移動通信基地站(BS)基礎知識

移動通信基地站(BS)基礎知識

在城市，基地站可以安裝在辦公樓中；在農村，安裝在集裝箱內。基地站是一套為無線小區服務的設備，通常是一個全向或三個扇形無線小區。      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TACS制系統均有一定的經驗。      TACS制式基地站包括無線收、發信設備及其接口或控制系統。通常基地站有兩種控制方式，一種是由移動業務交換中心直接控制，基地站除配備收發信設備外，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(BSC)，即具有一定的智能，摩托羅拉公司即是這種方式。       摩托羅拉公司的設備有兩種系列。圖1是一個典型HC系列5個機架基地站的組合固，從右到左看，第一個是電源架，第二、第三是發信架，第四個是收信架，第五個是基地站控制系統(BSC)及音頻架。一個發信架包括8個話音信道和一個控制信道。現兩個發信架互為主備用狀態，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、三個是收發信架(包括基地站控制系統)。一個收、發信架有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、發信架的需要，當根據擴容需要增加收、發信架時，電源架也必須相應地增加。每增加一個機架就可增加10個話音信道，可根據所需信道數組成多機架，最多可達13個。  由于摩托羅拉公司的基地站設備具有一定的智能，它可以分擔移動業務交換中心的部分功能，所以從基地站到移動業務      交換中心的接續和掛機過程與愛立信及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機架基地站的組合圖    圖2. LD系列3個機架基地站的組合圖    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備(RBS883)為主進行簡要介紹。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，為數據和話音信號，在MSC與MS之間起中繼作用。在通話期間，基地站利用監測音(SAT)和測量接收信號強度的方法，監示無線傳輸質量。其基地站設備主要由一至多部收發信機架(根據信道的需要)、交換機與無線信道接口機架、電源架及天線等組成。   一、收、發信機架(單機架)      收發信機架上具有與移動臺進行無線通信所需的全部設備。它包括：信道單元、發射機(TX)合成器、接收機(RX)多路耦合器(MC)、信號強度接收機(SR)、參考振蕩器(用于CMS8810)、控制信道備用倒換(CCRS)、信道測試器(CT)、功率監視單元(PMU)等功能塊，其組成框圖及其在機架中的位置，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射機、一個接收機、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。發射機的輸出功率受軟件(SW)和硬件(HW)控制。硬件是裝在收發信盤(TRM)面板上的一個電位器，可用人工進行調整，調節范圍可從最大輸出功率下調20dB。軟件調節有7個檔次，每檔4dB調低輸出功率。硬件和軟件控制后的最小輸出功率為100mW。      收發信盤(TRM)裝在一個雙面鋁／鋅合金材料鑄成的盒子里。發信機(除功率放大器外)、接收機和電源裝在一邊，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信機架組成，最多96個信道單元。      在同一個機架中的信道單元，可由MSC指令分配給本基地站的不同無線小區。同樣，信道單元也能指定為話音信道、控制信道或作信號強度接收機。通常CMS8810機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組成，為信道單元的智能部分，它負責管理送向MSC的信令過程和送向MS的信令，并負責對收發信單元的控制，同時也負責測量來自MS話音信道的質量和整個收發信單元的故障監測。  2、接收機多路耦合器(MC)      單機架(A機架)的接收機多路耦合器，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視的，如果出現故障，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)。      當收發信單元的數量超過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；當數量超過32個時，需要增加第二個主功率分配器。因此，在多個機架的情況下，一個接收機多路耦合器最多可容納48個信道接收機和2個信號強度接收機。  3、信號場強接收盤(SR)      SR由接收機和控制單元組成，其性能指標與信道收信單元相同。SR按照MSC的指令，連續地、逐路地對鄰近無線小區的信道進行掃描，并把測量結果送到MSC；MSC根據測量結果，判斷一個行進中正在通話的移動臺是否需要進行交換(信道轉換)，即是否轉換到所考慮的鄰近無線小區中。  4、參考振蕩器(ROU)      ROU是一個高穩定度的振蕩器，可產生一個31．250kHz，具有0．25ppm頻率穩定度的信號。此信號分配給所有信道單元發射機、接收機的頻率發生器中，作本機振蕩器鎖相環的參考信號。該信號具有兩種形式：一種是數字形式(采用PCM方式)，用于MSC的交換機與無線接口機架之間；另一種為模擬形式，用于模擬信令時的調制與解調。      當采用PCM連接時，ROU的輸出信號作為PCM的外部基準。當交換機與無線信道接口機架(ERl)收到一個來自MSC的時鐘信號(2048000土0．000005Hz)時，把它轉換成收發信單元的本地振蕩器鎖相環所需的參考信號。      這個參考振蕩單元中，還有一個穩定度為1．5ppm／a的普通溫度補償晶體振蕩器，作為PCM外部基準的備用。      模擬方式不設外部基準，但配以具有晶體恒溫箱的高穩定度內部振蕩器，它的穩定度可達到0．25ppm／a。      所有的收發信機均有自己的石英晶體振蕩器。當ROU系統發生故障時，例如鎖相環(PLL)失鎖，在參考振蕩單元(ROU)發出告警信號的同時，它們自動投入運行。使用ROU系統的優點是，每年維護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信單元、信號場強接收盤、信道測試盤等。它最多可供6個機架。  5、信道測試盤(CT)      CT是受MSC操作人員控制的設備，用來測試基地站內的無線信道設備，并把測試結果通過數據線送回MSC。信道測試盤是由收發信機和控制單元組成，其接收機用同軸電纜與收發信單元的發信機相連，同時與星形聯結器上的測試結點相連，其發射機通過多路耦合器的測試結點與收發信單元的接收機連接。它能連接9個發射機和3個接收機天線。  6、功率監測單元(PMU)      它聯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，以達到監視前向和反射功率的目的。