[分享]CDMA直放站的应用与优化

maolin19990

CDMA直放站的应用与优化

Applications and Optimization of CDMA Repeater

廖江

在中国联通CDMA网络建设过程中，直放站的引入节约了大量的投资，带来了明显的经济效益。但直放站的建设如果没有严格的控制和规范化的调测将会给CDMA无线系统带来极大的不利影响。 　　直放站应用于CDMA网络将会引起网络拓扑结构的变化、额外的链路功率预算、噪声的增加、时间延时、更多的多径信号等等，这些变化会对小区的覆盖范围、小区切换关系、上下行链路功率预算、小区用户容量以及系统参数产生较大的影响。 　　其中，上下行链路功率平衡的破坏会对系统造成极大影响。现先分析CDMA系统的一些特性，然后以中山联通公司中山港某酒店室内分布系统为例来详细说明引入直放站后对系统的影响及如何调整。 　　一 直放站对系统容量的影响 　　我们都知道CDMA是一个自干扰系统，简单说来对单个用户，除了用户自己，别的任何信号都是对用户的干扰。每当有一个用户使用服务时，为了要维持一定的通话品质，只好增大发射功率。然而增大发射功率和增加用户会将基站的底噪抬高，当底噪提高到上限时，如果以最大功率发射仍然不能满足一定误码率要求的话（手机的最大发射功率是23dbm），那么由于误码率太高话音质量会下降，最后肯定掉话，这时就是到了上行的容量极限了。同样增加直放站也会抬高基站的底噪，当底噪提高到上限时，由于接收机灵敏度的关系已经不能分辨出信号了，容量也就到了上限，所以说直放站是以牺牲施主基站扇区的覆盖来换取直放站的覆盖的。 　　下行的情况也一样，功率放大是有极限的，正常情况下IS-95系统每个扇区可以支持大约18个用户，而当功放到达运作上限但还是达不到手机的通信要求时，容量也就达到下行极限了，最后手机会因为误码率太高而DROP掉这个信号。 　　如上所述，如果我们增加直放站必然会导致基站的底噪提高，如果直放站调测不好则底噪提高的会很多，最差情况下将导致基站起动过载保护（OVERLOAD），相当于该基站不能再提供服务了。而对于射频直放站，由于施主源选择的问题，在城区里直放站会收到很多基站的信号，它对每个信号都会放大，那么很有可能最后干扰到直放站周围很多基站，造成成片的基站不能提供服务，严重损害运营商形象。 　　二 CDMA系统功率控制 　　如前所述，每个用户为了得到更好的服务（更低的误码率），他会提高自己的发射功率，同时要求基站提高分配给他的功率，但总的功率是有限的，系统不可能把所有的功率分配给一个用户使用。这就形成了一个矛盾的系统，一方面功率是有限的；一方面每个用户都想获得更好的服务、要求更高的功率，那么系统的容量就受到了限制。所以在CDMA系统中引入了功率控制的概念，系统要求不管上行还是下行，在保证一定信噪比的情况下都按最小功率发射，这样就保证了系统的容量。 　　功率控制是CDMA对比于GSM技术的优点之一，在CDMA系统中上行链路功率控制采用开环加闭环。 　　现在的问题是在我们的直放站系统中，由于上下行功率设定的原因，造成直放站上下行链路的不平衡（就是直放站的上行放大和下行放大不一致），那么该直放站的引入就破坏了CDMA系统的上行开环、闭环功率控制。对系统来说，如果功率控制被破坏，将带来很多问题。 　　三 玉泉酒店室内分布系统优化实例 　　中山港某酒店室内分布系统是一个射频直放站，所选取的施主源是星港花园的第一扇区（PN87），没有接收到其他信号，信号比较纯，施主源没有什么问题。