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相關(guān)專題：
摘要：直放站是在基站和移動(dòng)臺(tái)之間串入的一個(gè)模擬有源設(shè)備，噪聲積累效應(yīng)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(shí)延對(duì)容量的影響，給出了底噪抬升與容量的關(guān)系曲線。分析結(jié)果表明底噪抬升3dB將降低24%上行容量。
關(guān)鍵詞：直放站、底噪抬升、容量
ThediscussionofWCDMA capacity infection about repeater
Abstract:Therepeateris inserted active and analog equipment between donor site and mobile. It will 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 the 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(dòng)臺(tái)之間串入的一個(gè)模擬有源設(shè)備，噪聲積累效應(yīng)直接影響施主基站的覆蓋和容量。
當(dāng)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(shí)，1個(gè)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(lái)降低抬升量。
直放站對(duì)施主基站的容量也有影響。直放站和干放等模擬設(shè)備產(chǎn)生的噪聲是積累的，無(wú)法通過(guò)信號(hào)再生方法消除。因此，引入直放站將降低信號(hào)的信噪比（EVM惡化），降低系統(tǒng)的解調(diào)性能，直接降低WCDMA系統(tǒng)的容量。另外，直放站增加了傳輸時(shí)延和設(shè)備處理時(shí)延，對(duì)快速功控的收斂帶來(lái)一定的影響，也會(huì)直接導(dǎo)致施主基站的容量下降。由于直放站上行和下行均進(jìn)行放大，對(duì)雙向鏈路的容量均產(chǎn)生影響。
二、對(duì)上行容量的影響
在沒(méi)有周圍基站小區(qū)干擾的條件下，CDMA系統(tǒng)單業(yè)務(wù)條件下單小區(qū)的上行容量表達(dá)式為：
�。�1）
式中M表示CDMA系統(tǒng)的信道數(shù)（同時(shí)接入的最多用戶數(shù)），是業(yè)務(wù)的處理增益，是背景熱噪聲在通信帶內(nèi)（3.84MHz）的功率，是每個(gè)業(yè)務(wù)信號(hào)到達(dá)基站接收端的功率， 是業(yè)務(wù)在一定業(yè)務(wù)質(zhì)量QoS（主要是誤塊率等）下，接收機(jī)解調(diào)所需的信噪比。
由公式（1）可見(jiàn)，CDMA系統(tǒng)上行容量取決于處理增益和系統(tǒng)性能（解調(diào)所需的）。
不考慮底噪影響時(shí)的容量表達(dá)式（時(shí)的極限或者極點(diǎn)容量）：
�。�2）
CDMA是自干擾系統(tǒng)，自干擾引起功率攀升導(dǎo)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(fù)荷提高，基站小區(qū)上行負(fù)荷公式：
（3）
式中是小區(qū)上行負(fù)荷，是基站總接收噪聲上升量。
單業(yè)務(wù)上行容量模型不失一般性，結(jié)論可以作為依據(jù)。由于話音業(yè)務(wù)粒度小，比較容量變化誤差相對(duì)較小，下面將話音業(yè)務(wù)作為例子探討。
1．底噪抬升對(duì)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(shí)，即，上行負(fù)荷已經(jīng)達(dá)到50％，上升6dB時(shí)達(dá)到75%。
從公式（1）可以看到，基站底噪抬升后對(duì)上行實(shí)際容量有影響。但底噪抬升對(duì)容量的影響與自干擾功率攀升對(duì)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(jī)理下，比如一個(gè)新用戶接入增加了干擾，已經(jīng)接入的用戶為了滿足原來(lái)的QoS而增加功率，以克服新用戶接入的干擾，這是一個(gè)交替攀升的過(guò)程，理論和仿真結(jié)果證明，在功控收斂的條件下功率攀升不會(huì)無(wú)休止進(jìn)行下去，將達(dá)到一個(gè)新的平衡點(diǎn)。功控收斂條件與功控算法、無(wú)線環(huán)境和鏈路時(shí)延等有關(guān)。
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(chǔ)上，用戶不斷接入產(chǎn)生自干擾使基站寬帶接收總功率RTWP上升；底噪抬高后，RTWP更快接近最大限制值，即對(duì)容量有影響。下圖是底噪抬升與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(guān)，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(duì)上行覆蓋半徑縮小比例見(jiàn)下表1：
CDMA系統(tǒng)是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，干擾增加即容量下降；信號(hào)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(wǎng)時(shí)必然存在多小區(qū)，干擾增加，組網(wǎng)后每個(gè)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(yùn)營(yíng)商和多小區(qū)時(shí)干擾噪聲上升，將引起容量的損失，以容量下降前的容量作為比較基礎(chǔ)，則容量下降（損失）比例為：
�。�4）
