直放站對WCDMA系統(tǒng)容量影響探討

1、直放站對WCDMA系統(tǒng)容量影響探討摘要：直放站是在基站和移動臺之間串入的一個模擬有源設備，噪聲積累效應直接影響施主基站的覆蓋和容量。 本文主要討論底噪抬升、鏈路EVM惡化和時延對容量的影響，給出了底噪抬升與容量的關系曲線。分析結果表明底噪抬升3dB將降低24%上行容量。關鍵詞：直放站、底噪抬升、容量ThediscussionofWCDMA capacity infection about repeaterAbstract:Therepeateris inserted active and analog equipment between donor site and mobile. It wi

2、ll decrease the capacity and coverage radius of donor site because noise accumulation. The capacity infection on floor noise rising, link EVM corruption and delay will be discussed in this paper. The relation between floor noise rising and capacity is displayed. The analyzing result indicates that t

3、he capacity will be decreased 24% by floor noise rising 3dB.Keywords：repeater,floornoiserising, capacity一、引言直放站是在基站和移動臺之間串入的一個模擬有源設備，噪聲積累效應直接影響施主基站的覆蓋和容量。當直放站上行增益與上行鏈路損耗相等、噪聲系數(shù)與基站相等時，1個直放站將使施主基站底噪抬升3dB，影響施主基站的上行覆蓋范圍；由于宏基站的上行覆蓋先受限，因此需要降低施主基站底噪的抬升量，往往采用直放站上行增益低于上行鏈路損耗的措施來降低抬升量。直放站對施主基站的容量也有影響。直放站和干放等模

4、擬設備產生的噪聲是積累的，無法通過信號再生方法消除。因此，引入直放站將降低信號的信噪比（EVM惡化），降低系統(tǒng)的解調性能，直接降低WCDMA系統(tǒng)的容量。另外，直放站增加了傳輸時延和設備處理時延，對快速功控的收斂帶來一定的影響，也會直接導致施主基站的容量下降。由于直放站上行和下行均進行放大，對雙向鏈路的容量均產生影響。二、對上行容量的影響在沒有周圍基站小區(qū)干擾的條件下，CDMA系統(tǒng)單業(yè)務條件下單小區(qū)的上行容量表達式為：（1）式中M表示CDMA系統(tǒng)的信道數(shù)（同時接入的最多用戶數(shù)），是業(yè)務的處理增益，是背景熱噪聲在通信帶內（3.84MHz）的功率，是每個業(yè)務信號到達基站接收端的功率， 是業(yè)務在一定業(yè)

5、務質量QoS（主要是誤塊率等）下，接收機解調所需的信噪比。由公式（1）可見，CDMA系統(tǒng)上行容量取決于處理增益和系統(tǒng)性能（解調所需的）。不考慮底噪影響時的容量表達式（時的極限或者極點容量）：（2）CDMA是自干擾系統(tǒng)，自干擾引起功率攀升導致基站總接收噪聲（寬帶接收總功率RTWP，包括底噪和自干擾噪聲）上升，基站小區(qū)負荷提高，基站小區(qū)上行負荷公式：（3）式中是小區(qū)上行負荷，是基站總接收噪聲上升量。單業(yè)務上行容量模型不失一般性，結論可以作為依據(jù)。由于話音業(yè)務粒度小，比較容量變化誤差相對較小，下面將話音業(yè)務作為例子探討。1底噪抬升對上行容量和覆蓋的影響從公式（3）可以看到，基站總接收噪聲上升3dB時

6、，即，上行負荷已經達到50，上升6dB時達到75%。從公式（1）可以看到，基站底噪抬升后對上行實際容量有影響。但底噪抬升對容量的影響與自干擾功率攀升對容量的影響是不同的。自干擾引起功率攀升是在功率控制機理下，比如一個新用戶接入增加了干擾，已經接入的用戶為了滿足原來的QoS而增加功率，以克服新用戶接入的干擾，這是一個交替攀升的過程，理論和仿真結果證明，在功控收斂的條件下功率攀升不會無休止進行下去，將達到一個新的平衡點。功控收斂條件與功控算法、無線環(huán)境和鏈路時延等有關。底噪抬升3dB并不意味上行容量降低了50。底噪抬升是指在背景熱噪聲基礎上，用戶不斷接入產生自干擾使基站寬帶接收總功率RTWP上升；

7、底噪抬高后，RTWP更快接近最大限制值，即對容量有影響。下圖是底噪抬升與自干擾功率攀升示意圖：圖1不同底噪的自干擾功率攀升示意圖底噪抬升直接降低上行接收靈敏度，上行覆蓋半徑直接縮小，覆蓋半徑縮小的百分比與傳播模型有關，室外傳播模型可以使用距離衰減系數(shù)3.53作為參考。底噪抬升對上行覆蓋半徑縮小比例見下表1：CDMA系統(tǒng)是一個自干擾系統(tǒng)，干擾增加即容量下降；信號本身就是干擾，增加發(fā)射功率意味著干擾增加，容量下降。組網時必然存在多小區(qū)，干擾增加，組網后每個基站小區(qū)的容量比單小區(qū)容量下降，下降比例取決于干擾的增加量。根據(jù)3GPP協(xié)議【3】，多運營商和多小區(qū)時干擾噪聲上升，將引起容量的損失，以容量下降

