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CDMA塔顶放大器工程设计和安装测试
2006年7月18日 10:41  来源:移动通信  作者:孙成明,夏春平
    【摘要】文章结合塔顶放大器工程实际案例,通过链路平衡计算和测试验证,介绍了CDMA系统射频链路参数设计,可供移动通信工程技术人员参考。

    1、概述

  1.1 塔顶放大器在移动通信网络中的作用

  塔顶放大器是安装在移动通信基站铁塔顶部的射频信号放大设备;可以分为单向放大和双向放大两类,单向放大的作用就是只放大上行(反向链路)信号/或下行(前向链路)信号;双向放大的作用就是既放大上行信号又放大下行信号,达到扩大覆盖范围的目的。

  随着覆盖范围的扩大,用户增多,话务量增加,同频干扰增多,基站接收噪声电平升高,导致基站接收信噪比恶化;而CDMA系统采用功率控制技术和分集接收技术,增加塔顶放大器后,合理分配系统电平,保持链路参数在合理范围内,系统就能避开干扰,既可扩大基站无线信号覆盖范围,还可增加基站系统的容量。

  塔顶放大器系统设备组成及其在移动通信基站中的连接关系如图1所示。
图1 塔放系统应用示意图
  1.2 塔顶放大器工程应用需要解决的主要问题

  塔顶放大器工程应用(设计安装调试),主要是解决链路平衡问题。应对前/反向链路参数进行设计分析和计算、安装调试,实际测试后,需重新调整和修正有关参数,以实现网络优化目标。

  2、塔顶放大器工程链路参数设计
  以云南保山市隆阳区羊邑电信所基站塔放设计为案例,对塔顶放大器工程链路参数设计进行分析。

  2.1 前向链路电平设计计算

  (1)前向链路的最大传输损耗

  按CCIR模型:
  LTmax(dB)=Pb+Gb-Ab+Gm-10Lg[ζp-(Ec/No,T)req(1+Io,oc/Io,sc)]-(Ec/No,T)req-(NoW)m  (1)

  式中:
  Pb为基站发射功率(dBm);
  Gb为小区天线增益,本例取10dBi;
  Ab为小区馈线系统总损耗,本例取5dB;
  Gm为移动台天线增益,本例取0dBi;
  ζp为发射功率中分配给导频信道的部分,本例取20%;
  (Ec/No,T)req为导频码片能量对噪声谱密度之比,本例取-15dB;
  Io,oc/Io,sc为其它小区干扰谱密度与同小区干扰谱密度之比,本例取2.5dB;
  (NoW)m为移动台接收机的热噪声谱密度(移动台噪声系数取8dB),本例取-105dBm。

  算得:

  安装塔放前:Lmaxfo=153.5dB;
  安装塔放后:Lmaxft=161.5dB;
  前向链路传输总损耗比安装塔放前改善约8dB。

  (2)小区前向覆盖半径

  本例中,羊邑基站地处城市远郊,丘陵起伏较大,多数用户在丘陵/小山坡下,工作频段为PCS1900MHz,采用CCIRC传播模型,按下式计算:
  Rkm=exp{2.303*[Lmax-129.64+2.91hm+13.82lghb-25lg10(%)]/[44.9-6.55lghb]}  (2)

  式中:

  Lmax为链路最大传输损耗;
  hm为移动台天线相对高度,本例取1.5米;
  hb为小区基站天线相对高度,本例取30米;

  %为建筑物覆盖的地面所占百分比,本例覆盖区域属丘陵地带,遮挡面积分别按Q=10%,20%,50%计算,结果见表1和表2。

表1 羊邑基站射频链路设计参数表
序号
前向链路
反向链路
参数指标
装塔放前
装塔放后
参数指标
装塔放前
装塔放后
1
工作频段
1975MHz~1990MHz
工作频段
1890MHz~1905MHz
2
Pc(dBm)
38
41*(39)
Pm
23
23
3
Gc(dBi)
10-5*=5
10-1=9
Gm
0
0
4
SNRreq(dB)
-14
-14
Ec/No(dB)
-15
-15
5
Io,oc/Io,sc(dB)
2.5
2.5
Ga
3
3
6
NF)m(dB)
8
8
NF)c
5+5*=10
3
7
NoW)m(dBm)
-105
-105
NoW)c(dBm)
-103
-l10
8
ζp(%)
20
20
载荷X
50%
50%
9
Lmaxf(dB)
153.5
161.5
Lmaxr(dB)
151
158
10
B(dB)
2.5
3.5(1.5)
11
ζp*(%),B=0
15
13
12
Rkmf(km)
Rkmr(km)
50%遮挡
1.5
2.53
1.27
2.0
20%遮挡
2.87
4.84
2.43
3.85
10%遮挡
4.7
7.78
3.98
6.28