但问题是由于直放站厂家的调测不合规范，上行放大和下行放大不一致，造成直放站的上下行链路不平衡，严重干扰了系统基站。现场发现手机根本就不能拨打任何电话，手机拨号进入网络后就马上退了出来，原因就是由于直放站对基站上行的干扰。手机虽然以最大的功率发射（23dbm），但仍然克服不了这个干扰，基站收不到手机的请求，因此不能拨打电话。 　　在直放站厂家工程师对直放站上下行功率放大重新调整后（具体是上行放大84dbm，下行放大75dbm），问题得到了改善。但现在问题是由于上行放大的过大，平衡仍然有些问题。现场测试发现，手机的接收功率是-50dbm，而手机的发射功率却有15dbm之多（直放站天线附近），发射功率太高，所以该直放站还需要进行调整。 　　现分析由于上下行链路不平衡，功率控制被破坏给网络带来的影响： 　　1. 首先由于上下行不平衡，直放站上行对基站的干扰很大，基站的底噪抬高了，所以该基站下所有的用户为了克服对他自己的干扰也都提高自己的发射功率，这样功率控制被破坏，用户之间的干扰增大，那么最后系统容量降低。 　　2. 同样由于上下行不平衡，上行干扰抬高，降低了基站和直放站的反向覆盖范围（在CDMA系统中，反向链路的优化应该放在一个重要位置来考虑），则直放站引入系统的目的没有实现。 　　3. 如果上行干扰太大，手机做主叫时因为开环功率控制所发射的连续的接入请求序列有可能由于基站收不到，或者探针序列里靠前的探针基站不能解调（功率太低），最后造成手机不能拨打电话或者接续时间增长（本身由于CDMA的特性，CDMA比GSM的接续时间长）。 　　4. 如果上行干扰太大，手机做被叫时收到基站的PAGE消息，可是手机发出的PAGE RESPONSE基站不能收到或者解调，基站上报NO PAGE RESPONSE，最后交换机返回“暂时未能接通”。 　　5. 由于上行干扰的存在，手机发射的上行功率到达上限仍然不能克服这个干扰，造成反向误码率高，通话的话音质量差。 　　6. 对于上下行不平衡和功率控制被破坏的问题，我们不能简单的通过修改系统中的某些参数来降低破坏的影响。 　　四 直放站的安装测试及优化 　　由于直放站安装及调测的原因，网络造成了较大范围的影响，如“暂时未能接通”这个问题现很大原因就是由于直放站上行干扰引起的。所以当一个新的直放站引入系统时，必须要严把工程质量这一关。 　　为了在引入直放站以后，在保证一定话音质量的条件下，对基站的干扰减少到最小，我们提供以下措施： 　　1. 直放站开通前，首先测量并记录在施主基站（对室内分布系统选取室外距离该建筑物一定距离的某一点）覆盖下的手机发射电平。 　　2. 直放站开通后，在建筑物内找到手机接收和发射电平需要覆盖且信号最差的点（如楼梯、厕所或房间里面），测量并记录该最差点的接收和发射信号强度。 　　3. 调节直放站反向链路增益，使得该最差点手机发射功率在10dbm左右（为将来用户上涨预留有一定的余量），而且能够正常通话。 　　4. 直放站开通后在原来室外测量点上重新测量第一步，由于直放站的加入，该值应该比原先测到的值要高，再次调节直放站的上行增益，使测到的值不要超过原先值3db。 　　5. 最后降低直放站的前向增益，降低增益以保证该最差点通话的同时尽量避免室外泄露为依据，并且确认直放站的下行增益比上行增益最多大10db（室内型）和5db（室外型），以保证直放站的上下行平衡。 　　关于这种直放站增益的设定没有一本HANDBOOK，只能通过工程师综合考虑实际的无线环境来调整直放站，使之达到一个理想的状况。