8、前的容量作為比較基礎，則容量下降（損失）比例為：（4）是單小區(qū)（或單運營商）的干擾，是多小區(qū)（或多運營商）的干擾。按照增加干擾的情況，由（4）式得：（5）式中為增加的干擾比例?；蛘甙凑崭蓴_增加的dB值計算得出容量的下降比例：（6）根據(jù)參考文獻【6】、【7】結論，Qualcomm公司進行的模擬實驗表明，來自其它基站小區(qū)的干擾為基站收到的本小區(qū)內部干擾的35%，組網后多小區(qū)容量比單小區(qū)容量下降，按照（5）式計算，相對下降前的容量，下降比例為：（7）直放站引起基站底噪抬升，上行接收靈敏度降低，上行覆蓋半徑變小，在相同數(shù)量移動臺的情況下，基站之間的干擾增加。這是因為其它基站下的移動臺在相同地點增加了發(fā)

9、射功率，到達本基站形成干擾的增加，相當于其它基站下移動臺同發(fā)射功率的等效平均距離減小。當?shù)自胩齞B時，假設室外宏小區(qū)傳播模型的距離衰減系數(shù)3.53，則覆蓋半徑縮小比例為：（8）同發(fā)射功率的等效平均距離減小導致干擾增加，其比例與（7）式相同。比如底噪抬升3dB，靈敏度降低3dB，室外宏小區(qū)傳播模型的距離衰減系數(shù)3.53，則小區(qū)半徑縮小17.77%。從式（5）得周圍小區(qū)對本小區(qū)的干擾引起容量降低比例為：（9）可見，底噪抬升3dB增加的干擾導致上行容量下降15.1%。2EVM惡化對上行容量的影響直放站、干放引入噪聲后，使調制信號信噪比惡化，用誤差矢量幅度（EVM）來衡量。根據(jù)3GPP協(xié)議規(guī)定【1】

10、【2】，基站的EVM指標是低于17.5%，直放站的EVM指標要求好于12.5%。無論如何，引入直放站就增加了系統(tǒng)噪聲，在原來信號的基礎上附加了模糊度，影響了整個系統(tǒng)的EVM指標，使解調時誤碼率BER（或者誤塊率BLER）上升，噪聲上升增加可以表示為【8】：（10）而經過直放站后，信號的EVM可以按照一下公式計算：（11）這樣，總的EVM值是21.5%，根據(jù)公式（10）得：（12）這樣，直放站引入后噪聲上升約0.20dB，降低容量為：根據(jù)公式（6），下降了4.5%?；蛘吒鶕?jù)公式（3），下降了4.5%。兩種途徑求得的結果相同，EVM惡化導致容量下降4.5%左右。若EVM惡化指標小于協(xié)議規(guī)定的值，E

11、VM導致容量降低的容量將減小，一般可以做到容量僅降低3%左右。3引入時延對上行容量的影響直放站和干放引入額外的時延，對1500Hz的功控環(huán)路產生遲滯效應，造成功控收斂波動大的問題（中值仍然收斂于目標值，但是方差大），實驗結果表明，在業(yè)務相同QoS（主要是誤塊率BLER等）下，基帶解調所需信噪比Eb/N0提高0.2dB左右，使用公式（2）或（3），所需信噪比提高而降低容量為：根據(jù)公式（2）：，下降4.5%根據(jù)公式（3）：，也可以得出相同的結論。參考文獻【4】對非理想功率控制對容量的影響進行了研究，經過大量仿真和證明的結果，在非理想功率控制的標準偏差達到2.5dB時，對容量的降低接近1dB，即容量

12、降低比例約為。上述的3個因素均降低CDMA的上行容量，總降低量為3個降低量的總和。三、對下行容量的影響衡量基站下行容量比較困難，因為在基站近處，每個用戶所需的功率很小，輸出20W功率可以滿足超過256個用戶的需要，此時是下行碼道（信道）之間的非正交干擾受限和碼資源受限（最多256個話音碼道或7個384K碼道），不是功率受限，室外微基站就是這種典型情況。當全部用戶在宏基站遠處接入和通信時，每個用戶往往將最大限制的功率用完，20W功率最多只能接入10多個話音用戶，此時是功率受限，大區(qū)制宏基站覆蓋（比如覆蓋半徑大于10Km）系統(tǒng)就是這種典型情況，需要加大基站發(fā)射功率或者用直放站增加下行容量，在大區(qū)制

