直放站对WCDMA系统容量影响

jzmacheng

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。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。

    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%。

    2．EVM恶化对上行容量的影响

    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）：，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4～7dB，也就是说，直放站的上行接收灵敏度要比基站差4～7dB，为了达到上、下行平衡，直放站的下行功率要比基站小4～7dB。

    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＝4～7dB时，根据（13）式，1.2～1.4倍，即下行容量增加20％～40％。

    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1dB，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，直放站引入额外时延使功控不收敛，不断增加链路发射功率，造成下行各条物理链路功率很快达到最大限制值，降低下行容量。在3G实验网中，对射频直放站和光纤直放站的实验时曾经发生过类似现象。

    四、结束语

    直放站引入后，造成施主基站底噪抬升，上行覆盖半径缩小，同时引起上行容量下降。在底噪抬升3dB的情况下上行容量降低约15％，EVM恶化和额外时延另外引起容量降低约9％，即综合的上行容量总降低量约24％。

    当直放站输出功率比基站低4～7dB时，下行容量增加15％～35％。只要额外时延使功控误差的标准偏差低于2.5dB，下行容量仍然增加；若下行功控误差的标准偏差大于5dB时，下行容量不增反减。当直放站引入额外时延导致下行功控不收敛时，下行容量将急剧下降。功控不收敛是指超出基站和直放站组成的系统稳定边界条件的情况，需要进一步研究，找出稳定边界条件和规律，以获得足够的系统稳定裕量，避免整个系统在实际运行中出现容量大幅下降的情况。

    直放站和干放的作用和特性类似，结论可以在干放场合下借鉴。直放站后串干放的情况将加大噪声，更需要仔细分析各个方面的影响，在实际工程中采取相应的、有效的措施。