上下行功率平衡

wangkw

                              上下行功率平衡
    随着移动用户的增加，移动用户的活动范围越来越广，移动网络要不断加深覆盖的范围及深度。然而在解决山区道路、边远地区村落的覆盖问题时，如新建基站、直放站等传统网络优化方式在工程实施上难度很高，投资成本和效益回报也不合理。
众所周知，通过加强基站的发射功率可以扩大基站到终端的覆盖范围。通过自由空间衰耗公式：Ls=32.45+20*log(f)MHz+20log(d)Km可以知道，基站发射功率提高6dBm，覆盖距离将提高一倍。手机接收信号加强，但普通手机的最大功率33dBm，如果远离基站，手机的上行信号如果不增强就无法解析。造成系统上、下行覆盖不平衡，后果便是单通、质量差、掉话等。基站覆盖延伸系统从基站系统上、下行两个方向改善基站覆盖范围，是解决信号广度、深度覆盖的一种好办法。
二、基站覆盖延伸系统简介
基站覆盖延伸系统主要由基站放大器和塔顶放大器两部分组成，简称基放和塔放。基放是安装在基站机房里，用于提高基站发射功率，扩大下行信号覆盖范围。塔放是安装在基站天线口的低噪声放大设备，用来增强手机上行发射功率，提高基站接收灵敏度。基站覆盖延伸系统工作原理如图1所示。
通常基站载频发射功率为43dBm/单载波。而200W的基放输出功率能达到53dBm/单载波，下行信号增强10dB。基站覆盖延伸系统对上行信号增强约10dB。整个系统能有效地延伸基站的覆盖范围。
三、加装基站覆盖延伸后对系统上、下行覆盖的影响
    1、加装塔放对系统噪声系数的分析：
　　　
噪声系数NF用来描述放大器对信噪比的恶化程度，噪声系数越小，输出的信噪比恶化程度就越小。
对一个多级放大系统，它的系统噪声系数为：
    NF=F1+(F2－1)/G1 + (F3－1)/G1*G2 + ……
其中：F1、F2、F3…是第一级到第三级的的噪声系数，无源器件的噪声系数等于其损耗值。
    G1,G2…是第一级到第二级的增益，无源器件增益等于其损耗值得倒数。
从以上公式可以看出，多级放大系统的噪声系数主要取决于第一级的噪声系数F1。
塔放的原理就是通过在基站接收系统的前端，即紧靠接收天线下增加一个低噪声放大器来实现对基站接收性能的改善。
    2、上、下行平衡的分析
    2.1上、下行平衡的定义
在我们所要求的覆盖区域内，保证上、下链路正常传输，基站和手机分别接收的信号可以解调，从而保证双向通信的正常建立。
    2.2原基站系统上、下行平衡的理论推算
如图所示：
　　　
理论上基站口的上行接收灵敏度MBTS=－110dBm，上行分集接收增益约F=4dB，手机的接收灵敏度MMS=－104dBm，手机的最大发射功率PMS=33dBm，假设BTS到天线口的信号衰减量R=4dB，天线增益为S，基站发射功率为T。
若要求上、下行平衡，则上行可允许的最大空间损耗HRX=下行可允许的最大空间损耗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：
为保证上下行的理想平衡,基站口的发射有效功率为
    T=PMS－MBTS+F+MMS
    =33dBm－(－110dBm)+4dB+(－104dBm)=43dBm
由此可以看出，基站单载波发射功率在(20W)43dBm时，上行覆盖范围和下行覆盖范围相当，系统处于较理想的平衡状态。
    2.3、加装基放后的上、下行平衡推算。
    2.3.1塔放增益的选择。
未加装塔放的原基站系统噪声系数Nfsys(天线口)约为：
Nfsys=Nfbts+Lc　　　　　【公式－1】
其中：Nfbts是基站本身的噪声系数
Lc为馈线回路的损耗
加装塔放后系统噪声系数约为：
    NF=NFTA+ (Nfsys－1)/GTA 【公式－2】
从上述两公式中可以得出以下结论：
⑴基站在使用塔放前噪声系数Nfsys是由BTS设备本身噪声系数Nfbts和天馈线损耗Lc决定的。
⑵使用塔放后的基站接收噪声系数NF主要取决于塔放的噪声系数NFTA。在馈线较长，损耗Lc越大时，加装塔放对基站系统的接收灵敏度改善越明显。
⑶塔放增益GTA越大，基站接收系统噪声NF越小。但塔放增益GTA增大，也会提高白噪声KTB电平，影响基站对信号的接收。
一般GSM基站对0级信号通话质量的底部噪声定义是小于－113dBm。常温情况下，GSM系统的白噪声NKTB=－121dBm，为保证上行的通话质量，接收噪声电平值要满足以下要求：塔放增益GTA+（－121dBm）+NF－Lc≤－113dBm。加装塔放后系统噪声系数NF约等于2dB。一般情况下，Lc≤4dB，所以塔放增益G≤10dB。当然每个站点塔放的工作增益应根据馈线回路的损耗Lc的大小做适当调整。
