第三代移动通信无线直放站链路预算揭示

　　对第三代移动通信进行归纳可分为三种制式：一是WCDMA，二是WCDMA 2000-1XEV，三是TD-SCDMA，在我国这三种制式均有可能得到应用。本文对WCDMA移动通信无线直放站链路预算时所涉及到的不同业务速率在不同电磁环境下对应不同Eb/N0值进行了重点介绍，进而计算出不同的信道容量和接收机灵敏度。由于直放站引入将会转移基站的覆盖区域，可分为下行施主链路和下行覆盖链路以及上行施主链路和上行覆盖链路。

　　根据理论分析，直放站引入仅对上行基站或直放站接收机产生噪声增量，影响上行覆盖半径。

　　1 CDMA上下行Eb/N0不同速率的目标值

　　为了求出WCDMA容量和接收机灵敏度，必须知道在一定的Ber、数据速率和传播条件下所对应的Eb/N0值。依据ETSI Simulation：SMG2-351/98提供的数据，如表1及表2所示。

　　2 WCDMA上下行不同速率的容量计算

　　2.1 下行容量计算

　　下行容量计算公式

　　NP(DL)=1+()-(1)

　　式中：

　　NP(DL)——下行极限容量

　　GP——处理增益

　　Eb/N0——信噪比，Eb是数据信号单个比特的能量，N0是每Hz的噪声功率

　　W/R——W为带宽 3.84 MHz，R为数据速率

　　n/s——为信噪比，当s/n=3 dB时，n/s=-0.5(线性)

　　α——下行正交因子为0.6

　　η——小区干扰系数为0.625

　　2.2 上行容量计算

　　NP(UL)=1+()-(2)

　　2.3 上下行实际容量计算

　　Na=Np×扇区负荷×扇区效率(3)

　　2.3.1 下行用户容量Na的计算

　　Na是指单载频，多扇区情况下，每扇区同时提供用户数。假定车速120 km/h的传播条件，扇区负荷50%，η=0.625，n/s=-3 dB，α=0.6，扇区效率85%，计算结果如表3所示。

　　2.3.2 上行用户容量Na的计算

　　假定车速120 km/h的传播条件，扇区负荷50%，η= 0.625，n/s=-3 dB，扇区效率85%，上行用户容量Na计算结果如表4所示。

　　3 WCDMA接收机灵敏度计算

　　3.1 基站接收机灵敏度计算

　　假定Ber=10-6，车速120 km/h的传播条件，灵敏度计算公式为：

　　接收机灵敏度=接收机噪声指数(dB)-热噪声密度(dB/Hz)-信息速率(dB/Hz)-目标Eb/N0(dB)

　　计算结果如表5所示。

　　3.2 移动台接收机灵敏的计算

　　假定Ber=10-6，车速120 km/h的传播条件，移动台接收机灵敏度计算结果如表6所示。

　　4 WCDMA无线直放站下行链路预算

　　4.1 下行施主链路传输电平的预算

　　从图1可以看出，施主链路只提供传输通路，并不对着用户，要求传输信号稳定。因此，设计原则应保证视通，才能保证从基站发射信号到达直放站输入前端时有足够强的电平，一般要求大于-65 dBm。

　　工程上施主链路的路径损耗一般是用自由空间传播公式来计算：

　　PL=32.4+20lgD+20lgf(4)

　　式中：

　　D——空间距离(km)

　　f——工作频率(MHz)

　　假设f=2 000 MHz，基站馈线损耗LBTS_cable=3 dB，直放站馈线损耗Lrep_cable=3 dB，基站天线增益GBTS_antenna=14 dBi，直放站施主天线增益Grep_donor _antenna=18 dBi，两天线角度去耦2×3=6 dB。计算可得表7，此表可用于施主链路的一般估计。

　　4.2 噪声分析

　　在大多数应用场合，到达直放站输入端下行信号的信噪比很高，信号电平远远高于高斯环境噪声，通过直放站放大后(考虑到直放站噪声系数)仍然保持较好的信噪比，基本上不会影响系统。因此下行链路预算时一般不考虑噪声。

　　4.3 直放站下行覆盖链路的预算

　　直放站覆盖范围的考虑思路完全和基站一样，主要由直放站到手机的传播损耗和系统最大允许的损耗决定。人体损耗余量、建筑物穿透损耗余量、衰落损耗余量等在直放站覆盖区也同样要考虑进来。

　　影响直放站覆盖范围的主要参数有天线类型、挂高、倾角、地形参数、要求的Ec/Io值、发射功率、增益等等。这里提供一组经验值用于简便快速的评估。

　　首先考虑传播损耗，对于WCDMA系统无线传播分析，采用Okumura_Hata模型。

　　PL(dB)=69.55+26.16lgF-13.82lgH

　　+(44.9-6.55lgH)×lgD-C(F)(5)

　　式中：

　　PL——路径损耗(dB)

　　F——频率(MHz)，计算取值为2 000 MHz

　　D——距离(km)

　　H——基站天线有效高度(m)，计算取值为30 m

　　C(F)—— 环境校正因子

　　C(F)

　　代入相关数值得

　　PL(dB)=135.49+35.22lgD-C(F) (6)