  注1:41*为设计值(塔放实际输出功率电平为4 3dBm,工程实际调整值为3 9dBm)。
  注2:5*为基站天馈(50米馈线和避雷器等)附加总损耗按5dB计。
  注3:ζp*(%)为B=0时,导频信号功率占总发射功率的百分比。

    表2 羊邑基站塔放工程测试参数和计算结果
序号
前向链路
反向链路
参数指标
装塔放前
装塔放后
参数指标
装塔放前
装塔放后
1
工作频段
1975MHz~1990MHz
工作频段
1890MHz~1905MHz
2
Pc(dBm)
38
39
Pm
0
0
3
Gc(dBi)
10-5*=5
10-1=9
Gm
0
0
4
SNRreq(dB)
-14
-14
Ec/No(dB)
-9
9
5
Io,oc/Io, sc(dB)
2.5
2.5
Ga
3
3
6
NF)m(dB)
8
8
NF)c
5+5*=10
3
7
NoW)m(dBm)
-90
-90
Now)c(dBm)
-103
-110
8
ζp(%)
20
20
载荷X
50%
50%
9
Lmaxf(dB)
141
147
Lmaxr(dB)
128
135
10
B(dB)
2.5
1.5
11
ζp*(%),B=0
20
20
12
Rkmf(km)
Rkmr(km)
50%遮挡
0.66
0.98
0.28
0.45
20%遮挡
1.27
1.87
0.54
0.86
10%遮挡
2.1
3.06
0.89
1.4
13
覆盖面积(km2
13.8
29.4
2.5
6.2

  注1:加装塔放前的计算结果与路测结果有可比性,加装塔顶放大器后,实际路测结果(1.89km见图3)比计算(1.4km)结果好,说明加装塔放后的工程计算(特别是反向链路的计算)是比较保守的。
  注2:通常情况下,用户在小区边缘拔打电话时,手机功率都会自动增大到0dBm以上,最大可达20dBm;手机接收信号码片能量噪声比低于-9dB(或-13dB,甚至到-15dB),因此实际覆盖半径应大于测试半径。
  注3:按哈塔模型或WIN模型计算所得小区覆盖半径都比较大(计算略);选择CCIR模型;计算结果与工程实际较吻合。

  2.2 反向链路电平设计计算

  (1)反向链路的最大传输损耗

  按CCIR模型,
  Lmax=Pm+Gb-Ab+Gm-(Eb/No)req+PG-(NoW)c+10lg(1-X)+Ga  (3)

  式中:

  Pm为移动台发射功率,取23dBm,工程测试按0dBm计算;
  (Eb/No)req为小区基站接收的比特能量对噪声密度之比,取6dB;
  PG=系统处理增益,本例为21dB;
  (NoW)c为基站等效噪声功率(基站接收机噪声系数取5dB,塔顶放大器噪声系数取3dB);
  X为小区载荷系数,取0.5;
  Ga为分集接收等效增益,取3dB。

  算得:

  安装塔放前:Lmaxro=23+10-5+0-6+21-(-108)-3+3=151(dB);
  安装塔放后:Lmaxrt=23+10+0-6+21-(-110)-3+3=158(dB)。

  (2)小区反向覆盖半径

  设小区载荷50%,遮挡面积分别按Q=10%,20%,50%,按式(1)计算,结果见表1和表2。

  2.3 前向、反向链路平衡

  前向链路功率过大,会对其它小区移动台造成不必要的干扰;而反向链路功率过大则会降低小区有效容量。因此需要对系统进行平衡,尽可能使小区前向链路覆盖范围与反向链路覆盖范围相吻合;在用户密度小的农村,前向链路覆盖面积可以略大于反向链路覆盖面积。

  平衡因子B定义为:
  B=L前向-L反向  (4)
  工程设计可取B=1dB~2dB。

  本例中,安装塔放前,前向链路覆盖略大于反向链路覆盖;导频信号可以由20%降低到15%,也可以适当降低基站发射功率(比如降到36.5dBm)实现前/反向链路基本平衡。

  安装塔放后设计的计算值:B=3.5dB;调整功率后,B=1.5dB。

  安装塔放后,如基站发射功率大于40dBm,则导频信号功率可以降到13%;实际工程中,将基站发射功率下调到39dBm左右(调整塔放增益或后台基站功率参数);达到链路基本平衡目的。

