1樓：葉柏壽
gsm基站覆蓋延伸系統應用後系統上、下行平衡考慮
一、引言
隨著移動使用者的增加，移動使用者的活動範圍越來越廣，行動網路要不斷加深覆蓋的範圍及深度。然而在解決山區道路、邊遠地區村落的覆蓋問題時，如新建基站、直放站等傳統網路優化方式在工程實施上難度很高，投資成本和效益回報也不合理。
眾所周知，通過加強基站的發射功率可以擴大基站到終端的覆蓋範圍。通過自由空間衰耗公式：ls=32.
45+20*log(f)mhz +20log(d)km可以知道，基站發射功率提高6dbm，覆蓋距離將提高一倍。手機接收訊號加強，但普通手機的最大功率33dbm，如果遠離基站，手機的上行訊號如果不增強就無法解析。造成系統上、下行覆蓋不平衡，後果便是單通、質量差、掉話等。
基站覆蓋延伸系統從基站系統上、下行兩個方向改善基站覆蓋範圍，是解決訊號廣度、深度覆蓋的一種好辦法。
二、基站覆蓋延伸系統簡介
基站覆蓋延伸系統主要由基站放大器和塔頂放大器兩部分組成，簡稱基放和塔放。基放是安裝在基站機房裡，用於提高基站發射功率，擴大下行訊號覆蓋範圍。塔放是安裝在基站天線口的低噪聲放大裝置，用來增強手機上行發射功率，提高基站接收靈敏度。
基站覆蓋延伸系統工作原理如圖1所示。
通常基站載頻發射功率為43dbm/單載波。而200w的基放輸出功率能達到53dbm/單載波，下行訊號增強10db。基站覆蓋延伸系統對上行訊號增強約10db。
整個系統能有效地延伸基站的覆蓋範圍。
三、加裝基站覆蓋延伸後對系統上、下行覆蓋的影響
1、加裝塔放對系統噪聲係數的分析：
噪聲係數nf用來描述放大器對訊雜比的惡化程度，噪聲係數越小，輸出的訊雜比惡化程度就越小。
對一個多級放大系統，它的系統噪聲係數為：
nf = f1+ (f2－1)/g1 + (f3－1)/g1*g2 + ……
其中：f1、f2、f3…是第一級到第**的的噪聲係數，無源器件的噪聲係數等於其損耗值。
g1,g2…是第一級到第二級的增益，無源器件增益等於其損耗值得倒數。
從以上公式可以看出，多級放大系統的噪聲係數主要取決於第一級的噪聲係數f1。
塔放的原理就是通過在基站接收系統的前端，即緊靠接收天線下增加一個低噪聲放大器來實現對基站接收效能的改善。
2、上、下行平衡的分析
2.1 上、下行平衡的定義
在我們所要求的覆蓋區域內，保證上、下鏈路正常傳輸，基站和手機分別接收的訊號可以解調，從而保證雙向通訊的正常建立。
2.2 原基站系統上、下行平衡的理論推算
如圖所示：
理論上基站口的上行接收靈敏度mbts=－110dbm，上行分集接收增益約f=4db，手機的接收靈敏度mms=－104dbm，手機的最大發射功率pms=33dbm，假設bts到天線口的訊號衰減量r=4db，天線增益為s，基站發射功率為t。
若要求上、下行平衡，則上行可允許的最大空間損耗hrx=下行可允許的最大空間損耗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：
為保證上下行的理想平衡,基站口的發射有效功率為
t= pms－mbts +f+mms
=33dbm－(－110dbm)+4db+(－104dbm)=43dbm
由此可以看出，基站單載波發射功率在(20w)43dbm時，上行覆蓋範圍和下行覆蓋範圍相當，系統處於較理想的平衡狀態。
2.3、加裝基放後的上、下行平衡推算。
2.3.1 塔放增益的選擇。
未加裝塔放的原基站系統噪聲係數nfsys(天線口)約為：
nfsys = nfbts+ lc 【公式－1】
其中：nfbts是基站本身的噪聲係數
lc為饋線迴路的損耗
加裝塔放後系統噪聲係數約為：
nf = nfta + (nfsys－1)/gta 【公式－2】
從上述兩公式中可以得出以下結論：
⑴ 基站在使用塔放前噪聲係數nfsys是由bts裝置本身噪聲係數nfbts和天饋線損耗lc決定的。
⑵使用塔放後的基站接收噪聲係數nf主要取決於塔放的噪聲係數nfta。在饋線較長，損耗lc越大時，加裝塔放對基站系統的接收靈敏度改善越明顯。
⑶ 塔放增益gta越大，基站接收系統噪聲nf越小。但塔放增益gta增大，也會提高白噪聲ktb電平，影響基站對訊號的接收。
一般gsm基站對0級訊號通話質量的底部噪聲定義是小於－113dbm。常溫情況下，gsm系統的白噪聲nktb=－121dbm，為保證上行的通話質量，接收噪聲電平值要滿足以下要求：塔放增益gta +（－121dbm）+ nf － lc≤－113dbm。
加裝塔放後系統噪聲係數nf約等於2db。一般情況下，lc≤4db，所以塔放增益g≤10db。當然每個站點塔放的工作增益應根據饋線迴路的損耗lc的大小做適當調整。
2.3.2基放功率的選擇。
一般情況下，基站口的發射功率是43dbm/單載波時，下行覆蓋－104dbm的地方，手機訊號到達基站剛好能夠被解調，屬於較理想的平衡狀態。
