信道測試盤均分別使用一個連接器。這樣，一個機(jī)架的信道盤共需10個連接器。剩下的4個連接器，一個用來與話音信道(VC)收發(fā)信單元的所有音頻線連接起來；一個連接器把來自多路耦合器(MC)和功率監(jiān)測單元(PMU)的告警信號連接起來，它也把控制信號分配給控制信道備用倒換單元。最后的兩個連接器，用來連接相鄰機(jī)架間的各種信號。 
9、電源配線(PCB) 
    輸入十26V直流的電源，通過兩對導(dǎo)線與機(jī)架頂部位于分配單元后面的電源連接板相連。在機(jī)架底部的電源配線條PD1與電源連接板上的其中一對電源輸入線相連；在機(jī)架頂部的PD2與另一對輸入線相連。 
    PD1供給： 多種耦合器A、功率監(jiān)視單元(PMU)、控制信道備用倒換(CCRS)、信號場強(qiáng)接收盤(SRM)、收發(fā)信單元2、Ch3、Ch4、Ch5。 
    PD2供給： 多路耦合器B、功率監(jiān)視單元(PMU)、信道測試盤(CTM)、Chl、Ch6、Ch7、Ch8、參考振蕩單元(ROU)。 
    如此安排即使0其中一對輸入電源支路發(fā)生故障，其單元仍可以維持工作；當(dāng)然系統(tǒng)的話音信道數(shù)減少了，并無接收分集。 
二、交換機(jī)與無線信道接口機(jī)架 
    接口設(shè)備是連接基地站和移動業(yè)務(wù)交換中心的紐帶，起信號交換的作用。為此，首先介紹一下MSC和BS間信號的傳輸情況。 
1、MSC和基地站間的數(shù)據(jù)傳輸 
    當(dāng)MSC經(jīng)控制信道或話音信道向移動臺發(fā)送報文時、MSC接收BS請求越區(qū)信道轉(zhuǎn)換的報文時或為了定位MSC向BS發(fā)送請求測量報文時……都需要在移動業(yè)務(wù)交換中心和基地站間傳送數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布驁D，如圖8所示。 
 
圖8. MSC-BS數(shù)據(jù)通信（一條32路PCM線路） 
    圖中采用了30／32PCM線路(也可采用24路PCM線路或模擬傳輸線)。為分析方便，圖中只畫出一條PCM線路。 
    為了增強(qiáng)可靠性，控制設(shè)備處理機(jī)(CUs)通常裝備一對區(qū)域處理機(jī)擴(kuò)充模塊(EMRP)一個EMRP處于工作狀態(tài)；而另一個備用。EMRP為主控，每10毫秒對所有CUs掃描一次。如果發(fā)現(xiàn)任何CUs中有報文等待處理，它就立即取出。區(qū)域處理機(jī)擴(kuò)充模塊(EMRP)最大控制(尋址)能力是：8個控制信道、32條話音信道和8個信號強(qiáng)度接收機(jī)。 
下面以MSC發(fā)送到指定控制單元(CU)的報文為例，來說明數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。 
1．中央處理機(jī)向相關(guān)基地站的中央信號終端STC發(fā)送報文。 
2．中央信號終端STC處理報文標(biāo)記，標(biāo)記包含控制CU接收報文的區(qū)域處理機(jī)擴(kuò)充模塊的確切地址和符合CCITTNo．7協(xié)議的公共信道信號框圖的報文內(nèi)容。 
3．中央信令終端(STC)經(jīng)由交換機(jī)終端電路(ETC)組成的傳輸媒介、PCM鏈路的16時隙(稱為控制鏈路或信號鏈路)和復(fù)用器(MUX)將報文發(fā)給區(qū)域信號終端(STR)。ETC和MUX保證在發(fā)送和接收時，將64kbit／s數(shù)據(jù)流正確地插入16時隙和從16時隙中提取出來。 
4．區(qū)域信號終端(STR)接收報文后，首先檢驗傳輸報文是否正確，在證實無差錯后，對信號報文重新格式化，最后把報文送到EMRP總線上相應(yīng)的區(qū)域處理機(jī)擴(kuò)充模塊(EMRP)。 
5．區(qū)域處理機(jī)擴(kuò)充模塊計算控制單元地址，把報文送到報文分配器(MD)，由MD把并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)流，這是因為串行數(shù)據(jù)流對無線電干擾不敏感，以滿足高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程(HDLC)的要求。 
6．當(dāng)CU在數(shù)據(jù)總線上監(jiān)視數(shù)據(jù)流時，它能確認(rèn)自己的地址，并檢索報文，從而實現(xiàn)了MSC向指定CU發(fā)送報文的全過程。 
2、MSC和BS間的話音傳輸 
 