13、宏基站覆蓋系統(tǒng)中直放站可以增加下行容量。在城市環(huán)境，基站覆蓋半徑一般在5Km范圍內，下行容量更偏向非正交干擾受限的情況，直放站主要作為補盲覆蓋，覆蓋區(qū)域實際話務量小，擴大下行容量的效果不如大區(qū)制的明顯。直放站引入后，將基站部分功率放大以擴大覆蓋面積。但是，不會增加單位面積的容量（每平方公里的用戶數(shù)），只是彌補基站輸出功率的不足。室內覆蓋環(huán)境主要以單徑為主的微微小區(qū)特征，非正交干擾比較小，往往是碼資源受限。已經在實驗中得到證實。直放站和干放是一個串入基站到移動臺之間鏈路的模擬有源設備，是雙向進行放大的，因此，對下行鏈路也產生影響。以下分幾個方面進行闡述。1直放站增加下行功率從而增大下行容量根據(jù)參

14、考文獻【5】的結論，直放站上行噪聲系數(shù)要比基站大47dB，也就是說，直放站的上行接收靈敏度要比基站差47dB，為了達到上、下行平衡，直放站的下行功率要比基站小47dB。因此，總下行輸出功率基站輸出功率直放站輸出功率。使用直放站后增加了下行功率，設直放站比基站功率低dB，則功率增加倍數(shù)為：（13）當47dB時，根據(jù)（13）式，1.21.4倍，即下行容量增加2040。2直放站惡化鏈路EVM指標導致下行容量下降直放站在下行鏈路中惡化信號的EVM，參考上行的EVM指標，使移動臺接收機解調所需要的信噪比提高，所需要的功率增加，同樣距離和業(yè)務質量的情況下，增加了基站下行發(fā)射功率。由鏈路中信號EVM惡化造成

15、的功率增加與移動臺到基站距離相關，但下行容量降低比例可以從提高值直接得到，提高0.2dB，根據(jù)（6）式，則容量下降比例。3 直放站額外時延造成下行功控誤差的標準偏差增加，下行容量下降根據(jù)A.J.維特比的結論【4】，非理想功率控制對容量有影響，在非理想功率控制的標準偏差達到2.5dB時，對容量的降低接近1dB，容量下降比例約為。非理想功控使容量降低dB，根據(jù)（6）式容量下降比例為。在由于無線環(huán)境變化等造成功控來不及補償衰落而出現(xiàn)誤差，使非理想功率控制的標準偏差達到5dB以上時，容量的降低達到2dB，容量下降比例為。可見，當鏈路時延增加時，功控更來不及補償快衰落，功控誤差將更大，非理想功率控制的標

16、準偏差上升更多甚至不能收斂，導致下行容量急劇下降。下行容量變化是以上3個結果的總和。綜上所述，直放站引入后下行容量有不同程度的增加，只有當額外時延使功控誤差標準偏差低于2.5dB時，即使采用輸出功率比基站輸出功率低7dB時下行容量仍然有所增加，若下行功控誤差標準偏差高于5dB時，直放站站將使下行容量下降。若直放站時延、AGC（ALC）等因素使得下行快速功控誤差標準差很大，甚至超出穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，以致下行功控不再收斂，此時下行容量將急劇下降。比如在某些特定條件下，直放站引入額外時延使功控不收斂，不斷增加鏈路發(fā)射功率，造成下行各條物理鏈路功率很快達到最大限制值，大大降低下行容量。在3G實驗網中，對

17、射頻直放站和光纖直放站的實驗時曾經發(fā)生過類似現(xiàn)象。四、結束語直放站引入后，造成施主基站底噪抬升，上行覆蓋半徑縮小，同時引起上行容量下降。在底噪抬升3dB的情況下上行容量降低約15，EVM惡化和額外時延另外引起容量降低約9，即綜合的上行容量總降低量約24。當直放站輸出功率比基站低47dB時，下行容量增加1535。只要額外時延使功控誤差的標準偏差低于2.5dB，下行容量仍然增加；若下行功控誤差的標準偏差大于5dB時，下行容量不增反減。當直放站引入額外時延導致下行功控不收斂時，下行容量將急劇下降。功控不收斂是指超出基站和直放站組成的系統(tǒng)穩(wěn)定邊界條件的情況，需要進一步研究，找出穩(wěn)定邊界條件和規(guī)律，以獲

18、得足夠的系統(tǒng)穩(wěn)定裕量，避免整個系統(tǒng)在實際運行中出現(xiàn)容量大幅下降的情況。直放站和干放的作用和特性類似，結論可以在干放場合下借鑒。直放站后串干放的情況將加大噪聲，更需要仔細分析各個方面的影響，在實際工程中采取相應的、有效的措施。參考文獻：13GPPTS25.104V6.4.0(2003-12)，BaseStation (BS) radio transmission and reception (FDD)(Release 6)。23GPPTS25.106V6.0.0(2003-12)，UTRArepeater radio transmission and reception (Release 6)。33GPPTR25.942V6.1.0(2003-09)，RadioFrequency (RF) system scenarios(Release 6)。4CDMA擴頻通信原理，A.J.維特比著、李世鶴等譯，人民郵電出版社，1997年1月，北京，P200204。5蜂窩移動通信射頻工程，蘇華鴻等編著，人民郵電出版社，北京，2005年1月，P260262。6.CDMA系統(tǒng)工程手冊，JhongSamLee等著，許希斌等譯，人民郵電出版社，北京，2001年2月，P7P8。7On