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直放站设备作为移动通信系统的重要组成部分,在目前CDMA网络中发挥着重要作用。
但是CDMA作为码分多址系统,直放站的引入将直接影响系统的容量和覆盖,同时还要考虑到直放站设备引入时延后对搜索窗参数设置的优化。
接下来我们就上述问题分别进行讨论。
二、CDMA直放站对大网的影响
在CDMA系统中引入直放站设备以后需要考虑的因素主要有三个方面:
系统噪声、系统时延、系统容量。
2.1系统噪声
直放站作为一个有源的双向放大设备,在放大有用信号的同时,必然会引入一定的噪声,即使在没有任何输入信号的情况下,也会发射杂散信号,相当于一个带内干扰源。
更何况CDMA系统是一个自干扰系统,系统容量和服务质量与多用户干扰紧密相关。
2.1.1前向链路的噪声分析
无论是光纤传输直放站还是无线直放站,前向链路信号的信噪比都很高,噪声电平远远低于高斯环境噪声,有用信号电平远远高于高斯环境噪声,经过直放站放大后,信号的信噪比仍然较好,基本上不会影响系统。
以光纤直放站为例:
按照设备工作条件,到达直放站的前向信号强度大于-10dBm(包括有用信号功率和噪声功率),高斯环境噪声电平是-113dBm,此时直放站输入信号Ec/Io。
经过直放站放大后(考虑直放站前向噪声系数12dB)输出信号Ec/Io’为:
Ec*Grep/(Io*Grep+P热噪声*Grep*Frep)=Ec/(Io+Grep+P热噪声*Frep)
=Ec/[-10dBm+(-113dBm+12dB)]=Ec/[-10dBm+(-101dBm)]
=Ec/[-10dBm+(-101dBm)]
由于-101dBm远小于-10dBm,因此经过直放站前向放大之后对于系统的影响基本可以忽略不计。
2.1.2反向链路的噪声分析
由于直放站本身存在的热噪声,反向链路信号在放大过程被叠加了热噪声,从而会造成施主基站噪声电平的提高,降低施主基站接收机的灵敏度。
假设直放站反向链路的噪声系数为Frep-rev,直放站反向链路的增益为Grep-rev,在基站接收机处产生的噪声功率定义为Prep,则:
Prep=10lg(KTB)+Frep-rev+Grep-rev-Lrep-bts。
其中:
Ø
K——波尔兹曼常数(1.38×
10-23)
T——环境温度,可取295(绝对温度)
B——CDMA载波信号带宽,1.23MHz
Lrep-bts——施主基站到直放站的链路损耗
对于具体的工程而言,Prep只与Grep-rev有关,其余的参数均是固定的常量,由此可见,直放站增益的大小直接关系到施主基站噪声电平的大小。
为了衡量基站接收机噪声电平在系统引入直放站后的变化,定义基站接收机噪声注入裕量NIM(NoiseInjectionMargin):
NIM=10lg(Pbts/Prep)。
Pbts为基站接收机自身噪声电平,以绝对值(dBw)表示;
Prep为直放站在施主基站接收机处产生的等效噪声电平,以绝对值(dBw)表示。
为了便于比较,定义施主基站接收机输入端热噪声的增加量ROT(RiseOverThermal):
ROT=10lg((Pbts+Prep)/Pbts)。
从以上的公式可以看出,基站接收机输入端热噪声的增加量ROT决定了直放站反向链路对施主基站反向链路的影响,即NIM值越大,则直放站在施主基站接收端引起的噪声增加量ROT越小,反之则越大。
而NIM直接取决于直放站反向链路增益Grep-rev:
若Grep-rev值越大,则NIM越小,导致ROT增大,使得施主基站接收灵敏度降低,并且使处于基站覆盖区边缘的用户会发生单通、话音质量下降以及掉话等情况。
若Grep-rev值越小,则NIM越大,此时ROT增加不大,对施主基站接收灵敏度无明显影响,但直放站的覆盖范围会很小。
综合考虑基站接收机接收灵敏度、基站覆盖范围和直放站覆盖范围这三个因素,在实际应用中可以通过调整直放站反向链路增益来达到最优化的目的。
在实际应用中,必须对噪声注入裕量NIM和基站噪声的增加量ROT的进行折中考虑。
