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1、直放站对 WCDMA 系统容量影响探讨摘要：直放站是在基站和移动台之间串入的一个模拟有源设备，噪声积累效应直接影响施主基站的覆盖和容量。 本文主要讨论底噪抬升、链路 EVM 恶化和时延对容量的影响，给出了底噪抬升与容量的关系曲线。分析结果表明底噪抬升 3dB 将降低 24%上行容量。关键词：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
2、. 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
3、 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动台之间串入的一个模拟有源设备，噪声积累效应直接影响施主基站的覆盖和容量。当直放站上行增益与上行链路损耗相等、噪声系数与基站相等时，1 个直放站将使施主基站底噪抬升 3dB，影响施主基站的上行覆盖范围；由于宏基站的上行覆盖先受限，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链路损耗的措施来降低抬升量。直放站对施主基站的容量也有影响
4、。直放站和干放等模拟设备产生的噪声是积累的，无法通过信号再生方法消除。因此，引入直放站将降低信号的信噪比（EVM 恶化） ，降低系统的解调性能，直接降低 WCDMA 系统的容量。另外，直放站增加了传输时延和设备处理时延，对快速功控的收敛带来一定的影响，也会直接导致施主基站的容量下降。由于直放站上行和下行均进行放大，对双向链路的容量均产生影响。二、对上行容量的影响在没有周围基站小区干扰的条件下，CDMA 系统单业务条件下单小区的上行容量表达式为：（1）式中 M 表示 CDMA 系统的信道数（同时接入的最多用户数） ，是业务的处理增益，是背景热噪声在通信带内（3.84MHz）的功率，是每个业务信号
5、到达基站接收端的功率， 是业务在一定业务质量QoS（主要是误块率等）下，接收机解调所需的信噪比。由公式（1）可见，CDMA 系统上行容量取决于处理增益和系统性能（解调所需的） 。不考虑底噪影响时的容量表达式（时的极限或者极点容量）：（2）CDMA 是自干扰系统，自干扰引起功率攀升导致基站总接收噪声（宽带接收总功率 RTWP，包括底噪和自干扰噪声）上升，基站小区负荷提高，基站小区上行负荷公式：（3）式中是小区上行负荷，是基站总接收噪声上升量。单业务上行容量模型不失一般性，结论可以作为依据。由于话音业务粒度小，比较容量变化误差相对较小，下面将话音业务作为例子探讨。1底噪抬升对上行容量和覆盖的影响从
6、公式（3）可以看到，基站总接收噪声上升 3dB 时，即，上行负荷已经达到 50，上升 6dB 时达到 75%。从公式（1）可以看到，基站底噪抬升后对上行实际容量有影响。但底噪抬升对容量的影响与自干扰功率攀升对容量的影响是不同的。自干扰引起功率攀升是在功率控制机理下，比如一个新用户接入增加了干扰，已经接入的用户为了满足原来的 QoS 而增加功率，以克服新用户接入的干扰，这是一个交替攀升的过程，理论和仿真结果证明，在功控收敛的条件下功率攀升不会无休止进行下去，将达到一个新的平衡点。功控收敛条件与功控算法、无线环境和链路时延等有关。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热
7、噪声基础上，用户不断接入产生自干扰使基站宽带接收总功率 RTWP 上升；底噪抬高后，RTWP 更快接近最大限制值，即对容量有影响。下图是底噪抬升与自干扰功率攀升示意图：图 1 不同底噪的自干扰功率攀升示意图底噪抬升直接降低上行接收灵敏度，上行覆盖半径直接缩小，覆盖半径缩小的百分比与传播模型有关，室外传播模型可以使用距离衰减系数 3.53 作为参考。底噪抬升对上行覆盖半径缩小比例见下表 1：CDMA 系统是一个自干扰系统，干扰增加即容量下降；信号本身就是干扰，增加发射功率意味着干扰增加，容量下降。组网时必然存在多小区，干扰增加，组网后每个基站小区的容量比单小区容量下降，下降比例取决于干扰的增加量
8、。根据 3GPP 协议【3】 ，多运营商和多小区时干扰噪声上升，将引起容量的损失，以容量下降前的容量作为比较基础，则容量下降（损失）比例为：（4）是单小区（或单运营商）的干扰，是多小区（或多运营商）的干扰。按照增加干扰的情况，由（4）式得：（5）式中为增加的干扰比例。或者按照干扰增加的 dB 值计算得出容量的下降比例：（6）根据参考文献【6】 、 【7】结论，Qualcomm 公司进行的模拟实验表明，来自其它基站小区的干扰为基站收到的本小区内部干扰的35%，组网后多小区容量比单小区容量下降，按照（5）式计算，相对下降前的容量，下降比例为：（7）直放站引起基站底噪抬升，上行接收灵敏度降低，上行覆
9、盖半径变小，在相同数量移动台的情况下，基站之间的干扰增加。这是因为其它基站下的移动台在相同地点增加了发射功率，到达本基站形成干扰的增加，相当于其它基站下移动台同发射功率的等效平均距离减小。当底噪抬升 dB 时，假设室外宏小区传播模型的距离衰减系数3.53，则覆盖半径缩小比例为：（8）同发射功率的等效平均距离减小导致干扰增加，其比例与（7）式相同。比如底噪抬升 3dB，灵敏度降低 3dB，室外宏小区传播模型的距离衰减系数3.53，则小区半径缩小 17.77%。从式（5）得周围小区对本小区的干扰引起容量降低比例为：（9）可见，底噪抬升 3dB 增加的干扰导致上行容量下降 15.1%。2EVM 恶化