當反射功率太高時，就會啟動告警。每個發射天線需要一個功率監測單元。  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：正常和倒換。當處于正常狀態時，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)出現故障，不能工作時，它在接到MSC指令后，處于倒換狀態。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。機架內部和相互之間所有的告警、信息分配器連接、收信連接、發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。      每個收發信盤、信號場強接收盤和信道測試盤均分別使用一個連接器。這樣，一個機架的信道盤共需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，通過兩對導線與機架頂部位于分配單元后面的電源連接板相連。在機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、功率監視單元(PMU)、控制信道備用倒換(CCRS)、信號場強接收盤(SRM)、收發信單元2、Ch3、Ch4、Ch5。      PD2供給： 多路耦合器B、功率監視單元(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生故障，其單元仍可以維持工作；當然系統的話音信道數減少了，并無接收分集。  二、交換機與無線信道接口機架      接口設備是連接基地站和移動業務交換中心的紐帶，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和基地站間的數據傳輸      當MSC經控制信道或話音信道向移動臺發送報文時、MSC接收BS請求越區信道轉換的報文時或為了定位MSC向BS發送請求測量報文時……都需要在移動業務交換中心和基地站間傳送數據。其數據傳輸的硬件框圖，如圖8所示。    圖8. MSC-BS數據通信（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。      為了增強可靠性，控制設備處理機(CUs)通常裝備一對區域處理機擴充模塊(EMRP)一個EMRP處于工作狀態；而另一個備用。EMRP為主控，每10毫秒對所有CUs掃描一次。如果發現任何CUs中有報文等待處理，它就立即取出。區域處理機擴充模塊(EMRP)最大控制(尋址)能力是：8個控制信道、32條話音信道和8個信號強度接收機。  下面以MSC發送到指定控制單元(CU)的報文為例，來說明數據傳輸的過程。  1．中央處理機向相關基地站的中央信號終端STC發送報文。  2．中央信號終端STC處理報文標記，標記包含控制CU接收報文的區域處理機擴充模塊的確切地址和符合CCITTNo．7協議的公共信道信號框圖的報文內容。  3．中央信令終端(STC)經由交換機終端電路(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)和復用器(MUX)將報文發給區域信號終端(STR)。ETC和MUX保證在發送和接收時，將64kbit／s數據流正確地插入16時隙和從16時隙中提取出來。  4．區域信號終端(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總線上相應的區域處理機擴充模塊(EMRP)。  5．區域處理機擴充模塊計算控制單元地址，把報文送到報文分配器(MD)，由MD把并行數據流轉換成串行數據流，這是因為串行數據流對無線電干擾不敏感，以滿足高級數據鏈路控制規程(HDLC)的要求。  6．當CU在數據總線上監視數據流時，它能確認自己的地址，并檢索報文，從而實現了MSC向指定CU發送報文的全過程。  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(RX)將收到的移動臺話音按模擬方式送到復用器，在復用器中進行模擬／數字變換。然后將數字化的話音信號插入相應的PCM數字信道(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號時隙用來傳輸數據，所以一條32路PCM線路只能為30條話音信道服務。  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，由復用器(MUX)把通過PCM相應時隙傳過來的數字話音信號變換成模擬形式，直接送到相應的信道發射機(TX)，然后經無線信道發往移動臺。      如果PCM傳輸線路的傳輸質量及某些維護工作不能滿足要求時，交換機終端電路(ETC)將通知區域處理機發出告警。      不難看出，當MSC與BS間僅一條PCM線路時，一旦PCM線路發生故障，基地站就被切斷，使它所控制的無線小區內所有的移動臺處于癱瘓狀態。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。當然，如果基地站話音信道數量超過30條時，則PCM線路將多于一條。在此情況下，從提供優質服務的觀點來看，外加設備(STC和STR)的成本就可忽略了。       在雙份控制結構中，當一條PCM傳輸線路發生故障時，只是發生故障的PCM話音信道停止工作，其數據將由另一條PCM的16時隙繼續進行傳輸。       由圖10還可看出，根據需要，在基地站信道數增加到一定數量之后，如果一對區域處理機擴充模塊(EMRP)不能滿足要求時，可將另一對EMRP(或更多)與現有總線相連接來實現擴充。       一般情況下，一條控制鏈路(STC，16時隙和STR)控制奇數EMRP對，而另一條控制鏈路則控制偶數EMRP對，但當其中一條控制鏈路發生故障時，另一條就負擔整個負荷。    3、交換機和無線信道間接口(ERI)      ERI是基地站功能單元之一。它是由專供數據傳輸的單元組成。圖11表示了TSG30機架的情況。本架設備由雙份控制系統構成。    圖11. TSR30架      由于基地站用24VDC，而接口設備需一48VDC(電話設備的標準值)，所以在機架上需配備DC／DC變換器。  4、擴充模塊組(EMG)      EMG是為控制基地站而設計的，位于ERI機架中。由STR(或一對STR)和大量的EMRP組成。每個EMRP對＜或單一個EMRP＝看作為一個擴充模塊(EM)。因此人們常稱之為擴充模塊組。由擴充模塊來控制相應的控制單元(CU)或打字機等。      一個擴充模塊組，通常用于控制一個基地站，即一個全向性無線小區或三個扇形無線小區，如圖12所示。    圖12. 控制鏈路和EMGS例子      因此，當連接一個新基地站進行數據傳輸時，必須指定EMG的名字和號碼、以及所有的EM和被EM控制的設備。還必須說明控制鏈路的構成，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AC／DC變換器得到的，如圖13所示。當主干線路發生故障時，備用電池將能在一定時間內向基地站供電。      圖13. 供 電

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