是單小區(qū)（或單運(yùn)營(yíng)商）的干擾，是多小區(qū)（或多運(yùn)營(yíng)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。
或者按照干擾增加的dB值計(jì)算得出容量的下降比例：
�。�6）
根據(jù)參考文獻(xiàn)【6】、【7】結(jié)論，Qualcomm公司進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)表明，來(lái)自其它基站小區(qū)的干擾為基站收到的本小區(qū)內(nèi)部干擾的35%，組網(wǎng)后多小區(qū)容量比單小區(qū)容量下降，按照（5）式計(jì)算，相對(duì)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(dòng)臺(tái)的情況下，基站之間的干擾增加。這是因?yàn)槠渌鞠碌囊苿?dòng)臺(tái)在相同地點(diǎn)增加了發(fā)射功率，到達(dá)本基站形成干擾的增加，相當(dāng)于其它基站下移動(dòng)臺(tái)同發(fā)射功率的等效平均距離減小。
當(dāng)?shù)自胩齞B時(shí)，假設(shè)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(dǎo)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(duì)本小區(qū)的干擾引起容量降低比例為：
（9）
可見(jiàn)，底噪抬升3dB增加的干擾導(dǎo)致上行容量下降15.1%。
2．EVM惡化對(duì)上行容量的影響
直放站、干放引入噪聲后，使調(diào)制信號(hào)信噪比惡化，用誤差矢量幅度（EVM）來(lái)衡量。根據(jù)3GPP協(xié)議規(guī)定【1】【2】，基站的EVM指標(biāo)是低于17.5%，直放站的EVM指標(biāo)要求好于12.5%。無(wú)論如何，引入直放站就增加了系統(tǒng)噪聲，在原來(lái)信號(hào)的基礎(chǔ)上附加了模糊度，影響了整個(gè)系統(tǒng)的EVM指標(biāo)，使解調(diào)時(shí)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(jīng)過(guò)直放站后，信號(hào)的EVM可以按照一下公式計(jì)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%。
或者根據(jù)公式（3），，下降了4.5%。
兩種途徑求得的結(jié)果相同，EVM惡化導(dǎo)致容量下降4.5%左右。若EVM惡化指標(biāo)小于協(xié)議規(guī)定的值，EVM導(dǎo)致容量降低的容量將減小，一般可以做到容量?jī)H降低3%左右。
3．引入時(shí)延對(duì)上行容量的影響
直放站和干放引入額外的時(shí)延，對(duì)1500Hz的功控環(huán)路產(chǎn)生遲滯效應(yīng)，造成功控收斂波動(dòng)大的問(wèn)題（中值仍然收斂于目標(biāo)值，但是方差大），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在業(yè)務(wù)相同QoS（主要是誤塊率BLER等）下，基帶解調(diào)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(jié)論。
參考文獻(xiàn)【4】對(duì)非理想功率控制對(duì)容量的影響進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)大量仿真和證明的結(jié)果，在非理想功率控制的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到2.5dB時(shí)，對(duì)容量的降低接近1dB，即容量降低比例約為。
上述的3個(gè)因素均降低CDMA的上行容量，總降低量為3個(gè)降低量的總和。
三、對(duì)下行容量的影響
衡量基站下行容量比較困難，因?yàn)樵诨窘�，每個(gè)用戶所需的功率很小，輸出20W功率可以滿足超過(guò)256個(gè)用戶的需要，此時(shí)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(gè)話音碼道或7個(gè)384K碼道），不是功率受限，室外微基站就是這種典型情況。當(dāng)全部用戶在宏基站遠(yuǎn)處接入和通信時(shí)，每個(gè)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(gè)話音用戶，此時(shí)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(nèi)，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(bǔ)盲覆蓋，覆蓋區(qū)域?qū)嶋H話務(wù)量小，擴(kuò)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(kuò)大覆蓋面積。但是，不會(huì)增加單位面積的容量（每平方公里的用戶數(shù)），只是彌補(bǔ)基站輸出功率的不足。
室內(nèi)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(jīng)在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。
直放站和干放是一個(gè)串入基站到移動(dòng)臺(tái)之間鏈路的模擬有源設(shè)備，是雙向進(jìn)行放大的，因此，對(duì)下行鏈路也產(chǎn)生影響。以下分幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。
1．直放站增加下行功率從而增大下行容量
根據(jù)參考文獻(xiàn)【5】的結(jié)論，直放站上行噪聲系數(shù)要比基站大4～7dB，也就是說(shuō)，直放站的上行接收靈敏度要比基站差4～7dB，為了達(dá)到上、下行平衡，直放站的下行功率要比基站小4～7dB。
