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        塔頂放大器對(duì)UMTS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響分析

        2016-11-02 23:21:47鄧梁
        電腦知識(shí)與技術(shù) 2016年18期
        關(guān)鍵詞:覆蓋噪聲系數(shù)

        鄧梁

        摘要:本文給出了塔頂放大器對(duì)UMTS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響分析。分析了塔放的基本工作原理和作用,以及在UMTS網(wǎng)絡(luò)中,如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋產(chǎn)生影響和根據(jù)其影響在WCDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的應(yīng)用。

        關(guān)鍵詞:塔頂放大器;噪聲系數(shù);覆蓋

        中圖分類號(hào):TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2016)18-0214-02

        1 概述

        UMTS作為3G技術(shù)體制中的一種,仍在歐洲、拉丁美洲、亞太等國家廣泛運(yùn)營。在UMTS網(wǎng)絡(luò)中,塔頂放大器是一種用于放大上行天饋線射頻信號(hào)的元器件,簡(jiǎn)稱塔放[1]TMA(Tower mounted Amplifier)。一般位于塔頂,與基站天線通過跳線連接,以減少天線接收信號(hào)衰減,從而降低接收機(jī)噪聲系數(shù),使網(wǎng)絡(luò)上行覆蓋獲得一定增益。

        網(wǎng)絡(luò)工程搬遷、擴(kuò)容、優(yōu)化時(shí),關(guān)注覆蓋、容量、成本之間進(jìn)行均衡,以達(dá)到預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化目標(biāo)。本文將重點(diǎn)分析,UMTS網(wǎng)絡(luò)在引入塔放后,對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響。

        2 塔放原理分析

        塔放在天饋系統(tǒng)中的位于塔頂,與基站饋線通過一根2m~3m長(zhǎng)的跳線連接。

        信號(hào)先經(jīng)塔放放大再經(jīng)饋線衰減,以減少信號(hào)的衰減、降低噪聲系數(shù),等效于提高基站接收的信號(hào)輸入電平及降低其噪聲系數(shù)影響,有利于高質(zhì)量地解調(diào)信號(hào)。應(yīng)用塔放可降低基站接收系統(tǒng)噪聲系數(shù),提高基站接收機(jī)靈敏度。

        其中,虛線為基站接收機(jī)內(nèi)部相關(guān)設(shè)備。NTRX和背板為基站設(shè)備中的設(shè)備單元;NDDL為低損耗電纜。天線接收的信號(hào)首先經(jīng)雙工器濾除帶外干擾,后由塔放放大信號(hào),再由低損耗電纜將放大后的信號(hào)送入背板。下文將分別給出在天線口、塔放口、機(jī)頂口的噪聲系數(shù),以計(jì)算接收機(jī)靈敏度和鏈路損耗。

        2.2 天線口噪聲系數(shù)

        1)不配置塔放:天線口噪聲系數(shù)=機(jī)頂口噪聲系數(shù)+饋纜損耗+接頭連接器損耗+跳線損耗。

        對(duì)于2100頻段的UMTS網(wǎng)絡(luò),天線口噪聲系數(shù)默認(rèn)2.2dB。

        2)若配置塔放:天線口噪聲系數(shù)=塔放口噪聲系數(shù)+塔放口到天線口跳線損耗(默認(rèn)0.3dB)。

        2.2 塔放口噪聲系數(shù)

        首先介紹一下級(jí)聯(lián)放大器噪聲系數(shù)?;窘邮障到y(tǒng)有源器件和射頻導(dǎo)體中的電子熱運(yùn)動(dòng)引入了熱噪聲,使系統(tǒng)接收的信噪比下降、基站接收靈敏度降低。在信號(hào)傳輸中利用級(jí)聯(lián)放大器原理來改善系統(tǒng)熱噪聲影響,

        噪聲系數(shù)通常采用Friis公式[2]進(jìn)行計(jì)算:

        其中,NF:Noise Figure級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù);

        NF1-NF3:分別為級(jí)聯(lián)放大器第一級(jí)至第三級(jí)噪聲系數(shù);

        G1-G3:級(jí)聯(lián)放大器第一級(jí)至第三級(jí)增益。

        上式中G1、G2若足夠大,級(jí)聯(lián)放大器噪聲主要取決于第一級(jí)的噪聲系數(shù)NF1。噪聲系數(shù)等于其損耗值,而增益為其損耗值取倒數(shù)。