        在基地站話音信道單元和MSC(經(jīng)ETC)的選組器之間，每個無線話音信道有一條專用的、雙向的話音線路，如圖9所示。 
 
圖9. MSC-BS間的話音線路 
    圖中表明，信道接收機(jī)(RX)將收到的移動臺話音按模擬方式送到復(fù)用器，在復(fù)用器中進(jìn)行模擬／數(shù)字變換。然后將數(shù)字化的話音信號插入相應(yīng)的PCM數(shù)字信道(時隙)中。一般地說，32路PCM線路，0號時隙用來傳送同步和告警信息，16號時隙用來傳輸數(shù)據(jù)，所以一條32路PCM線路只能為30條話音信道服務(wù)。 
在MSC中，由ETC接口的話音信道直接連到選組器，通過選組器將話音信道交換到需要的方面。  
    在基地站，由復(fù)用器(MUX)把通過PCM相應(yīng)時隙傳過來的數(shù)字話音信號變換成模擬形式，直接送到相應(yīng)的信道發(fā)射機(jī)(TX)，然后經(jīng)無線信道發(fā)往移動臺。 
    如果PCM傳輸線路的傳輸質(zhì)量及某些維護(hù)工作不能滿足要求時，交換機(jī)終端電路(ETC)將通知區(qū)域處理機(jī)發(fā)出告警。 
    不難看出，當(dāng)MSC與BS間僅一條PCM線路時，一旦PCM線路發(fā)生故障，基地站就被切斷，使它所控制的無線小區(qū)內(nèi)所有的移動臺處于癱瘓狀態(tài)。為此，通常要求基地站具有雙份PCM線路。這意味著STC、ETC、MUX和STR也需要雙份，如圖10所示。 
 
圖10. 雙份PCM傳輸線路 
    是否采用雙份PCM線路，要從可靠性和成本兩個方面來考慮。當(dāng)然，如果基地站話音信道數(shù)量超過30條時，則PCM線路將多于一條。在此情況下，從提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的觀點來看，外加設(shè)備(STC和STR)的成本就可忽略了。  
    在雙份控制結(jié)構(gòu)中，當(dāng)一條PCM傳輸線路發(fā)生故障時，只是發(fā)生故障的PCM話音信道停止工作，其數(shù)據(jù)將由另一條PCM的16時隙繼續(xù)進(jìn)行傳輸。  
    由圖10還可看出，根據(jù)需要，在基地站信道數(shù)增加到一定數(shù)量之后，如果一對區(qū)域處理機(jī)擴(kuò)充模塊(EMRP)不能滿足要求時，可將另一對EMRP(或更多)與現(xiàn)有總線相連接來實現(xiàn)擴(kuò)充。  
    一般情況下，一條控制鏈路(STC，16時隙和STR)控制奇數(shù)EMRP對，而另一條控制鏈路則控制偶數(shù)EMRP對，但當(dāng)其中一條控制鏈路發(fā)生故障時，另一條就負(fù)擔(dān)整個負(fù)荷。 
 
3、交換機(jī)和無線信道間接口(ERI) 
    ERI是基地站功能單元之一。它是由專供數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯卧M成。圖11表示了TSG30機(jī)架的情況。本架設(shè)備由雙份控制系統(tǒng)構(gòu)成。 
 
圖11. TSR30架 
    由于基地站用24VDC，而接口設(shè)備需一48VDC(電話設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)值)，所以在機(jī)架上需配備DC／DC變換器。 
4、擴(kuò)充模塊組(EMG) 
    EMG是為控制基地站而設(shè)計的，位于ERI機(jī)架中。由STR(或一對STR)和大量的EMRP組成。每個EMRP對＜或單一個EMRP＝看作為一個擴(kuò)充模塊(EM)。因此人們常稱之為擴(kuò)充模塊組。由擴(kuò)充模塊來控制相應(yīng)的控制單元(CU)或打字機(jī)等。 
    一個擴(kuò)充模塊組，通常用于控制一個基地站，即一個全向性無線小區(qū)或三個扇形無線小區(qū)，如圖12所示。 
 
圖12. 控制鏈路和EMGS例子 
    因此，當(dāng)連接一個新基地站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，必須指定EMG的名字和號碼、以及所有的EM和被EM控制的設(shè)備。還必須說明控制鏈路的構(gòu)成，是單一還是雙份的。 
三、電 源  
    基地站的配電電壓為26．4v。通常是由主干電力線路經(jīng)AC／DC變換器得到的，如圖13所示。當(dāng)主干線路發(fā)生故障時，備用電池將能在一定時間內(nèi)向基地站供電。 
 
 
圖13. 供 電 

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