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摘要：本文對(duì)GSM基站覆蓋延伸系統(tǒng)作用及工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述。重點(diǎn)對(duì)安裝基站覆蓋延伸系統(tǒng)后系統(tǒng)上、下行鏈路平衡作了分析并指出了相關(guān)注意事項(xiàng)。
一、引言
隨著移動(dòng)用戶的增加，移動(dòng)用戶的活動(dòng)范圍越來(lái)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(wèn)題時(shí)，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(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(guò)加強(qiáng)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(guò)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(wú)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(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(jiǎn)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(jiǎn)稱(chēng)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(lái)增強(qiáng)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(hào)增強(qiáng)10dB。基站覆蓋延伸系統(tǒng)對(duì)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(duì)系統(tǒng)上、下行覆蓋的影響
1、加裝塔放對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的分析：
噪聲系數(shù)NF用來(lái)描述放大器對(duì)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(duì)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(wú)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(wú)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(mén)。
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：
�、� 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。
�、剖褂盟藕蟮幕窘邮赵肼曄禂�(shù)NF主要取決于塔放的噪聲系數(shù)NFTA。在饋線較長(zhǎng)，損耗Lc越大時(shí)，加裝塔放對(duì)基站系統(tǒng)的接收靈敏度改善越明顯。
�、� 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(duì)信號(hào)的接收。
一般GSM基站對(duì)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，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(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(guò)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(lái)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(guò)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(duì)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
3dB 3.5dB 2 dB 6.5 dB
4 dB 7.5 dB
5 dB 8.5 dB
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(lái)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(wèn)題探討
在實(shí)際的應(yīng)用中，無(wú)線信號(hào)的繞射、反射、和周?chē)鸁o(wú)線環(huán)境的影響，下行信號(hào)強(qiáng)于－94dBm時(shí)對(duì)正常通信才具有保障。無(wú)形之中將手機(jī)的接收信號(hào)強(qiáng)度由原來(lái)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(chǎng)強(qiáng)來(lái)對(duì)上、下行的平衡來(lái)做分析，來(lái)探討可能出現(xiàn)的問(wèn)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：
�、� 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。
�、� 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?chē)挠脩舴植枷嚓P(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(kāi)通前基站掉話率較高，開(kāi)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(kāi)通前用戶不能通話，不會(huì)對(duì)掉話指標(biāo)造成影響；但開(kāi)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^(guò)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(yǔ)：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(duì)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(chǎng)勘查，根據(jù)具體情況來(lái)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(wèn)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化》人民郵電出版社 2003-4-1
作者簡(jiǎn)介
高鵬：國(guó)人通信公司產(chǎn)品經(jīng)理，畢業(yè)于北方交通大學(xué)無(wú)線專(zhuān)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。