通过大量的参考资料和计算分析,一般在高速公路、郊区、乡村等应用场合,需要直放站覆盖的距离比较远,取NIM=0dB,这时ROT=3dB,而室内覆盖等场合,可以适当取大NIM,在满足应用的前提下尽量减小ROT对系统的影响。
2.2直放站数量分析
考虑到避免同一个基站下带过多的直放站将会导致底噪抬升过高,接下来我们分析一下单个基站下所能接入的直放站数量。
该应用场景多为光纤直放站和干放等有线接入方式,因此我们以光纤直放站为例进行计算:
以ROT来衡量基站收到干扰的程度,通常认为ROT=3dB即直放站产生的噪声功率Prep不大于-113dBm时是可以被容忍的。
而多个直放站在同一个施主基站下的噪声可以被累积计算,级联方式分为串联和并联(通常我们在工程使用并联方式组网)。
并联组网时,施主基站接收到直放站的噪声功率Prep=Prep1+Prep2+……+Prepn。
由于Prep只和Grep有关,为了简化计算,假设各个直放站增益一致。
根据前面的分析可得出,在一定的Prep单个基站下能够带的直放站数量实际上是和每个直放站的反向增益即输出功率成反比的:
Prep=10lgn+10lg(KTB)+Frep-rev+Grep-rev-Lrep-bts
Prep=-113dBm
10lgKTB=-113dBm,白噪声功率
Frep-rev=5dB,直放站噪声系数
Lrep-bts=42dB,通常光纤直放站近端通过40dB耦合器的耦合端口接入基站,馈线损耗和接头损耗为2dB
则在上述场景下可计算得10lgn=37-Grep-rev
通过计算可得下表:
直放站反向增益
并联数量
37dB
1
34dB
2
30dB
5
27dB
10
由此可见,如果片面的增加光纤直放站数量必须以减少单个直放站的反向增益作为代价,这样在增加到一定数量以后即便再继续增加直放站数量由于直放站所能提供的增益过小,同样无法达到覆盖的效果。
2.3直放站前向输出功率分析
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参考基站输出功率的比较法进行计算。
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。
同时,基站的接收灵敏度计算公式为:
SBTS=Eb/Nt-10lg(W/Rb)+10lg(KTB)+FBTS,其中:
Eb/Nt基站接收机解调门限
Rb信息速率
KTB热噪声功率,常温下等于-113dBm/1.23MHz
W扩谱带宽
FBTS接收机噪声系数
由于其他参数在工程中均为常数,因此基站接收灵敏度和Eb/Nt直接相关,而Eb/Nt=Ec/Io+扩频增益。
那么在业务种类确定以后,基站接收灵敏度取决于反向导频Ec/Io。
Ec/Io为每Chip能量/总干扰功率谱密度,可以理解为接收的有用功率和内外干扰和的比值。
而引入直放站后,经过直放站后信号的Ec/Io=(Ec+Grep-rev-Lrep-bts)/(Io+Frep-rev+Grep-rev-Lrep-bts)=Ec/(Io+Frep-rev)。
直放站的接受灵敏度Srep=Ec/Io+Frep-rev,即直放站的反向接收灵敏度要比基站低相当于其噪声系数的数值(如果是多台直放站还需要考虑增量)。
目前CDMA基站的输出功率为43dBm,由于基站与直放站级联后引入的噪声增量,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3~7dB。
也就是说,为了达到前向反向平衡,直放站的前向功率也要比基站小3~7dB,因此直放站所需的输出功率应在36~40dBm之间,即单个载波最大输出功率应为40dBm。
2.4上下行平衡
基站接收机灵敏度是接收机端为保证一定的呼叫质量,业务信道所需最低接收电平S_BS=Eb/Nt-10lg(W/Rb)+10lg(KTB)+FBS
Eb/Nt基站接收机解调门限,CDMA话音业务为约为6dB;
Rb信息速率,CDMA话音业务为9.6Kbps;
KTB热噪声功率,常温下等于-113dBm/1.23MHz;
W码片速率,CDMA系统为1.2288chips/s;
FBS接收机噪声系数,典型值为5dB。