        利用級(jí)聯(lián)放大器原理,塔放即為基站接收系統(tǒng)前端(緊靠接收天線下)放置的低噪聲放大器,以降低饋纜損耗對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響,改善基站接收性能。根據(jù)Friis公式,塔放口噪聲系數(shù)可按下式計(jì)算:

        2.2 機(jī)頂口噪聲系數(shù)

        信號(hào)接收通道為NDDL到天線口這一段信號(hào)通過的路徑。網(wǎng)絡(luò)未配置塔放時(shí),接收通道增益一般是固定的;配置塔放后,為使整個(gè)接收通道增益維持不變,需要調(diào)整NDDL的增益,這使機(jī)頂口噪聲系數(shù)發(fā)生變化。

        計(jì)算步驟:

        ①根據(jù)饋纜損耗與塔放增益算出調(diào)整后的NDDL增益;

        ②NDDL不同增益對(duì)應(yīng)的NDDL噪聲系數(shù)可查表1,再根據(jù)背板和NTRX損耗,按下式計(jì)算機(jī)頂口噪聲系數(shù);

        ③根據(jù)公式(2),可計(jì)算塔放口噪聲系數(shù)。

        機(jī)頂口噪聲系數(shù)計(jì)算舉例:

        ①假設(shè)通道增益需要維持38dB,對(duì)于饋纜損耗2dB、塔放增益12dB情況下,NDDL增益為38-12+2=28dB。②此時(shí)噪聲系數(shù)典型值2.3dB,背板和NTRX的損耗為27dB,這時(shí)可以計(jì)算得出機(jī)頂口噪聲系數(shù)為:

        ③假設(shè)饋線系統(tǒng)的損耗為2dB,系統(tǒng)不配置塔放時(shí),查表1,NDDL的噪聲系數(shù)為1.6dB,機(jī)頂口噪聲系數(shù)為2.2dB,因此饋線系統(tǒng)和NDDL的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)為=(2+2.2)=4.2dB;同樣假設(shè)下配置塔放,饋線系統(tǒng)的損耗為2dB,塔放增益為12dB(規(guī)格分12dB和24dB兩種),塔放噪聲系數(shù)為2dB,NDDL的噪聲系數(shù)為3.96dB,根據(jù)等效噪聲系數(shù)級(jí)聯(lián)公式(2),可以計(jì)算出塔放、饋線和NDDL的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)為2.48dB。由此可見,有塔放時(shí)的噪聲系數(shù)比無塔放時(shí)的噪聲系數(shù)優(yōu)1.72dB。

        取相同NDDL增益,饋纜損耗1-6dB時(shí),計(jì)算不同塔放增益情況下噪聲系數(shù)改善值為0.8~5.1。

        2.3 接收機(jī)靈敏度

        接收機(jī)靈敏=噪聲譜密度(dBm/Hz)+帶寬(dBHz)+接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)(dB)+C/I(dB) (5)

        前三者為系統(tǒng)底噪。C/I為空口信噪比要求。UMTS采用擴(kuò)頻通信系統(tǒng)時(shí),由于擴(kuò)頻增益作用,C/I遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基帶解調(diào)性能要求,一般為負(fù)數(shù)。

        基站上行在天線口處的接收靈敏(dBm)=-174 (dBm/Hz)+10lg[1000 *帶寬(kHz)]+天線口噪聲系數(shù)(dB)+基站接收機(jī)噪聲系數(shù)(dB) (6)

        增加塔放后噪聲系數(shù)降低將使基站上行接收靈敏度將提高,其提高量等于噪聲系數(shù)的改善量。

        3 塔放對(duì)UMTS網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響分析

        無線通信系統(tǒng)中,基站和終端發(fā)射功率和接收靈敏度的差異會(huì)造成上、下行功率不平衡,會(huì)出現(xiàn)終端能收到基站信號(hào),而基站收不到終端的信號(hào)(稱為上行受限),因此,基站覆蓋范圍取決于終端到基站的上行有效距離,本文通過路徑損耗衡量。

        2.3 上行覆蓋影響分析

        根據(jù)鏈路預(yù)算計(jì)算方法[3],小區(qū)邊緣處的最大路徑損耗(dB)=[全向等效發(fā)射功率(dBm)–(接收機(jī)靈敏度(dBm)–天線增益(dBi)+人體損耗(dB)+干擾余量(dB)–軟切換對(duì)抗快衰落增益(dB)+快衰落余量(dB))]–建筑物穿透損耗(dB)–慢衰落余量(dB)+軟切換對(duì)抗慢衰落增益(dB) (7)

