GSM基站覆蓋延伸系統(tǒng)應(yīng)用后系統(tǒng)上、下行平衡考慮

一、引言

隨著移動用戶的增加，移動用戶的活動范圍越來越廣，移動網(wǎng)絡(luò)要不斷加深覆蓋的范圍及深度。然而在解決山區(qū)道路、邊遠(yuǎn)地區(qū)村落的覆蓋問題時，如新建基站、直放站等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方式在工程實施上難度很高，投資成本和效益回報也不合理。

眾所周知，通過加強基站的發(fā)射功率可以擴(kuò)大基站到終端的覆蓋范圍。通過自由空間衰耗公式：Ls=32.45+20*log(f)MHz+20log(d)Km可以知道，基站發(fā)射功率提高6dBm，覆蓋距離將提高一倍。手機(jī)接收信號加強，但普通手機(jī)的最大功率33dBm，如果遠(yuǎn)離基站，手機(jī)的上行信號如果不增強就無法解析。造成系統(tǒng)上、下行覆蓋不平衡，后果便是單通、質(zhì)量差、掉話等。基站覆蓋延伸系統(tǒng)從基站系統(tǒng)上、下行兩個方向改善基站覆蓋范圍，是解決信號廣度、深度覆蓋的一種好辦法。

二、基站覆蓋延伸系統(tǒng)簡介

基站覆蓋延伸系統(tǒng)主要由基站放大器和塔頂放大器兩部分組成，簡稱基放和塔放。基放是安裝在基站機(jī)房里，用于提高基站發(fā)射功率，擴(kuò)大下行信號覆蓋范圍。塔放是安裝在基站天線口的低噪聲放大設(shè)備，用來增強手機(jī)上行發(fā)射功率，提高基站接收靈敏度。基站覆蓋延伸系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

通常基站載頻發(fā)射功率為43dBm/單載波。而200W的基放輸出功率能達(dá)到53dBm/單載波，下行信號增強10dB。基站覆蓋延伸系統(tǒng)對上行信號增強約10dB。整個系統(tǒng)能有效地延伸基站的覆蓋范圍。

三、加裝基站覆蓋延伸后對系統(tǒng)上、下行覆蓋的影響

1、加裝塔放對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的分析：

噪聲系數(shù)NF用來描述放大器對信噪比的惡化程度，噪聲系數(shù)越小，輸出的信噪比惡化程度就越小。

對一個多級放大系統(tǒng)，它的系統(tǒng)噪聲系數(shù)為：

NF=F1+(F2－1)/G1 + (F3－1)/G1*G2 + ……

其中：F1、F2、F3…是第一級到第三級的的噪聲系數(shù)，無源器件的噪聲系數(shù)等于其損耗值。

G1,G2…是第一級到第二級的增益，無源器件增益等于其損耗值得倒數(shù)。

從以上公式可以看出，多級放大系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要取決于第一級的噪聲系數(shù)F1。

塔放的原理就是通過在基站接收系統(tǒng)的前端，即緊靠接收天線下增加一個低噪聲放大器來實現(xiàn)對基站接收性能的改善。

2、上、下行平衡的分析

2.1上、下行平衡的定義

在我們所要求的覆蓋區(qū)域內(nèi)，保證上、下鏈路正常傳輸，基站和手機(jī)分別接收的信號可以解調(diào)，從而保證雙向通信的正常建立。

2.2原基站系統(tǒng)上、下行平衡的理論推算

如圖所示：

理論上基站口的上行接收靈敏度MBTS=－110dBm，上行分集接收增益約F=4dB，手機(jī)的接收靈敏度MMS=－104dBm，手機(jī)的最大發(fā)射功率PMS=33dBm，假設(shè)BTS到天線口的信號衰減量R=4dB，天線增益為S，基站發(fā)射功率為T。

若要求上、下行平衡，則上行可允許的最大空間損耗HRX=下行可允許的最大空間損耗HTX。

其中：MBTS=PMS－HRX+F+S－R

MMS=T－R+S－HTX

所以：HRX=PMS－MBTS+F+S－R

HTX=T－R+S－MMS

由HRX=HTX可得：

為保證上下行的理想平衡,基站口的發(fā)射有效功率為

T=PMS－MBTS+F+MMS

=33dBm－(－110dBm)+4dB+(－104dBm)=43dBm

由此可以看出，基站單載波發(fā)射功率在(20W)43dBm時，上行覆蓋范圍和下行覆蓋范圍相當(dāng)，系統(tǒng)處于較理想的平衡狀態(tài)。

2.3、加裝基放后的上、下行平衡推算。

2.3.1塔放增益的選擇。

未加裝塔放的原基站系統(tǒng)噪聲系數(shù)Nfsys(天線口)約為：

Nfsys=Nfbts+Lc　　　　　【公式－1】

其中：Nfbts是基站本身的噪聲系數(shù)

