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

          作者: 時(shí)間:2017-06-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          一、引言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/356894.htm

          隨著移動(dòng)用戶的增加,移動(dòng)用戶的活動(dòng)范圍越來越廣,移動(dòng)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(shí),如新建、直放站等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方式在工程實(shí)施上難度很高,投資成本和效益回報(bào)也不合理。

          眾所周知,通過加強(qiáng)的發(fā)射功率可以擴(kuò)大到終端的覆蓋范圍。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(hào)加強(qiáng),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(hào)如果不增強(qiáng)就無法解析。造成上、下行覆蓋不平衡,后果便是單通、質(zhì)量差、掉話等。基站覆蓋延伸從基站上、下行兩個(gè)方向改善基站覆蓋范圍,是解決信號(hào)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?;攀前惭b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(hào)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(qiáng)手機(jī)上行發(fā)射功率,提高基站接收靈敏度?;靖采w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(hào)增強(qiáng)10dB。基站覆蓋延伸系統(tǒng)對上行信號(hào)增強(qiáng)約10dB。整個(gè)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(gè)多級(jí)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(jí)到第三級(jí)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(jí)到第二級(jí)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(jí)放大系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要取決于第一級(jí)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(gè)低噪聲放大器來實(shí)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(hào)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(hào)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(shí),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(shí),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(huì)提高白噪聲KTB電平,影響基站對信號(hào)的接收。

          一般基站對0級(jí)信號(hào)通話質(zhì)量的底部噪聲定義是小于-113dBm。常溫情況下,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(gè)站點(diǎn)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(shí),下行覆蓋-104dBm的地方,手機(jī)信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)到達(dá)基站能夠被正確解調(diào)需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件:1、到達(dá)基站(分集增益4dB后)電平值信號(hào)電平值不低于-110dBm;2、基站解調(diào)時(shí)信號(hào)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(hào)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(gè)條件都滿足時(shí)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(hào)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(shí)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(gè)條件都滿足時(shí)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(hào)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(shí)際的應(yīng)用中,無線信號(hào)的繞射、反射、和周圍無線環(huán)境的影響,下行信號(hào)強(qiáng)于-94dBm時(shí)對正常通信才具有保障。無形之中將手機(jī)的接收信號(hào)強(qiáng)度由原來理論的-104dBm提升到-94dBm,所以,我們將-94dBm作為下行信號(hào)覆蓋的邊緣場強(qiáng)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(hào)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(hào)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(hào)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(gè)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(jì)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(huì)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(huì)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(huì)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?;蛘咄ㄟ^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(jì)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(jì)覆蓋功率,否則會(huì)引起質(zhì)差、掉話率高等指標(biāo)惡化的問題。

          參考文獻(xiàn):

          1、《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(dòng)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(dòng)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(jì)等工作。



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