這裡我們還是首先假設條件如下：
基站口上行接收靈敏度為－110dbm（分集處理增益4db）；
手機的最大發射功率為33dbm。
基站接收訊號最低載噪比 c/i=9；
基站自身的噪聲係數為nfbts =3.5db;
通過基站解調上行訊號的最低載噪比c/i=9－nfbts=9－3.5=5.5db，
塔放噪聲係數為nfta=1.5db；
饋線迴路的損耗lc=4db；
塔放增益gta =10db；
要使得手機訊號到達基站能夠被正確解調需要同時滿足兩個條件：1、到達基站（分集增益4db後）電平值訊號電平值不低於-110dbm；2、基站解調時訊號載噪比c/i不得低於3.5db。
下面我們來分析加裝塔放前後天線口需要的電平值的大小區別。
⑴ 未加裝塔放前基站天線口的最低接收訊號電平
= 基站口上行接收靈敏度（分集處理前） + lc
= －110dbm + 4db
= －106dbm
基站處理後解調前c/i=－106－lc－nktb－nfbts =7.5db> 5.5db
兩個條件都滿足時天線口的最低電平值為p前 = -106dbm
⑵ 加裝塔放後的基站天線口的最低接收訊號電平
= 基站口上行接收靈敏度 + lc － 塔放增益
= －110 + 4－10
= －116dbm
加裝延伸系統後的整體噪聲係數nf約為2db，那麼
基站處理後的c/i= －116－ nktb－nf= 3db <5.5db
由於c/i不能達到5.5db，不能被正確解調。
為了保證解調時的最低c/i值5.5db，所需要的天線口最低接收電平值為－116+(5.5－3)=－113.5dbm
兩個條件都滿足時天線口的最低電平值為p後= -113.5dbm
⑶通過比較可以看出，加裝塔放後基站上行靈敏度抬高值為
p前－p後 = －106－（－113.5）=7.5db
在以上情況下,塔放提高了基站的接收靈敏度7.5db。很顯然對於lc越大,提高的基站接收靈敏度就越大，具體詳細列表如下：
饋線迴路 基站裝置噪聲 加裝塔放後整體 基站接收
的損耗lc 係數nfbts 噪聲係數 靈敏度改善量
3db 3.5db 2 db 6.5 db
4 db 7.5 db
5 db 8.5 db
由以上結論可以看出，要想使得基站在加裝覆蓋延伸系統後仍保持理想平衡狀態，基放的功率pj=43+基站接收靈敏度改善量。
以上結論是基於上下行傳輸損耗完全一致來推斷的。如果基站的分集接收效果好於4db，或者在草原、沙漠、海域等區域訊號覆蓋需求大於通話質量需求的情況下，基站放大器功率也可以適當放大。
四、由於上、下行平衡原因可能出現的問題**
在實際的應用中，無線訊號的繞射、反射、和周圍無線環境的影響，下行訊號強於－94dbm時對正常通訊才具有保障。無形之中將手機的接收訊號強度由原來理論的－104dbm提升到－94dbm，所以，我們將－94dbm作為下行訊號覆蓋的邊緣場強來對上、下行的平衡來做分析，來**可能出現的問題及克服辦法。
lc=4db情況下，使用了53dbm（200w）的基放，下行覆蓋範圍延伸了10db。塔放改善了基站接收靈敏度7.5db。覆蓋範圍的延伸情況如下圖所示：
由此可以得出以下結論：
⑴ 在下行訊號高於－91.5dbm的b、a區域內，上、下行都具有距理論極限10db的餘量，上、下行可以正常通訊，我們認為是平衡的。
⑵ 在下行訊號為－101.5dbm ~ －91.5dbm的d、c區域內，下行有2.
5db以上餘量，基本可以正常通訊；上行具有的餘量在0~10db之間，從而上行通訊具有一些不可靠性。
⑶ 在下行訊號為－104dbm ~ －101.5dbm的e區域內，下行有0~2.5db的餘量，具有不可靠性；上行具有的訊雜比已經不能滿足要求，不能通訊。
我們認為這個區域是不平衡的。
安裝基站覆蓋延伸系統後基站統計指標的變化是和基站周圍的使用者分佈相關的。在lc=4db情況下，如果大部分使用者多分佈在b、c區域內，覆蓋延伸系統開通前基站掉話率較高，開通後該指標會大大改善。相反如果使用者大多分佈在d、e區域內，開通前使用者不能通話，不會對掉話指標造成影響；但開通後，這些使用者進入了不可靠通話區域，就會大大影響基站掉話率指標。
通常的辦法是加大基站天線俯仰角，或降低下行發射功率，縮小下行覆蓋範圍接近上行覆蓋範圍。或者通過基站引數設定抬高該基站允許接入電平值，改善基站統計指標。
結束語：基站覆蓋延伸系統可以以最快捷的方式擴大系統覆蓋範圍。但不同的使用者分佈範圍、不同的基站饋路損耗值lc就對基站有不同的指標影響。
因此在使用該裝置之前需要作詳細的現場勘查，根據具體情況來設計覆蓋功率，否則會引起質差、掉話率高等指標惡化的問題。
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