Lc為饋線回路的損耗

加裝塔放后系統(tǒng)噪聲系數(shù)約為：

NF=NFTA+ (Nfsys－1)/GTA 【公式－2】

從上述兩公式中可以得出以下結(jié)論：

⑴基站在使用塔放前噪聲系數(shù)Nfsys是由BTS設(shè)備本身噪聲系數(shù)Nfbts和天饋線損耗Lc決定的。

⑵使用塔放后的基站接收噪聲系數(shù)NF主要取決于塔放的噪聲系數(shù)NFTA。在饋線較長，損耗Lc越大時，加裝塔放對基站系統(tǒng)的接收靈敏度改善越明顯。

⑶塔放增益GTA越大，基站接收系統(tǒng)噪聲NF越小。但塔放增益GTA增大，也會提高白噪聲KTB電平，影響基站對信號的接收。

一般GSM基站對0級信號通話質(zhì)量的底部噪聲定義是小于－113dBm。常溫情況下，GSM系統(tǒng)的白噪聲NKTB=－121dBm，為保證上行的通話質(zhì)量，接收噪聲電平值要滿足以下要求：塔放增益GTA+（－121dBm）+NF－ Lc≤－113dBm。加裝塔放后系統(tǒng)噪聲系數(shù)NF約等于2dB。一般情況下，Lc≤4dB，所以塔放增益G≤10dB。當(dāng)然每個站點塔放的工作增益應(yīng)根據(jù)饋線回路的損耗Lc的大小做適當(dāng)調(diào)整。

2.3.2基放功率的選擇。

一般情況下，基站口的發(fā)射功率是43dBm/單載波時，下行覆蓋－104dBm的地方，手機(jī)信號到達(dá)基站剛好能夠被解調(diào)，屬于較理想的平衡狀態(tài)。

這里我們還是首先假設(shè)條件如下：

基站口上行接收靈敏度為－110dBm（分集處理增益4dB）；

手機(jī)的最大發(fā)射功率為33dBm。

基站接收信號最低載噪比C/I=9；

基站自身的噪聲系數(shù)為Nfbts=3.5dB;

通過基站解調(diào)上行信號的最低載噪比C/I=9－Nfbts=9－3.5=5.5dB，

塔放噪聲系數(shù)為NFTA=1.5dB；

饋線回路的損耗Lc=4dB；

塔放增益GTA=10dB；

要使得手機(jī)信號到達(dá)基站能夠被正確解調(diào)需要同時滿足兩個條件：1、到達(dá)基站（分集增益4dB后）電平值信號電平值不低于-110dBm；2、基站解調(diào)時信號載噪比C/I不得低于3.5dB。下面我們來分析加裝塔放前后天線口需要的電平值的大小區(qū)別。