    2.3.2基放功率的选择。
一般情况下，基站口的发射功率是43dBm/单载波时，下行覆盖－104dBm的地方，手机信号到达基站刚好能够被解调，属于较理想的平衡状态。
这里我们还是首先假设条件如下：
基站口上行接收灵敏度为－110dBm（分集处理增益4dB）；
手机的最大发射功率为33dBm。
基站接收信号最低载噪比C/I=9；
基站自身的噪声系数为Nfbts=3.5dB;
通过基站解调上行信号的最低载噪比C/I=9－Nfbts=9－3.5=5.5dB，
塔放噪声系数为NFTA=1.5dB；
馈线回路的损耗Lc=4dB；
塔放增益GTA=10dB；
要使得手机信号到达基站能够被正确解调需要同时满足两个条件：1、到达基站（分集增益4dB后）电平值信号电平值不低于-110dBm；2、基站解调时信号载噪比C/I不得低于3.5dB。下面我们来分析加装塔放前后天线口需要的电平值的大小区别。
⑴未加装塔放前基站天线口的最低接收信号电平
    =基站口上行接收灵敏度（分集处理前）+Lc
    =－110dBm+4dB
    =－106dBm
基站处理后解调前C/I=－106－Lc－NKTB－Nfbts=7.5dB>5.5dB
两个条件都满足时天线口的最低电平值为P前=-106dBm
⑵加装塔放后的基站天线口的最低接收信号电平
    =基站口上行接收灵敏度+Lc－塔放增益
    =－110+4－10
    =－116dBm
加装延伸系统后的整体噪声系数NF约为2dB，那么
基站处理后的C/I=－116－NKTB－NF=3dB <5.5dB
由于C/I不能达到5.5dB，不能被正确解调。
为了保证解调时的最低C/I值5.5dB，所需要的天线口最低接收电平值为－116+(5.5－3)=－113.5dBm
两个条件都满足时天线口的最低电平值为P后=-113.5dBm
⑶通过比较可以看出，加装塔放后基站上行灵敏度抬高值为
    P前－P后=－106－（－113.5）=7.5dB
在以上情况下,塔放提高了基站的接收灵敏度7.5dB。很显然对于Lc越大,提高的基站接收灵敏度就越大，具体详细列表如下：
馈线回路基站设备噪声加装塔放后整体基站接收
的损耗Lc系数Nfbts噪声系数灵敏度改善量
    3dB3.5dB2dB 6.5 dB
    4dB7.5dB
    5dB8.5dB
由以上结论可以看出，要想使得基站在加装覆盖延伸系统后仍保持理想平衡状态，基放的功率Pj=43+基站接收灵敏度改善量。
以上结论是基于上下行传输损耗完全一致来推断的。如果基站的分集接收效果好于4dB，或者在草原、沙漠、海域等区域信号覆盖需求大于通话质量需求的情况下，基站放大器功率也可以适当放大。
四、由于上、下行平衡原因可能出现的问题探讨
在实际的应用中，无线信号的绕射、反射、和周围无线环境的影响，下行信号强于－94dBm时对正常通信才具有保障。无形之中将手机的接收信号强度由原来理论的－104dBm提升到－94dBm，所以，我们将－94dBm作为下行信号覆盖的边缘场强来对上、下行的平衡来做分析，来探讨可能出现的问题及克服办法。
Lc=4dB情况下，使用了53dBm（200W）的基放，下行覆盖范围延伸了10dB。塔放改善了基站接收灵敏度7.5dB。覆盖范围的延伸情况如下图所示：
　　　
由此可以得出以下结论：
⑴在下行信号高于－91.5dBm的B、A区域内，上、下行都具有距理论极限10dB的余量，上、下行可以正常通信，我们认为是平衡的。
⑵在下行信号为－101.5dBm~－91.5dBm的D、C区域内，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之间，从而上行通信具有一些不可靠性。
⑶在下行信号为－104dBm~－101.5dBm的E区域内，下行有0~2.5dB的余量，具有不可靠性；上行具有的信噪比已经不能满足要求，不能通信。我们认为这个区域是不平衡的。
安装基站覆盖延伸系统后基站统计指标的变化是和基站周围的用户分布相关的。在Lc=4dB情况下，如果大部分用户多分布在B、C区域内，覆盖延伸系统开通前基站掉话率较高，开通后该指标会改善。相反如果用户大多分布在D、E区域内，开通前用户不能通话，不会对掉话指标造成影响；但开通后，这些用户进入了不可靠通话区域，就会影响基站掉话率指标。通常的办法是加大基站天线俯仰角，或降低下行发射功率，缩小下行覆盖范围接近上行覆盖范围。或者通过基站参数设置抬高该基站允许接入电平值，改善基站统计指标。
结束语：基站覆盖延伸系统可以以最快捷的方式扩大系统覆盖范围。但不同的用户分布范围、不同的基站馈路损耗值Lc就对基站有不同的指标影响。因此在使用该设备之前需要作详细的现场勘查，根据具体情况来设计覆盖功率，否则会引起质差、掉话率高等指标恶化的问题。