　　联通一期网络建设中大量采用直放站，获得了较好的使用效果，使CDMA直放站技术在中国发展走上了快车道，但是在使用中也暴露出一些问题，特别是涉及到CDMA系统网络方面。作为第一次大规模CDMA网建设，运营商和直放站设备厂家都是摸着石头过河，出现问题是在所难免的。通过对一些省份应用调查分析，我们发现有以下因素：

　　1、对直放站的优、缺点认识不足。在没有充分了解产品特性的情况下，把直放站当作基站使用，期望直放站的覆盖范围和覆盖距离与基站相同，这显然是不合适的。与此同时，对保证直放站的应用效果的一些基本条件如：直放站要求的隔离度、施主信号质量要求、对基站的噪声影响没有给予足够的重视。这样必然会使应用效果大打折扣。

　　2、直放站厂家对CDMA技术、直放站应用技术理解不深和储备不够，缺乏有经验的工程应用人员和测试设备。CDMA技术中的噪声、导频、搜索窗口等方面都是非常抽象的，初次接触的人员要有一个理解过程，国内大规模的启动CDMA网直放站建设，造成这方面应用技术跟不上。

　　3、CDMA网的规划和优化技术缺乏。直放站是配合网络无线覆盖的工具，必须在良好的规划和优化技术指导下进行，而一期网络建设中，最缺乏的恰恰就是这个方面。

　　4、运营商、主设备厂家、直放站厂家之间的配合不好。直放站应用涉及到对许多基站系统参数进行调整，需要主设备厂家给予足够的配合，只有在运营商的协调下良好的沟通才可以得到好的效果。

　　仔细观察，上述4点因素都是从不同的角度围绕着的网络规划优化和直放站的关系这个核心，这充分说明直放站的应用离不开网络规划和优化的配合，或者说没有网络规划和优化的指导，就不可能真正用好直放站。

　　那么直放站的建设中是如何考虑网络规划和优化的呢？

　　CDMA移动通讯技术是一项伟大的、优秀的技术，同时也是一项复杂、深邃技术，CDMA移动通讯技术始创人之一，A.J.Viterbi教授在业界第一本专著CDMARinciple of Spread Spectrum Communications（这本书有中文译本） 中写道：“CDMA技术超乎人们的直觉”，对于CDMA的码分多址、扩频、噪声和容量等等观念，经历过GSM技术并向CDMA技术跨越的人们对此都有深刻的体验。直放站在实际应用中要获得良好的效果，不但需要高品质的直放站产品，高水平的工程应用技术、网络优化技术甚至更加重要，直放站混合组网技术即是网络发展的趋势之一。

　　直放站应用于CDMA网络将会引起网络拓扑结构的变化、额外的链路功率预算、噪声的影响、时间延时、更多的多径信息等等，这些变化会对小区的覆盖范围、小区切换关系、上下行链路功率预算、小区用户容量等系统参数都会产生较大的影响。直放站混合组网技术要求把直放站作为一个与基站等同的网元来看待，在网络尚处于规划阶段时就开始考虑，评估与计算系统的上下行覆盖、干扰、噪声、系统参数设置等等，而不是仅仅当作网络优化的一个工具使用，下面简单从几方面说明涉及的网络规划和优化工作。

　　1、直放站规划

　　网络规划设计是移动通信网的建设中极其重要的环节，它对于网络的建设成本与网络建立后的运行质量有重要的影响。混合组网规划设计目标是指导工程以最低的成本建造成符合近期和远期话务需求，具有一定服务等级的移动通信网络。具体地讲就是要达到服务区内最大程度的时间、地点的无线覆盖，满足所要求的通信概率；在有限的带宽内通过频率复用，提供尽可能大的系统容量；尽可能减少干扰，达到所要求的服务质量；在满足容量要求的前提下，尽量减少系统设备单元，降低成本等几个方面目标。

　　直放站混合组网的网络规划技术是建立在CDMA系统网络规划技术之上的，基本流程与系统网络规划一致，在充分了解和测试所规划区内的相关信息，利用网络规划软件对基站和直放站覆盖区域进行仿真，达到最佳组网的目的。

　　直放站混合组网规划循序渐进的工作，是一个阶梯式循环往复的过程。对于一个网络来说，移动用户在不断地增长，无线环境在不断的变化，话务分布情况也在变化之中，因此，网络是在循环反复的网络规划与优化的过程中不断发展壮大起来的。

　　直放站混合网络规划主要包括以下基本过程和内容：

　　（1）网络规划资料收集与调查分析

　　（2）勘察、选址和电测

　　（3）网络容量考虑

　　（4）无线覆盖设计及覆盖预测

　　（5）干扰分析

　　（6）无线资源参数设计

　　2、直放站噪声优化

　　直放站是一个有源的双向放大设备，在放大有用的信号同时，必然也会引入一定的噪声，作为一个有源设备，直放站即使不中继任何有用信号也会发射噪声信号，相当于一个带内干扰源，系统总是希望直放站的噪声系数越小越好，但这在实际上是不可能的。

　　直放站噪声对系统的影响主要集中在上行链路，影响分两种。

　　其一是引起基站热噪声电平升高，直放站等效于干扰源，即使所覆盖区域没有用户，即上行链路无输入，它也会向基站发出干扰噪声，导致基站热噪声电平升高，这意味着基站接收机的灵敏度降低！影响所有处于本基站覆盖区的用户（注意：这时并不影响直放站覆盖区的用户）。对小区覆盖范围来讲，会引起上行覆盖半径减小，对基站覆盖区的用户来讲，手机的的发射功率会相应增大，或者处在小区边缘的用户会发生单通或上行话音质量下降或掉话等现象。

