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直放站对WCDMA系统容量影响探讨

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来源: 作者: 2018-12-07 18:52:24

华为技术有限公司无线络规划部 CharlesHuang

摘要: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。本文主要讨论底噪抬升、链路EVM恶化和时延对容量的影响,给出了底噪抬升与容量的关系曲线。分析结果表明底噪抬升3dB将降低24%上行容量。

关键词:直放站、底噪抬升、容量

ThediscussionofWCDMA capacity infection about repeater

Abstract:Therepeateris inserted active and analog equipment between donor site and mobile. It will decrease the capacity and coverage radius of donor site because noise accumulation. The capacity infection on floor noise rising, link EVM corruption and delay will be discussed in this paper. The relation between floor noise rising and capacity is displayed. The analyzing result indicates that the capacity will be decreased 24% by floor noise rising 3dB.

Keywords:repeater,floornoiserising, capacity

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。

组时必然存在多小区,干扰增加,组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,大大降低下行容量。在3G实验中,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。

参考文献:

1.3GPPTS25.104V6.4.0(),BaseStation (BS) radio transmission and reception (FDD)(Release 6)。

2.3GPPTS25.106V6.0.0(),UTRArepeater radio transmission and reception (Release 6)。

3.3GPPTR25.942V6.1.0(),RadioFrequency (RF) system scenarios(Release 6)。

4.CDMA扩频通信原理,A.J.维特比著、李世鹤等译,人民邮电出版社,1997年1月,北京,P200-204。

5.蜂窝移动通信——射频工程,苏华鸿等编著,人民邮电出版社,北京,2005年1月,P260-262。

MA系统工程手册,JhongSamLee等著,许希斌等译,人民邮电出版社,北京,2001年2月,P7-P8。

7.OntheCapacity of a cellular Technology. A.J. Vitebi Vol. 40, P, May 1991”

8.WCDMA无线络工程,杨峰义等编著,人民邮电出版社,北京,2004年4月,P295

作者简介:

CharlesHuang,男,1962年生,1989年毕业于西安电子科技大学,获通信与电子系统硕士学位。长期从事无线通信理论教学、研究和产品研发工作,共发表20多篇学术论文,曾在香港大学进行多年的CDMA技术研究,从事WCDMA产品开发多年,主要研究系统控制方法,已在欧洲和美国申请3项国际发明专利,在国内申请了5项国内发明专利。

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