上下行功率平衡

    随着移动用户的增加，移动用户的活动范围越来越广，移动网络要不断加深覆盖的范围及深度。然而在解决山区道路、边远地区村落的覆盖问题时，如新建基站、直放站等传统网络优化方式在工程实施上难度很高，投资成本和效益回报也不合理。

众所周知，通过加强基站的发射功率可以扩大基站到终端的覆盖范围。通过自由空间衰耗公式：Ls=32.45+20*log(f)MHz+20log(d)Km可以知道，基站发射功率提高6dBm，覆盖距离将提高一倍。手机接收信号加强，但普通手机的最大功率33dBm，如果远离基站，手机的上行信号如果不增强就无法解析。造成系统上、下行覆盖不平衡，后果便是单通、质量差、掉话等。基站覆盖延伸系统从基站系统上、下行两个方向改善基站覆盖范围，是解决信号广度、深度覆盖的一种好办法。

二、基站覆盖延伸系统简介

基站覆盖延伸系统主要由基站放大器和塔顶放大器两部分组成，简称基放和塔放。基放是安装在基站机房里，用于提高基站发射功率，扩大下行信号覆盖范围。塔放是安装在基站天线口的低噪声放大设备，用来增强手机上行发射功率，提高基站接收灵敏度。基站覆盖延伸系统工作原理如图1所示。

通常基站载频发射功率为43dBm/单载波。而200W的基放输出功率能达到53dBm/单载波，下行信号增强10dB。基站覆盖延伸系统对上行信号增强约10dB。整个系统能有效地延伸基站的覆盖范围。

三、加装基站覆盖延伸后对系统上、下行覆盖的影响

    1、加装塔放对系统噪声系数的分析：

　　　