　　其二是直放站与施主基站通过无线连接，可以等效为串联放大器。对处于直放站覆盖区的用户的影响相当与增大了基站接收机的噪声系数。对于直放站覆盖区，在考虑上行链路功率预算时，原先用于基站上行链路功率预算的基站接收机噪声系数被串联噪声系数取代，串联噪声系数只影响直放站覆盖区的用户，若增大，影响直放站覆盖区的上行功率预算，会使上行覆盖半径减小。

　　通常，我们总是希望直放站对基站热噪声贡献最小，同时直放站的覆盖区最大，但是这是不可能同时得到的，这两种影响是互斥的，必须在对网络整体性能全盘把握、施主基站的使用环境参数设置非常了解的情况下，仔细调整、反复路测验证才能获得最佳的效果。

　　3、系统参数优化

　　小区中增加直放站会引起施主基站的覆盖半径变化、相邻小区变化、增加传播的多径、导频混淆、导频污染等等。

　　4、导频混淆和导频污染

　　直放站应用后，扩展了基站的的作用范围，可能会在局部破坏了原先的PN规划，引起导频混淆和导频污染。

　　导频混淆是CDMA特有的，与GSM不同，CDMA基站是靠不同PN的偏置来区分的，由于PN信号经过一段空间传输后会，偏置会发生变化，与其他基站发生混淆，移动台可能同时接收到两个不同基站、PN偏置却相同的信号，并且强度相近，这样会使手机解调失败，引起话音质量下降、掉话。

　　导频污染在地形复杂的地区特别容易发生，当多个满足解调要求、并且强度相近的导频信号出现在同一个地区，一般数目超过三个，手机无法同时解调，则多出的信号就成为强干扰，这是将发生导频污染。

　　引起导频混淆和导频污染的原因大多是网络规划不当、地形复杂（城区内大楼反射、街道效应等），解决的办法最好是在网络规划设计阶段就考虑，首先要获得周围站点图、基站PN、相邻关系、距离、切换门限等相关信息，对所有周围基站，根据距离信息计算PN变化量，根据自由空间传播公式计算信号强度，最后根据这些结果分析是否会产生PN混淆和污染。工程应用中发生了导频混淆发生后可通过调整天线、功率、小区参数等解决。

　　一般认为导频污染在是在优化中经常遇到的问题，而由于CDMA能够提供多达128个可选导频，作导频规划时比较容易，很少出现邻导频混淆和同导频混淆问题，但是我们在通一期直放站网优过程中也发现了一些混淆的问题，影响很严重，因此也不能掉以轻心。

　　5、邻区列表

　　直放站改变了网络的拓扑结构，可能会引起周围小区的切换邻区发生变化，必须一一修改所有周围小区的相邻小区列表参数，达到与实际相邻关系一致。

　　6、搜索窗口参数

　　直放站对系统搜索窗口参数的影响要从直放站群延时和产生多径两方面考虑。可能会对直放站所在的施主基站和周围基站都有影响，必须根据实际情况仔细调整这些参数，这是实际应用中调整最频繁的参数。

　　对于基站CSM(Cell Site Modem)的影响：

　　接入信道搜索窗口(access Channel Search Windows)

　　上行业务信道多径搜索窗口（Reverse Link Traffic Channel Multipath）

　　对于移动台MSM(Mobile Station Modem)的影响：

　　激活组搜索窗口（Active Set Search Window）

　　邻居组搜索窗口（Neighbor Set Search window）

　　7、切换参数

　　一般情况下，整个系统的的切换参数都设置为相同或相近。网络规划希望在新的导频信号强度还没有大到可以对其他导频信号产生干扰之前，就已经被加到有效组。

　　通常我们希望T_ADD门限设置的小一些，这样可以使新导频尽早加入到有效组，T_ADD门限值与扩频增益和系统要求的最小Eb/Io有关。但是过小的T_ADD值设置，容易产生软切换，对系统容量提出了更高的要求，造成不必要的浪费。

　　在类似隧道应用的直放站会带来一些特殊的切换考虑，优化调整中要给予足够的重视。

　　混合组网给运营商带来巨大的经济利益同时也给网络建设者提出了更高的要求，不但要求有良好的基站网络建设经验和深谙CDMA噪声容量理论，熟悉直放站的应用理论，更要求具备动态网络建设的发展眼光，不断测试、优化，再测试、再优化的，使之成为一个低成本、高质量、高效益的移动通讯网络。