CDMA 移动通信直放站工作参数分析与计算.doc

CDMA 移动通信直放站工作参数分析与计算1 前言直放站在移动通信覆盖网络中的基本作用是对前向和反向信号的再放大，是设置在基站和移动终端之间的双向放大器。直放站的前向输出功率和反向级联噪声系数以及上行增益是影响网络通话质量的主要工作参数。反向级联噪声系数的大小不仅与直放站的反向覆盖距离有关，还与基站的反向覆盖有关，而上行增益的取值又决定了反向级联噪声系数的大小。前向输出功率的大小关系到直放站的前向覆盖距离以及前向和反向的平衡，影响到网络的通话质量。下文将着重讨论这三个参数的取值方法，以及它们之间的相互关系。2 反向级联噪声系数与上行增益关系直放站工作系统是由基站、直放站以及基站与直放站之间的射频链路三部分组成。就反向链路而言，直放站工作系统可视为基站接收放大器与直放站反向放大器的级联，在二级放大器之间串接一个链路损耗，如图1 所示。当直放站与基站以级联方式工作时，在基站接收机的输入端会引进一个附加噪声NFBTS，在直放站反向放大器输入端会等效增加噪声系数增量NFREP。基站噪声增量NFBTS 和直放站噪声增量NFREP 分别与基站、直放站的设备噪声系数NFBTS、NFREP 和直放站的上行增益GREP 以及基站与直放站之间的链路损耗LBTS-REP 有关。2.1 直放站对施主基站的噪声影响由于电子器件存在热噪声，直放站在正常工作时不可避免会有噪声电平输出，其输出的噪声电平为：PREP-Noise=10 log（KTB）+NFREP+GREP（dB） (1)式中：K波尔兹曼常数（1.3810-23），T环境温度，可取295（绝对温度），BCDMA 载波信号带宽，1.23MHz，NFREP直放站设备噪声系数（dB），GREP直放站上行增益（dB）。当基站引入直放站工作时，直放站上行输出的噪声电平经过路径传输损耗后注入到基站接收机输入端，因而在基站输入端产生了噪声干扰，这种噪声干扰量可用噪声增量NFBTS（dB）来表示：NFBTS=10 log1+10Nrise/10 (2)其中：Nrise=（NFREPNFBTS）+（GREPLBTS-REP），在此定义Nrise为噪声增量因子。噪声增益因子Nrise 可以0 或0，基站的噪声增量与其成正比，其数值越大，对基站的噪声干扰就越大。在工程应用中，直放站和基站的噪声系数是已知的常数，因此噪声增量因子的变量是直放站上行增益GREP 和直放站与基站间的路径损耗。直放站安装完毕后，上行路径的损耗值在一定时间内是相对稳定的，此时上行增益是决定噪声增量因子的唯一变量。显然上行增益越大，引入基站的噪声增量就越大；上行增益越小，引入基站的噪声增量就越小。这就是为什么将直放站上行增益调得太大会影响基站的原因。此时，基站输入端的等效级联噪声系数NFBTS-cascade 可表示为：NFBTS-cascade= NFBTS+NFBTS= NFBTS+10 log1+10Nrise/10 (3)2.2 直放站反向级联噪声系数与上行增益关系为了不对基站造成不良的影响，不能将上行增益调得太大，但是如果将直放站上行增益调得太小，会减小直放站的上行覆盖距离。应用级联放大器噪声系数的分析方法可知，直放站上行增益的变化可以等效为直放站输入端级联噪声系数的变化，直放站系统级联噪声系数的大小决定了反向允许的最大路径损耗。可以证明，直放站反向级联噪声系数同样可以用噪声增量因子来表示：直放站反向级联噪声系数： NFREP-cascade = NFREP +NFREP （4）NFREP =10 log1+10-Nrise/10NFREP ：直放站噪声增量，这一噪声增量成份事实上是上行链路损耗在直放站输入端的反映。