噪声系数NF用来描述放大器对信噪比的恶化程度，噪声系数越小，输出的信噪比恶化程度就越小。

对一个多级放大系统，它的系统噪声系数为：

    NF=F1+(F2－1)/G1 + (F3－1)/G1*G2 + ……

其中：F1、F2、F3…是第一级到第三级的的噪声系数，无源器件的噪声系数等于其损耗值。

    G1,G2…是第一级到第二级的增益，无源器件增益等于其损耗值得倒数。

从以上公式可以看出，多级放大系统的噪声系数主要取决于第一级的噪声系数F1。

塔放的原理就是通过在基站接收系统的前端，即紧靠接收天线下增加一个低噪声放大器来实现对基站接收性能的改善。

    2、上、下行平衡的分析

    2.1上、下行平衡的定义

在我们所要求的覆盖区域内，保证上、下链路正常传输，基站和手机分别接收的信号可以解调，从而保证双向通信的正常建立。

    2.2原基站系统上、下行平衡的理论推算

如图所示：

　　　

理论上基站口的上行接收灵敏度MBTS=－110dBm，上行分集接收增益约F=4dB，手机的接收灵敏度MMS=－104dBm，手机的最大发射功率PMS=33dBm，假设BTS到天线口的信号衰减量R=4dB，天线增益为S，基站发射功率为T。

若要求上、下行平衡，则上行可允许的最大空间损耗HRX=下行可允许的最大空间损耗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：

为保证上下行的理想平衡,基站口的发射有效功率为

    T=PMS－MBTS+F+MMS

    =33dBm－(－110dBm)+4dB+(－104dBm)=43dBm

由此可以看出，基站单载波发射功率在(20W)43dBm时，上行覆盖范围和下行覆盖范围相当，系统处于较理想的平衡状态。

    2.3、加装基放后的上、下行平衡推算。

    2.3.1塔放增益的选择。

未加装塔放的原基站系统噪声系数Nfsys(天线口)约为：

Nfsys=Nfbts+Lc　　　　　【公式－1】

其中：Nfbts是基站本身的噪声系数

Lc为馈线回路的损耗

加装塔放后系统噪声系数约为：

    NF=NFTA+ (Nfsys－1)/GTA 【公式－2】

从上述两公式中可以得出以下结论：

⑴基站在使用塔放前噪声系数Nfsys是由BTS设备本身噪声系数Nfbts和天馈线损耗Lc决定的。

⑵使用塔放后的基站接收噪声系数NF主要取决于塔放的噪声系数NFTA。在馈线较长，损耗Lc越大时，加装塔放对基站系统的接收灵敏度改善越明显。

⑶塔放增益GTA越大，基站接收系统噪声NF越小。但塔放增益GTA增大，也会提高白噪声KTB电平，影响基站对信号的接收。

一般GSM基站对0级信号通话质量的底部噪声定义是小于－113dBm。常温情况下，GSM系统的白噪声NKTB=－121dBm，为保证上行的通话质量，接收噪声电平值要满足以下要求：塔放增益GTA+（－121dBm）+NF－Lc≤－113dBm。加装塔放后系统噪声系数NF约等于2dB。一般情况下，Lc≤4dB，所以塔放增益G≤10dB。当然每个站点塔放的工作增益应根据馈线回路的损耗Lc的大小做适当调整。

    2.3.2基放功率的选择。

一般情况下，基站口的发射功率是43dBm/单载波时，下行覆盖－104dBm的地方，手机信号到达基站刚好能够被解调，属于较理想的平衡状态。

这里我们还是首先假设条件如下：

基站口上行接收灵敏度为－110dBm（分集处理增益4dB）；

手机的最大发射功率为33dBm。

基站接收信号最低载噪比C/I=9；

基站自身的噪声系数为Nfbts=3.5dB;

通过基站解调上行信号的最低载噪比C/I=9－Nfbts=9－3.5=5.5dB，

塔放噪声系数为NFTA=1.5dB；

馈线回路的损耗Lc=4dB；

塔放增益GTA=10dB；

要使得手机信号到达基站能够被正确解调需要同时满足两个条件：1、到达基站（分集增益4dB后）电平值信号电平值不低于-110dBm；2、基站解调时信号载噪比C/I不得低于3.5dB。下面我们来分析加装塔放前后天线口需要的电平值的大小区别。