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(shè)直放站比基站功率低dB，則功率增加倍數(shù)為：
（13）
當(dāng)＝4～7dB時(shí)，根據(jù)（13）式，1.2～1.4倍，即下行容量增加20％～40％。
2．直放站惡化鏈路EVM指標(biāo)導(dǎo)致下行容量下降
直放站在下行鏈路中惡化信號(hào)的EVM，參考上行的EVM指標(biāo)，使移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)解調(diào)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(wù)質(zhì)量的情況下，增加了基站下行發(fā)射功率。
由鏈路中信號(hào)EVM惡化造成的功率增加與移動(dòng)臺(tái)到基站距離相關(guān)，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(shí)延造成下行功控誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差增加，下行容量下降
根據(jù)A.J.維特比的結(jié)論【4】，非理想功率控制對(duì)容量有影響，在非理想功率控制的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到2.5dB時(shí)，對(duì)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(wú)線環(huán)境變化等造成功控來(lái)不及補(bǔ)償衰落而出現(xiàn)誤差，使非理想功率控制的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到5dB以上時(shí)，容量的降低達(dá)到2dB，容量下降比例為。
可見(jiàn)，當(dāng)鏈路時(shí)延增加時(shí)，功控更來(lái)不及補(bǔ)償快衰落，功控誤差將更大，非理想功率控制的標(biāo)準(zhǔn)偏差上升更多甚至不能收斂，導(dǎo)致下行容量急劇下降。
下行容量變化是以上3個(gè)結(jié)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(dāng)額外時(shí)延使功控誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差低于2.5dB時(shí)，即使采用輸出功率比基站輸出功率低7dB時(shí)下行容量仍然有所增加，若下行功控誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差高于5dB時(shí)，直放站站將使下行容量下降。
若直放站時(shí)延、AGC（ALC）等因素使得下行快速功控誤差標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)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(dá)到最大限制值，大大降低下行容量。在3G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)中，對(duì)射頻直放站和光纖直放站的實(shí)驗(yàn)時(shí)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)類似現(xiàn)象。
四、結(jié)束語(yǔ)
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(shí)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(shí)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(dāng)直放站輸出功率比基站低4～7dB時(shí)，下行容量增加15％～35％。只要額外時(shí)延使功控誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差低于2.5dB，下行容量仍然增加；若下行功控誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差大于5dB時(shí)，下行容量不增反減。當(dāng)直放站引入額外時(shí)延導(dǎo)致下行功控不收斂時(shí)，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(jìn)一步研究，找出穩(wěn)定邊界條件和規(guī)律，以獲得足夠的系統(tǒng)穩(wěn)定裕量，避免整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)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(jié)論可以在干放場(chǎng)合下借鑒。直放站后串干放的情況將加大噪聲，更需要仔細(xì)分析各個(gè)方面的影響，在實(shí)際工程中采取相應(yīng)的、有效的措施。
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作者簡(jiǎn)介：
CharlesHuang，男，1962年生，1989年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，獲通信與電子系統(tǒng)碩士學(xué)位。長(zhǎng)期從事無(wú)線通信理論教學(xué)、研究和產(chǎn)品研發(fā)工作，共發(fā)表20多篇學(xué)術(shù)論文，曾在香港大學(xué)進(jìn)行多年的CDMA技術(shù)研究，從事WCDMA產(chǎn)品開(kāi)發(fā)多年，主要研究系統(tǒng)控制方法，已在歐洲和美國(guó)申請(qǐng)3項(xiàng)國(guó)際發(fā)明專利，在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)了5項(xiàng)國(guó)內(nèi)發(fā)明專利。
----《通信世界》