从（3）式和（4）式可知，基站端的级联噪声系数与直放站端的级联噪声系数都是用噪声增量因子来表征，只不过基站级联噪声系数与噪声增量因子Nrise 成正比，而直放站级联噪声系数与噪声增量因子成反比，在工程应用中，Nrise 是由反向增益GREP 决定，下面我们通过图2 所示来看反向增益GREP 的几个取值对噪声系数的影响。NFBTS =10 log1+10Nrise/10 NFREP =10 log1+10-Nrise/10 当GREP=LBTSREP 时，基站和直放站的噪声系数均在原有数值上增加了3dB，对基站和直放站上行覆盖链路均有3dB 恶化。当GREP 大于LBTSREP 时，例如，当GREPLBTSREP = -10 dB 时，NFBTS 只有0.4 dB，这时对基站的覆盖范围不会有影响，但是此时直放站的噪声系数将增加10.4 dB，这意味着直放站的覆盖距离要缩短一倍以上。当GREP 小于LBTSREP 大于0 时，GREP 比LBTSREP 越大，对基站的干扰就越大，而对直放站的覆盖就越有利。2.3 引入多台直放站时的级联噪声系数上述讨论的级联噪声系数仅仅是1 个施主基站配置1 台直放站的情况，在实际应用中，经常需要1 个施主基站配置多台直放站。基站引入多台直放站的应用形式主要有三种：星形、串联形及星形与串联形混合。对于这三种应用形式，只需讨论星形和串联形这两种情形，混合形的级联噪声系数可以从星形和串联形的结果中得到。2.3.1 星形结构多台直放站级联噪声系数与上行增益多个直放站与一个基站组成的星形无线覆盖网如图3 所示：图3 星形结构直放站系统示意图为了分析方便，假设所有直放站具有相同的噪声系数，同时要求各直放站具有相同反向覆盖最大链路损耗，这些假设符合实际应用要求。为了使每个直放站能获得相同的反向覆盖最大链路损耗，因此要求在基站端接收到每个直放站发来的上行噪声电平必须相同。由于各直放站到达基站的链路损耗（L1、L2、L3Ln）各不相同，为了使各直放站发送到基站的噪声电平相同，各直放站的上行增益应满足下式：GL 1=G2 L 2= G3L 3=Nrise （5）Nrise= GREP L BTSREP其中：L1+L2+. +LnLBTS-REP = nG1+G2+. +GnGREP =n上式表明各个直放站所设置的上行增益与其对应的上行链路损耗之差值必须相同。在满足上式的条件下，星形结构的施主基站和各直放站的级联噪声系数分别为：基站级联噪声系数：NFBTS-cascade = NFBTS +NFBTS= NFBTS+10 1+ n10Nrise/10 ( 6 )直放站级联噪声系数：NFREP-cascade = NFREP +NFREP= NFREP+10 n +10-Nrise/10 （7）式中： n 为直放站数2.3.2 串联形结构多台直放站级联噪声系数与上行增益由多个直放站与基站组成的串联结构如图4 所示：BTS直放站1G1直放站2G2直放站nGnL1L2Ln图4 串联形连接的直放站系统示意图对串联形结构的分析，可等同于级联放大器的等效噪声系数分析。可以证明在各直放站的上行增益（G1、G2、G3Gn）满足下式时，各直放站将具有相同的级联噪声系数，也就具有相同的上行覆盖最大全链路损耗。L2-G2=L3-G3=.=Ln-Gn=0 （8）令： LBTS-REP = L1 GREP = G1在此条件下，串联结构的施主基站和各直放站的噪声增量与星形结构具有相同的表达式。串联结构的施主基站噪声增量可用（6）式表示，各直放站的噪声增量可用（7）式表示，噪声增量因子Nrise=G1L1。图5 给出了引入多台直放站的噪声增量曲线图。从图中可见，随着直放站站数的增加，直放站噪声增量和基站的噪声增量也随之增加，由此带来的结果是基站和直放站的反向覆盖最大链路损耗减小，覆盖区要比引入单个直放站时要小。