⑴未加装塔放前基站天线口的最低接收信号电平

    =基站口上行接收灵敏度（分集处理前）+Lc

    =－110dBm+4dB

    =－106dBm

基站处理后解调前C/I=－106－Lc－NKTB－Nfbts=7.5dB>5.5dB

两个条件都满足时天线口的最低电平值为P前=-106dBm

⑵加装塔放后的基站天线口的最低接收信号电平

    =基站口上行接收灵敏度+Lc－塔放增益

    =－110+4－10

    =－116dBm

加装延伸系统后的整体噪声系数NF约为2dB，那么

基站处理后的C/I=－116－NKTB－NF=3dB <5.5dB

由于C/I不能达到5.5dB，不能被正确解调。

为了保证解调时的最低C/I值5.5dB，所需要的天线口最低接收电平值为－116+(5.5－3)=－113.5dBm

两个条件都满足时天线口的最低电平值为P后=-113.5dBm

⑶通过比较可以看出，加装塔放后基站上行灵敏度抬高值为

    P前－P后=－106－（－113.5）=7.5dB

在以上情况下,塔放提高了基站的接收灵敏度7.5dB。很显然对于Lc越大,提高的基站接收灵敏度就越大，具体详细列表如下：

馈线回路基站设备噪声加装塔放后整体基站接收

的损耗Lc系数Nfbts噪声系数灵敏度改善量

    3dB3.5dB2dB 6.5 dB

    4dB7.5dB

    5dB8.5dB

由以上结论可以看出，要想使得基站在加装覆盖延伸系统后仍保持理想平衡状态，基放的功率Pj=43+基站接收灵敏度改善量。

以上结论是基于上下行传输损耗完全一致来推断的。如果基站的分集接收效果好于4dB，或者在草原、沙漠、海域等区域信号覆盖需求大于通话质量需求的情况下，基站放大器功率也可以适当放大。

四、由于上、下行平衡原因可能出现的问题探讨

在实际的应用中，无线信号的绕射、反射、和周围无线环境的影响，下行信号强于－94dBm时对正常通信才具有保障。无形之中将手机的接收信号强度由原来理论的－104dBm提升到－94dBm，所以，我们将－94dBm作为下行信号覆盖的边缘场强来对上、下行的平衡来做分析，来探讨可能出现的问题及克服办法。

Lc=4dB情况下，使用了53dBm（200W）的基放，下行覆盖范围延伸了10dB。塔放改善了基站接收灵敏度7.5dB。覆盖范围的延伸情况如下图所示：

　　　

由此可以得出以下结论：

⑴在下行信号高于－91.5dBm的B、A区域内，上、下行都具有距理论极限10dB的余量，上、下行可以正常通信，我们认为是平衡的。

⑵在下行信号为－101.5dBm~－91.5dBm的D、C区域内，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之间，从而上行通信具有一些不可靠性。

⑶在下行信号为－104dBm~－101.5dBm的E区域内，下行有0~2.5dB的余量，具有不可靠性；上行具有的信噪比已经不能满足要求，不能通信。我们认为这个区域是不平衡的。

安装基站覆盖延伸系统后基站统计指标的变化是和基站周围的用户分布相关的。在Lc=4dB情况下，如果大部分用户多分布在B、C区域内，覆盖延伸系统开通前基站掉话率较高，开通后该指标会改善。相反如果用户大多分布在D、E区域内，开通前用户不能通话，不会对掉话指标造成影响；但开通后，这些用户进入了不可靠通话区域，就会影响基站掉话率指标。通常的办法是加大基站天线俯仰角，或降低下行发射功率，缩小下行覆盖范围接近上行覆盖范围。或者通过基站参数设置抬高该基站允许接入电平值，改善基站统计指标。

结束语：基站覆盖延伸系统可以以最快捷的方式扩大系统覆盖范围。但不同的用户分布范围、不同的基站馈路损耗值Lc就对基站有不同的指标影响。因此在使用该设备之前需要作详细的现场勘查，根据具体情况来设计覆盖功率，否则会引起质差、掉话率高等指标恶化的问题。