　　PL(dB)=

　　结合系统下行功率预算得出最大允许路径损耗。

　　最后，把最大允许下行路径损耗代入传播公式求得直放站最大覆盖半径D。

　　4.4 直放站下行覆盖半径的计算举例

　　a) 以64 kbit/s分组数据下行链路为例，设小区负荷50%，车速120 km/h。

　　b) 每信道有效幅射功率：设直放站总输出功率为10 W，控制信道占20%，为10 W×20%=2 W;话务信道占80%，为10 W×0.8=8 W，则每信道平均发射功率为8 W/用户=8/11=28.6 dBm。

　　c) 热噪声级别为-174 dBm/Hz，数据速率为

　　64 kbit/s→48.1 dBHz，接收机噪声系数为7　dB，Eb/N0=

　　3.7　dB，则接收机灵敏度为-174+48.1+7+3.7=-115.2 dBm。

　　d) 假定90%地区覆盖，对数衰落储备为5.6　dB ，负荷50%，干扰储备为3　dB，则对数衰落储备和干扰储备为8.6　dB。

　　e)　软切换增益为5　dB。

　　f)　汽车穿透损耗8 dB。

　　g)　天馈系统增益=直放站天线增益-馈线损耗=17-3=14　dBi。

　　h) 允许下行链路最大损耗为

　　PL(dB)=②-③-④+⑤-⑥+⑦

　　=28.6-(-115.2)-8.6+5-8+14=146.2　dB

　　i)　直放站下行最大覆盖半径D (车内)：

　　(a) 代入式(7)得市区覆盖半径：146.2=135.49+35.22lgD，D=2 km;

　　(b) 代入式(8)得郊区覆盖半径：146.2=123.22+35.22lgD，D=4.5 km;

　　(c) 代入式(9)得农村覆盖半径：146.2=102.97+35.22lgD，D=16.9 km。

　　5 WCDMA无线直放站上行链路的预算

　　直放站上行链路的计算与基站上行链路计算的不同之处是用级联等效噪声系数代替直放站的反向噪声系数。

　　5.1 直放站的上行噪声对施主基站灵敏度的影响

　　直放站的使用会给施主基站引入一定的噪声，导致基站热噪声电平升高，引起基站接收机的灵敏度降低及基站的最大覆盖半径收缩，详细分析过程如下。

　　a) 首先可以求得直放站热噪声经过放大和传输路径损耗后，到达基站接收机输入端的热噪声电平：

　　PInj=KTB+NFRep+GRep-PLnet(10)

　　式中：

　　K——波尔兹曼常数，真值为1.38 E-23 J/K

　　T——环境温度，取290 K

　　B——带宽，取3.84 MHz

　　NFRep——直放站上行噪声系数

　　GRep——直放站上行增益

　　PLnet——直放站到基站路径衰减净值，包括直放站馈线损耗、直放站施主天线增益、路径损耗、基站天线增益、基站馈线损耗

　　b) 原基站接收机输入端热噪声电平：

　　PBts=KTB+NFBts

　　式中：

　　NFBts——基站噪声系数

　　c) 基站加入直放站后热噪声电平ROTBts升高

　　ROTBts=10lg(10PBTS/10+10PINJ/10)/10PBTS/10

　　=10lg(1+10+NIM/10)(11)

　　引入噪声注入裕量NIM

　　NIM=10lg(10PInj/10/10PBTS/10)

　　此值即决定了直放站对施主基站上行链路的影响。每增加1 dB，就意味着改变施主基站的上行链路功率预算减少1 dB，或所允许的基站到手机的空间路径损耗减少1 dB。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，手机的发射功率会相应增大，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。

　　d) 基站加入直放站后，直放站噪声电平ROTRep升高

　　ROTRep=10lg1+10-NIM/10(12)

　　比较式(11)和式(12)，发现基站噪声升高与直放站噪声升高是互相矛盾的，应折衷考虑。

　　5.2 上行噪声影响的折衷考虑

　　人们总是希望直放站对基站热噪声贡献最小，由于ROTBTS与NIM成正比关系，当等效增益Grep-PLnet很大时， NIM越大，ROTBTS越大，即基站引入噪声很多;反之，当等效增益Grep-PLnet很小或为负值时，NIM越负，ROTRep越大，即直放站引入噪声很多。

　　实际应用中，必须在这两点之间取折衷。一般在高速公路、郊区、乡村等应用场合，需要直放站覆盖距离较远，可以取定NIM=0 dB。这时ROTBTS和ROTrep均为3 dB，意味着在基站侧接收机和用户天线侧接收机只比上行噪声系数增加3 dB。在某些特定的场合，如城市中的室内覆盖，可以适当取小的NIM，即直放站的增益Grep小于路径损耗PLnet，从而减小室内分布系统对基站的影响。在实际工程中，建议由于无线直放站的引入，使基站上行接收机噪声系数增加1 dB。通过计算，此时直放站上行噪声系数增加6 dB，相当直放站接收机灵敏度降低6 dB。

　　5.3 无线直放站上行覆盖半径的计算

　　a) 以64 kbit/s分组数据上行链路为例，设小区负荷50%，车速1