  链路设计参数见表1,工程测试计算参数见表2。

  由表1看出,安装塔顶放大器前,羊邑基站前向覆盖最大4.7Km(空旷地),反向为2.5km,若用户在小山背后,基本上不能通话;加装塔顶放大器后羊邑基站前向覆盖范围可达8km左右,反向覆盖范围在6.5km左右(由地形、地貌决定)。可靠通信范围大约在半径4km范围内。

  2.4 小区载荷和容量

  (1)小区载荷

  载荷是描述小区容量的简单方法。小区载荷X=工作的用户数/最大允许的用户数。CDMA系统干扰量正比于同区和邻区的用户数,容量是自我限制的。安装塔放前,设小区载荷为0.5,安装塔放后,由于基站总等效噪声系数改善约6dB~7dB,在同等干扰电平下,小区载荷可达到0.8,即可增加约30%的用户。安装塔放后一段时间内,掉话率降低;当用户容量接近饱和时,掉话率会明显增加。

  (2)小区容量

  这里指单载频小区的最大用户数。通常,反向平均话音激活因子Ar=O.4,载荷门限Xo=0.9,移动用户数据速率Rb=9.6kb/s,解码所需的Eb/No=6dB,当移动用户阻塞概率BCDMA=2%时,平均用户数为28,最大用户数为36;设忙时集中系数K=0.1,则小区最大用户数为360;设每用户每天平均呼叫C=5次,每次占用时间T=120秒,则每用户平均忙时话务量:

  a=C*T*K/3600
  =5*120*0.1/3600
  =0.0167Erl/h

  小区总话务量为
  0.0167*360=6Erl/h

  未安装塔放,当用户增多,需要基站发射较大的功率(按需分配)时,由于基站功率有限,部分“远距离”用户得不到足够的电平值,网络拒绝该用户接入或拆线,造成呼叫失败或掉线;而采用塔放后,基站发射功率余量较大(选用设备值比设计理论要求值高出2dB~3dB),当扇区激活的用户多时,基站有足够的功率按需分配到各用户,也就是说,移动用户需要多大电平,基站就给多大电平,保证所有用户有效接入(必要条件是:反向链路达到基站接收门限电平);当用户不太多时,塔放负荷较小,提高了设备稳定性和可靠性。

  取再用系数(收到的其它小区总功率/收到的本小区总功率)ζ=0.33,则多小区蜂窝网的小区容量只有单小区的75%。

  3、工程测试结果

  3.1 羊邑基站路测渲染图

  保山市羊邑基站路测结果见图2,图3。测试结果说明:移动通信基站增加塔顶放大器,扩大无线信号覆盖范围的效果是明显的。
图2 关闭塔顶放大器路测渲染图(羊邑基站)
图3 开启塔顶放大器路测渲染图(羊邑基站)

  3.2 羊邑基站路测数据统计

  羊邑基站路测数据统计结果见表3。

表3 羊邑基站测试数据统计汇总表
序号
项目名称
代号
测试要求
塔放关闭(%)
塔放开启(%)
改善(%)
备注
1
手机接收
Rx_AGC
≥-90dBm
4.93
28.64
23.71
2
手机发射
Tx_PWR
≤0dBm
43.3
64.02
20.72
3
Ec/Io
≥-9dB
85.65
96.6
10.95
4
误帧率
≤3%
71.70
98.21
26.51
5
覆盖半径
0.9km
1.9km
111
6
覆盖面积(平方公里)
2.54
11.3
345

  3.3 羊邑基站话务统计

  安装塔顶放大器前,只有11个用户,因覆盖范围小,接通率低,部分用户拒付费甚或要求退网;安装塔放后,很快增加到60个用户,并一年发展到121户,增长了10倍;话务统计见表4。

表4 羊邑基站话务统计
序号
用户数
话务量
起呼总数
成功总数
掉话率%
抽样统计时间
1
121
1.44
1804
1765
1.17
2005.6.29
2
121
1.57
2075
2035
1.36
2005.6.30
3
121
1.57
2101
2060
1.15
2005.7.0l

  3.4 勐统基站话务统计

  昌宁县勐统基站安装塔放前,有182个用户(占容许容量的51%),投诉多;安装塔放后,用户增加到314个,增长了72.5%,接近最大容量时达87%;话务统计如表5所示:

表5 昌宁县勐统基站安装塔放后话务统计
序号
用户数
话务量
起呼总数
成功总数
掉话率%
抽样统计时间
1
314
2.64
6207
6125
0.82
2005.7.19
2
314
2.82
6153
6036
1.60
2005.7.20
3
314
3.07
6267
6163
1.07
2005.7.21

  4、结束语

  工程测试和话务统计结果表明:安装塔放后,没有引起系统干扰,用户和话务量明显增加,掉话率在2%内。
 
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