因此可计算出CDMA语音业务的接受灵敏度S_BS=6-21-113+5=-123dBm
那么直放站反向输出信号就必须高于-123dBm-Lbts-rep,则直放站反向输入信号为-123dBm-Lbts-rep-Grep-rev,MS发射功率Tx=-123dBm-Lbts-rep-Grep-rev+LMS-rep。
同理可以推出,直放站前向输入功率为Pbts-Lbts-rep,由于基站发射功率通常为43dBm,直放站前向输入功率为43dBm-Lbts-rep,直放站前向输出功率为43dBm-Lbts-rep+Grep-for,MS的接收功率Rx=43Bm-Lbts-rep+Grep-for-LMS-rep。
在CDMA800系统中Tx_ADJ=76+Rx+Tx,代入可得前面的参数可得Tx_ADJ=-4-Grep-rev+Grep-for。
为了保证网络质量,通常要求该参数小于0。
即-4-Grep-rev+Grep-for<
0,Grep-for<
Grep-rev+4。
因此CDMA系统中直放站上下行不平衡度应控制在4dB以内。
2.5系统容量
CDMA系统为自干扰系统,直放站设备的引入主要是对反向链路容量造成了影响。
具体体现在反向链路的负载水平会对应不同的干扰上升,而直放站在反向链路带来了额外的干扰降低了基站的反向链路容量。
一般来说50%的负载会造成3dB的干扰上升,60%的负载会造成4dB的干扰上升。
但是由于功率控制是一个收敛过程,并不是说底噪抬升了3dB就会导致容量减少50%。
具体容量和引入噪声功率关系见下表。
当引入噪声达到-108dBm才会导致容量减少50%,当引入噪声在-113dBm时仅会减少10%的容量。
2.6时延分析
当系统引入直放站设备以后,除了需要考虑有源放大设备对系统底噪声的抬升外还需要考虑直放站设备处理时延对系统带来的影响。
尤其是光纤直放站的应用中直放站引入的时延包括了设备处理时延和光链路传输时延。
在一个较大的时延信号引入系统后,如果搜索窗设置值较小,将可能会引起部分多径信号无法进入Rake接收机造成手机接收信号的Ec/Io劣化甚至“切换”失败。
案例1:
设备中继距离受限
我们在设计光纤直放站方案中需要考虑到BTS的CellRadius参数(反向搜索窗参数)对光纤链路过长的一些应用场景的制约。
即设备处理时延+光纤链路时延<
CellRadius参数所允许的最大时延。
当MS的时延大于该参数以后就会导致MS无法在BTS下正常工作。
场景参数:
BTS的CellRadius设置值为10英里(约为16km),相当于16×
4.1×
2=131.2chips;
直放站设备时延5us;
光纤链路长21km。
那么可以计算出光纤直放站引入系统后所带来的时延为
5×
10-6×
3×
105×
4.1+21×
1.5≈135.3chips>
131.2chips超出了基站小区半径的最大允许值。
此时就会导致MS在光纤直放站覆盖小区内无法进行正常的通话和驻留。
解决方案:
1、更换光纤直放站路由,减少近远端设备之间的光纤长度;
2、调整施主基站参数,增大小区半径参数设置值。
案例2:
光纤直放站覆盖区与邻区的切换
如果光纤直放站引入时延超过主服务小区邻区搜索窗大小的1/2,将会导致光纤直放站覆盖区和相邻小区之间的切换失败。
施主基站的SRCH_WIN_N设置值为7即40chips
光纤直放站近远端接入5km光纤
光纤直放站设备处理时延5us
同样可计算出,光纤直放站引入总时延为36.9chips>
施主基站SRCH_WIN_N/2(20chips)。
此时MS在由光纤直放站覆盖区向相邻小区移动时,接收到的邻区BTS信号Ec/Io很差无法发生切换。
将施主基站SRCH_WIN_N设置为9(80chips),此时再进行路测,MS在光纤直放站覆盖区能够正常发生和相邻小区之间的切换。
案例3:
光纤直放站与施主基站重叠覆盖区
光纤直放站引入时延过大可能会导致和施主基站之间的重叠覆盖区内出现Ec/Io劣化甚至掉话现象的出现。
施主基站的SRCH_WIN_A设置值为7即40chips;
施主基站和光纤直放站之间存在重叠覆盖区;