        根據(jù)上文,配置塔放后噪聲系數(shù)降低0.8~5.1dB,可等效為上行接收靈敏度提高0.8~5.1dB。從上式得出,基站上行接收靈敏度提高,意味著允許的上行最大路徑損耗增加。根據(jù)鏈路預(yù)算原理,允許的最大路徑損耗增加意味著小區(qū)半徑增大,即小區(qū)的上行覆蓋范圍增大。

        小區(qū)覆蓋半徑由最大路徑損耗和傳播模型決定。若采用COST231-HATA 模型,傳播損耗計(jì)算公式為:

        4 案例分析

        輸入:假設(shè)密集城區(qū)場(chǎng)景,采用COST231-HATA傳播模型,語音業(yè)務(wù)類型,信道模型為TU3(速率為3Km/h的典型城區(qū)信道),基站有效高度為30米,移動(dòng)臺(tái)天線高度1.5米。

        無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境按照用戶的密集程度,一般分為密集城區(qū)、普通城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村、高速路等場(chǎng)景,場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置如表1。

        采用公式(8)和(9)鏈路預(yù)算方法計(jì)算路徑損耗、小區(qū)覆蓋半徑,并通過文獻(xiàn)[3]計(jì)算覆蓋面積。

        ①配置塔放后,不同饋纜損耗對(duì)上行覆蓋的影響:

        無塔放時(shí),隨饋纜損耗的增加,小區(qū)半徑從0.47Km降低到0.34Km,站點(diǎn)覆蓋面積從0.43Km2降低到0.23Km2;使用塔放后,小區(qū)覆蓋半徑為0.49Km~0.47Km,站點(diǎn)覆蓋面積為0.47Km2~0.43Km2。上行覆蓋半徑增加了4.3%-38.2%

        ②配置塔放后,不同噪聲系數(shù)對(duì)上行覆蓋的影響:

        設(shè)覆蓋面積20Km2,塔放噪聲系數(shù)0.5~4.5dB變化,饋纜損耗為固定值3dB,其它輸入條件不變。

        可以看出,塔放噪聲系數(shù)越小,上行覆蓋越好,所需的基站數(shù)目越少;隨著塔放噪聲系數(shù)的增加,小區(qū)半徑和覆蓋面積逐漸減小,站點(diǎn)數(shù)目逐漸增加。加裝塔放的基站由于有效覆蓋范圍擴(kuò)大、基站數(shù)目減少,可節(jié)省建設(shè)資金。

        ③配置塔放后,下行覆蓋的影響

        各場(chǎng)景類別覆蓋半徑分別減少了5%、4.7%、5%、4.7%和4.6%。

        對(duì)大多數(shù)移動(dòng)基站系統(tǒng),通常其覆蓋的問題是上行的問題,此處分析作為塔放使用場(chǎng)景的參考。

        5 總結(jié)

        塔放可減小接收機(jī)噪聲系數(shù),即提高上行鏈路基站接收機(jī)靈敏度,意味著允許的上行最大路徑損耗增加。使小區(qū)的上行覆蓋范圍增加。這對(duì)上行覆蓋差場(chǎng)景進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化具有指導(dǎo)意義,并且,同樣覆蓋要求情況下,可減少基站的投放,節(jié)約成本。

        下行鏈路,終端接收機(jī)噪聲系數(shù)為一固定值(如典型值為0.7dB),增加塔放不會(huì)影響噪聲系數(shù)和終端接收機(jī)靈敏度,由于增加塔放而額外引入的塔放插入損耗(0.7dB),將給下行鏈路插損,使得下行路徑損耗減小,導(dǎo)致下行覆蓋半徑減少。

        因此,在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中需要綜合考慮,增加塔放來增加上行覆蓋,將犧牲少量下行覆蓋。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 夏新仁.塔頂放大器在GSM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋優(yōu)化中的應(yīng)用[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù),2003(2):14-18.

        [2] 蘇文俊,陳海濤.塔頂放大器在LTE網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用分析[J].電信網(wǎng)技術(shù),2014(7).

        [3] 金亮.塔頂放大器原理及其在具體工程中的應(yīng)用[J].電信技術(shù),2007(2).

        [4] 李新.TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋特性淺析[J].電信科學(xué),2009(1).

        [5] 夏新仁,劉振雄,魯世平.塔頂放大器+基站功率放大器在GSM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋優(yōu)化中的應(yīng)用[J].移動(dòng)通信,2007,31(5):39-42.

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