3 直放站前向输出功率3.1 直放站需要的最大前向输出功率在直放站的应用中，为了获取最大的覆盖范围，通常只会想到加大前向输出功率，一味选用前向功率较大的直放站，而往往忽视反向级联噪声系数对覆盖区反向链路最大路径损耗的限制，忽视前向反向链路的平衡。当前向链路允许的最大路径损耗小于反向链路允许的最大路径损耗时，增加前向功率可以扩大直放站的覆盖范围；而当前向链路允许的最大路径损耗大于反向链路时，增大前向功率对扩大直放站的覆盖区域是毫无意义的，还会由于前向覆盖大于反向覆盖造成前向反向不平衡，而损害网络运营指标。直放站需要的最大前向功率是达到前反向平衡时所需要的功率，满足前反向平衡所需要的最大输出功率可通过两种方法进行计算：一是参考基站输出功率的比较计算，二是应用前反向平衡公式计算。 比较计算：我们可以认为基站额定的最大每载波输出功率是满足前向反向平衡条件下设计的结果。目前CDMA 基站的输出功率为43dBm，由于基站与直放站级联后会引入噪声增量，使直放站反向级联噪声系数（直放站本机噪声系数+噪声系数增量）要比基站大47dB，也就是说直放站的反向接收灵敏度要比基站差47dB，为了达到前向反向平衡，直放站的前向功率也要比基站小47dB，因此直放站所需的输出功率应在3639dBm 之间（43dBm-(47)dB），最大输出功率应为：39dBm。 前向反向平衡公式计算：以1 个基站带1 个直放站为例，设由直放站引入基站的噪声增量控制在2dB 以内，直放站本机噪声系数为NFREP。由图5 曲线图可知，直放站噪声系数增量NFREP 为4dB，直放站级联噪声系数NFREP-cascade 为5dB+ 4dB= 9dB，其它参数为：下行：Ec/No.t = 8-21 = -13dB，Io.oc/Io.sc = 2.5dB，移动台的噪声系数NFm = 8dB，导频功率分配比p = 15% ；上行：Pm = 200mW = 23dBm，SNR = -15dB，载荷=70%, NFREP = 9dB。应用前反向链路平衡公式可得出：PREPMAX = 39dBm从以上两种方法的计算结果可知，直放站每载波所需的最大输出功率应为39dBm。3.2 直放站正常工作所需的输出功率从上述分析结果可知，直放站的覆盖范围往往不是受限于前向输出功率，而是受限于反向级联噪声系数。并随着直放站的配置数而增大。在前反向平衡条件下，直放站正常工作所需的输出功率是与直放站的级联噪声系数成反比关系，级联噪声系数越大，需要的前向输出功率越小，反之亦然。从图5 看，级联噪声系数在工程中主要是由直放站的上行增益和直放站的配置数决定的，当反向增益GREP 增大，噪声增量因子Nrise 随之增大，直放站的噪声增加量将减小，这样有利于直放站开大功率，有利于直放站的覆盖。但同时，直放站的反向增益增大，基站的噪声增量也会增大，随之对基站的干扰也就增大，这样不利于基站的覆盖。因此，为了不至于对基站造成严重干扰，同时又能尽可能发挥直放站的设备性能，我们在调整反向增益时需要考虑基站与直放站之间的噪声增量分配，只有合理分配基站和直放站之间的噪声增量，才能取得基站和直放站相得益彰的覆盖效果。4 结束语以上我们讨论了CDMA 直放站的级联噪声系数、反向增益、前向输出功率参数，这些参数的设置是否合理不仅关系到直放站设备本身的工作性能，还影响到移动网络的通话质量。这几个参数之间是相互关联的，基站的级联噪声系数和直放站的反向级联噪声系数是由直放站反向增益确定，而直放站前向输出功率是由反向级联噪声系数确定。因此，直放站的反向增益调试是直放站工程开通调试的关键。前向输出功率的取值要服从前反向链路平衡条件，因为，前反