光纤直放站近远端设备之间光纤长5km,设备处理时延5us。
此时光纤直放站引入系统时延为36.9chips,光纤直放站的重发信号相对于与施主基站的的信号时延已经大于SRCH_WIN_A/2(20chips),来自光纤直放站的信号在重叠覆盖区形成了对基站信号的干扰。
导致MS接收的Ec/Io的明显劣化易发生掉话。
将施主基站SRCH_WIN_A设置为9(80chips),此时再进行路测,MS原掉话区已经能够正常“切换于”直放站覆盖区和基站覆盖区,通话正常。
案例4:
光纤直放站不同远端之间的重叠覆盖区
同一个施主基站下不同光纤直放站远端之间如果因为光纤链路长度不一,造成较大的时延差也可能会导致叠覆盖区内出现Ec/Io劣化甚至掉话现象的出现。
光纤直放站远端A、B之间存在重叠覆盖区;
远端A和近端之间光纤路由8km,远端B和近端之间光纤路由2km。
此时远端A、B之间的光纤理由差值为6km,相当于36.9chips,来自两个不同远端设备信号之间的时延差已经大于SRCH_WIN_A/2(20chips),在重叠覆盖区形成干扰。
1、变更远端站A的光纤路由,缩短和远端站B之间的时延差;
2、采用CRRU数字光纤直放站设备,利用数字光纤直放站能够平衡不同远端设备之间时延差的特性优化该区域的覆盖效果。
在将普通光纤直放站远端设备A、B更换为CRRU设备以后,重叠覆盖区内MS接收Ec/Io正常,能够正常从一个远端站覆盖区“切换”至另一个远端站覆盖区,无掉话现象发生。
注:
前面各案例中的分析计算均未考虑基站或直放站至MS的无线传输距离时延,因为相比光纤链路时延,这部分时延数值较小,对最终结果影响不大。
为简化计算考虑,忽略这部分时延。
三、CDMA直放站工程应用案例
3.1光纤直放站应用案例分析
在某隧道中使用了1拖6的光纤直放站系统,覆盖要求为RX>
-80dBm,施主基站为三载波配置(2个CDMA20001X载波,1个EVDO载波),基站单载波输出功率为43dBm,直放站最大输出功率为43dBm,直放站噪声系数5dB,光纤直放站近端输入功率-10dBm。
根据电信集团公司建设规范三载波配置(2个CDMA20001X载波,1个EVDO载波)时,直放站设备需按10dB回退计算。
因此计算可得,直放站远端设备前向增益为43-10-(-10)=43dB,Lrep-bts=43-(-10)=53d。
方案设计干放前反向增益不平衡度为3dB,即直放站反向增益为40dB。
那么理论计算此时施主基站处所接收到的直放站热噪声功率为Prep=10lgn+10lg(KTB)+Frep-rev+Grep-rev-Lrep-bts(根据2.2节的公式),代入相应的参数得出Prep=-113dBm。
满足设计底噪抬升要求。
系统开通后实测,ROT抬升小于3dB满足设计要求,网络工作正常。
3.2干放应用案例分析
某大楼内使用了5W干放10个,覆盖要求为RX>
-80dBm,施主基站为三载波配置(2个CDMA20001X载波,1个EVDO载波),基站单载波输出功率为43dBm,干放噪声系数5dB,方案设计干放输入功率-10dBm。
计算可得,干放前向增益为37-10-(-10)=37dB,方案设计干放前反向增益不平衡度为1dB,即直放站反向增益为36dB。
那么理论计算此时施主基站处所接收到的直放站热噪声功率为Prep=10lgn+10lg(KTB)+Frep-rev+Grep-rev-Lrep-bts,其中Lrep-bts=43-(-10)=53dB,代入计算得,Prep=-115dBm<
-113dBm,满足设计底噪抬升要求。
四、总结
CDMA直放站引入系统后会对基站端造成底噪的一定抬升,以及部分区域搜索窗参数需要进行优化等问题。
但是经过前面的论证,在符合中国电信集团公司规范的前提下,底噪抬升对系统容量的影响是可以控制在一个合理的范围内的,时延对系统切换和小区驻留造成的影响也是可以通过网络参数的优化加以解决。
同时合理的使用直放站类设备可以简化PN码规划、进行补盲覆盖、改善导频污染,实现对网络性能的优化。
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