10、对上行容量的影响直放站、干放引入噪声后，使调制信号信噪比恶化，用误差矢量幅度（EVM）来衡量。根据 3GPP 协议规定【1】 【2】 ，基站的EVM 指标是低于 17.5%，直放站的 EVM 指标要求好于 12.5%。无论如何，引入直放站就增加了系统噪声，在原来信号的基础上附加了模糊度，影响了整个系统的 EVM 指标，使解调时误码率BER（或者误块率 BLER）上升，噪声上升增加可以表示为 【8】：（10）而经过直放站后，信号的 EVM 可以按照一下公式计算：（11）这样，总的 EVM 值是 21.5%，根据公式（10）得：（12）这样，直放站引入后噪声上升约 0.20dB，降低容量为：根据公
11、式（6） ， ，下降了 4.5%。或者根据公式（3） ， ，下降了 4.5%。两种途径求得的结果相同，EVM 恶化导致容量下降 4.5%左右。若 EVM 恶化指标小于协议规定的值，EVM 导致容量降低的容量将减小，一般可以做到容量仅降低 3%左右。3引入时延对上行容量的影响直放站和干放引入额外的时延，对 1500Hz 的功控环路产生迟滞效应，造成功控收敛波动大的问题（中值仍然收敛于目标值，但是方差大） ，实验结果表明，在业务相同 QoS（主要是误块率 BLER等）下，基带解调所需信噪比 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为：根据公式（2）：，
12、下降 4.5%根据公式（3）：，也可以得出相同的结论。参考文献【4】对非理想功率控制对容量的影响进行了研究，经过大量仿真和证明的结果，在非理想功率控制的标准偏差达到2.5dB 时，对容量的降低接近 1dB，即容量降低比例约为。上述的 3 个因素均降低 CDMA 的上行容量，总降低量为 3 个降低量的总和。三、对下行容量的影响衡量基站下行容量比较困难，因为在基站近处，每个用户所需的功率很小，输出 20W 功率可以满足超过 256 个用户的需要，此时是下行码道（信道）之间的非正交干扰受限和码资源受限（最多256 个话音码道或 7 个 384K 码道） ，不是功率受限，室外微基站就是这种典型情况。当
13、全部用户在宏基站远处接入和通信时，每个用户往往将最大限制的功率用完，20W 功率最多只能接入 10 多个话音用户，此时是功率受限，大区制宏基站覆盖（比如覆盖半径大于10Km）系统就是这种典型情况，需要加大基站发射功率或者用直放站增加下行容量，在大区制宏基站覆盖系统中直放站可以增加下行容量。在城市环境，基站覆盖半径一般在 5Km 范围内，下行容量更偏向非正交干扰受限的情况，直放站主要作为补盲覆盖，覆盖区域实际话务量小，扩大下行容量的效果不如大区制的明显。直放站引入后，将基站部分功率放大以扩大覆盖面积。但是，不会增加单位面积的容量（每平方公里的用户数） ，只是弥补基站输出功率的不足。室内覆盖环境主
14、要以单径为主的微微小区特征，非正交干扰比较小，往往是码资源受限。已经在实验中得到证实。直放站和干放是一个串入基站到移动台之间链路的模拟有源设备，是双向进行放大的，因此，对下行链路也产生影响。以下分几个方面进行阐述。1直放站增加下行功率从而增大下行容量根据参考文献【5】的结论，直放站上行噪声系数要比基站大47dB ，也就是说，直放站的上行接收灵敏度要比基站差 47dB ，为了达到上、下行平衡，直放站的下行功率要比基站小 47dB。因此，总下行输出功率基站输出功率直放站输出功率。使用直放站后增加了下行功率，设直放站比基站功率低 dB，则功率增加倍数为：（13）当47dB 时，根据（13）式，1.2
15、1.4 倍，即下行容量增加2040。2直放站恶化链路 EVM 指标导致下行容量下降直放站在下行链路中恶化信号的 EVM，参考上行的 EVM 指标，使移动台接收机解调所需要的信噪比提高，所需要的功率增加，同样距离和业务质量的情况下，增加了基站下行发射功率。由链路中信号 EVM 恶化造成的功率增加与移动台到基站距离相关，但下行容量降低比例可以从提高值直接得到，提高 0.2dB，根据（6）式，则容量下降比例。3 直放站额外时延造成下行功控误差的标准偏差增加，下行容量下降根据 A.J.维特比的结论 【4】 ，非理想功率控制对容量有影响，在非理想功率控制的标准偏差达到 2.5dB 时，对容量的降低接近1
16、dB，容量下降比例约为。非理想功控使容量降低 dB，根据（6）式容量下降比例为。在由于无线环境变化等造成功控来不及补偿衰落而出现误差，使非理想功率控制的标准偏差达到 5dB 以上时，容量的降低达到2dB，容量下降比例为。可见，当链路时延增加时，功控更来不及补偿快衰落，功控误差将更大，非理想功率控制的标准偏差上升更多甚至不能收敛，导致下行容量急剧下降。下行容量变化是以上 3 个结果的总和。综上所述，直放站引入后下行容量有不同程度的增加，只有当额外时延使功控误差标准偏差低于 2.5dB 时，即使采用输出功率比基站输出功率低 7dB 时下行容量仍然有所增加，若下行功控误差标准偏差高于 5dB 时，直放站站将使下行容量下降。若直放站时延、AGC（ALC）等因素使得下行快速功控误差标准差很大，甚至超出稳定的临界状态，以致下行功控不再收敛，此时下行容量将急剧下降。比如在某些特定条件下，