⑴未加裝塔放前基站天線口的最低接收信號電平

=基站口上行接收靈敏度（分集處理前）+Lc

=－110dBm+4dB

=－106dBm

基站處理后解調(diào)前C/I=－106－Lc－NKTB－Nfbts=7.5dB>5.5dB

兩個條件都滿足時天線口的最低電平值為P前=-106dBm

⑵加裝塔放后的基站天線口的最低接收信號電平

=基站口上行接收靈敏度+Lc － 塔放增益

=－110+4－10

=－116dBm

加裝延伸系統(tǒng)后的整體噪聲系數(shù)NF約為2dB，那么

基站處理后的C/I=－116－NKTB－NF=3dB 5.5dB

由于C/I不能達(dá)到5.5dB，不能被正確解調(diào)。

為了保證解調(diào)時的最低C/I值5.5dB，所需要的天線口最低接收電平值為－116+(5.5－3)=－113.5dBm

兩個條件都滿足時天線口的最低電平值為P后=-113.5dBm

⑶通過比較可以看出，加裝塔放后基站上行靈敏度抬高值為

P前－P后=－106－（－113.5）=7.5dB

在以上情況下,塔放提高了基站的接收靈敏度7.5dB。很顯然對于Lc越大,提高的基站接收靈敏度就越大，具體詳細(xì)列表如下：

饋線回路基站設(shè)備噪聲加裝塔放后整體基站接收

的損耗Lc系數(shù)Nfbts噪聲系數(shù)靈敏度改善量

3dB3.5dB2dB 6.5 dB

4dB7.5dB

5dB8.5dB

由以上結(jié)論可以看出，要想使得基站在加裝覆蓋延伸系統(tǒng)后仍保持理想平衡狀態(tài)，基放的功率Pj=43+基站接收靈敏度改善量。

以上結(jié)論是基于上下行傳輸損耗完全一致來推斷的。如果基站的分集接收效果好于4dB，或者在草原、沙漠、海域等區(qū)域信號覆蓋需求大于通話質(zhì)量需求的情況下，基站放大器功率也可以適當(dāng)放大。

四、由于上、下行平衡原因可能出現(xiàn)的問題探討

在實際的應(yīng)用中，無線信號的繞射、反射、和周圍無線環(huán)境的影響，下行信號強于－94dBm時對正常通信才具有保障。無形之中將手機(jī)的接收信號強度由原來理論的－104dBm提升到－94dBm，所以，我們將－94dBm作為下行信號覆蓋的邊緣場強來對上、下行的平衡來做分析，來探討可能出現(xiàn)的問題及克服辦法。

Lc=4dB情況下，使用了53dBm（200W）的基放，下行覆蓋范圍延伸了10dB。塔放改善了基站接收靈敏度7.5dB。覆蓋范圍的延伸情況如下圖所示：

由此可以得出以下結(jié)論：

⑴在下行信號高于－91.5dBm的B、A區(qū)域內(nèi)，上、下行都具有距理論極限10dB的余量，上、下行可以正常通信，我們認(rèn)為是平衡的。

⑵在下行信號為－101.5dBm~－91.5dBm的D、C區(qū)域內(nèi)，下行有2.5dB以上余量，基本可以正常通信；上行具有的余量在0~10dB之間，從而上行通信具有一些不可靠性。

⑶在下行信號為－104dBm~－101.5dBm的E區(qū)域內(nèi)，下行有0~2.5dB的余量，具有不可靠性；上行具有的信噪比已經(jīng)不能滿足要求，不能通信。我們認(rèn)為這個區(qū)域是不平衡的。

安裝基站覆蓋延伸系統(tǒng)后基站統(tǒng)計指標(biāo)的變化是和基站周圍的用戶分布相關(guān)的。在Lc=4dB情況下，如果大部分用戶多分布在B、C區(qū)域內(nèi)，覆蓋延伸系統(tǒng)開通前基站掉話率較高，開通后該指標(biāo)會大大改善。相反如果用戶大多分布在D、E區(qū)域內(nèi)，開通前用戶不能通話，不會對掉話指標(biāo)造成影響；但開通后，這些用戶進(jìn)入了不可靠通話區(qū)域，就會大大影響基站掉話率指標(biāo)。通常的辦法是加大基站天線俯仰角，或降低下行發(fā)射功率，縮小下行覆蓋范圍接近上行覆蓋范圍。或者通過基站參數(shù)設(shè)置抬高該基站允許接入電平值，改善基站統(tǒng)計指標(biāo)。

結(jié)束語：基站覆蓋延伸系統(tǒng)可以以最快捷的方式擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋范圍。但不同的用戶分布范圍、不同的基站饋路損耗值Lc就對基站有不同的指標(biāo)影響。因此在使用該設(shè)備之前需要作詳細(xì)的現(xiàn)場勘查，根據(jù)具體情況來設(shè)計覆蓋功率，否則會引起質(zhì)差、掉話率高等指標(biāo)惡化的問題。

參考文獻(xiàn)：

1、《GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化--原理與工程》人民郵電出版社2003-10-1

2、《GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》人民郵電出版社2003-4-1

作者簡介

高鵬：國人通信公司產(chǎn)品經(jīng)理，畢業(yè)于北方交通大學(xué)無線專業(yè)，目前主要從事移動通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)優(yōu)產(chǎn)品規(guī)劃、產(chǎn)品推廣、工程設(shè)計等工作。