WCDMA基站和直放站混合組網(wǎng)研究

在WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，使用射頻直放站（信號源為無線耦合得到的宏蜂窩基站信號）可以降低投資，將基站覆蓋范圍有效地擴(kuò)散出去，填充覆蓋空洞，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。但是，直放站在將信號放大的同時，也引入了噪聲，使得基站接收靈敏度降低，這對于同頻自干擾的WCDMA系統(tǒng)來說，會明顯影響基站的覆蓋范圍和容量。直放站的引入還可能產(chǎn)生導(dǎo)頻污染和其他干擾，惡化整網(wǎng)的性能。下面從網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量以及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量3個方面，分析在WCDMA網(wǎng)絡(luò)中射頻直放站的應(yīng)用。

對網(wǎng)絡(luò)覆蓋的影響

覆蓋鏈路分析

下行施主鏈路信號強(qiáng)度預(yù)算

從圖1可以看出，對于通過直放站接入系統(tǒng)的用戶來說，施主鏈路只是提供穩(wěn)定信號的傳輸通路。因此，設(shè)計原則是施主基站必須處在直放站的視距范圍內(nèi)，保證基站發(fā)射信號到達(dá)直放站輸入前端的電平強(qiáng)度大于-65dBm。工程上施主鏈路的路徑損耗一般用自由空間傳播公式來計算：PL=32.4+20lgD+20lgF

圖1　直放站應(yīng)用示意圖

其中，PL為傳播路徑損耗（Pathloss），單位為dB；D為小區(qū)半徑，單位為m；F為系統(tǒng)工作頻點，單位為Hz。選用測試場景進(jìn)行理論計算：頻點為2137.4MHz，施主鏈路距離為1.746km，基站饋線損耗為3dB，直放站饋線損耗為3dB，基站天線增益為11dBi，直放站施主天線增益為18dBi，計算得到允許的路徑損耗為81dBm。施主基站的導(dǎo)頻發(fā)射功率2W（33dBm），得到直放站的理論導(dǎo)頻接收強(qiáng)度為-48dBm，與實測值-49.6dBm基本接近。所以，如果以-65dBm為接收門限，則基站與直放站的間距可達(dá)13km。

直放站下行覆蓋鏈路預(yù)算

采用0kumura_Hata模型來分析WCDMA系統(tǒng)的無線傳播：PL=69.55+26.16lgF-13.82lgH+（44.9-6.55lgH）×lgD-C（F）

其中，PL為傳播路徑損耗，單位為dB；F為系統(tǒng)工作頻點，單位為Hz；D為小區(qū)半徑，單位為m；H為基站天線高度，單位為m；C（F）為地物校正因子，一般取值： 　　

代入模型后，得到

　　以CS64k業(yè)務(wù)為例，基站側(cè)接收靈敏度為115.3dBm，假定90%地區(qū)覆蓋，慢衰落儲備為5.6dB，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷為50%，干擾儲備為3dB，軟切換增益為5dB，汽車穿透損耗為8dB，直放站天線增益為18dBi，饋線損耗為3dB，直放站總輸出功率為20W，控制信道為5.2W，話務(wù)信道可用功率為14.8W，則每信道平均發(fā)射功率為14.8W/6=2.47W=33.9dBm，則PL=33.9-5.6-3+5-8+18-3+115.3=152.6dBm
　　通過計算得到：城市D=3km；郊區(qū)D=6.8km；農(nóng)村D=25.6km。

直放站上行覆蓋鏈路預(yù)算

同樣以CS64k業(yè)務(wù)為例，慢衰落儲備為5.6dB，干擾儲備為3dB，軟切換增益為5dB，汽車穿透損耗為8dB，直放站天線增益為18dBi，饋線損耗為3dB，終端發(fā)射功率為24dBm，直放站側(cè)接收靈敏度為-112.1dBm，則PL=24-5.6-3+5-8+18-3+112.1=139.5dB
　　通過計算得到：城市D=1.3km；郊區(qū)D=2.9km；農(nóng)村D=10.9km。

覆蓋鏈路測試

在與施主基站有1.746km視距處安裝射頻直放站，在開啟與關(guān)閉直放站情況下進(jìn)行覆蓋范圍的測試。

從圖2來看，直放站的引入使得施主基站的CPICH徑向覆蓋距離從1.6km提升到3km左右。本次測試區(qū)域應(yīng)歸類于“城市”這一地物類型，表1的測試數(shù)據(jù)說明直放站延伸了AMR和PS128k兩種業(yè)務(wù)的覆蓋范圍，但與理論值（1km左右）還存在差異，這主要是因為直放站的重發(fā)天線使用了三扇區(qū)的基站天饋，引入4.7dB的功率損耗（使用了一個3功分器），同時所用的天饋高度也較低，測試信號受到了高架道路的阻擋。若能排除這兩個因素的影響，實際的測試值可以達(dá)到上行鏈路覆蓋的理論值。

圖2　施主基站某一徑向CPICH Ec示意圖  

通過覆蓋測試論證了“直放站的引入能夠延伸無線信號，解決了覆蓋空洞問題”，這也是直放站最基本的功能。
對網(wǎng)絡(luò)容量的影響

在容量測試中設(shè)置3種場景，如圖3所示。

表1　直放站徑向延伸業(yè)務(wù)覆蓋距離

基站上行干擾

場景一與場景三比較，當(dāng)兩者容量均達(dá)到測試極限值時，后者的RTWP（Received Total Wideband Power）值比前者高出3.6dB；場景一與場景二比較，當(dāng)兩者均接入10部CS64k終端時，后者的RTWP值比前者高出4.3dB。可見，直放站的引入將抬升施主基站的上行接收電平值，從而直接影響了施主基站的上行鏈路容量。如果基站和直放站接入用戶比例不當(dāng)（直放站接入用戶過多），基站的RTWP值極容易達(dá)到96dBm的門限值，出現(xiàn)系統(tǒng)容量受限于上行鏈路的情形，而這種情況的發(fā)生，對于系統(tǒng)容量普遍受限于下行發(fā)射功率的WCDMA網(wǎng)絡(luò)來說得不償失。在3個場景的測試中，當(dāng)RTWP抬升3dB時，系統(tǒng)接入終端數(shù)分別為：12部CS64k終端加上6部AMR終端、12部CS64k終端、10部CS64k終端。因此，直放站對上行鏈路容量的影響是顯而易見的。

基站下行功率

在場景三測試中，當(dāng)系統(tǒng)接入10部CS64k終端時，終端的Ec/Io嚴(yán)重惡化，導(dǎo)致施主基站和直放站的下行功率均達(dá)到極限，如圖4所示。

圖3　容量測試場景

圖4　不同場景下UE Ec/Io測量值

容量測試驗證了“直放站不會給系統(tǒng)帶來額外的容量，相反會因為使用不當(dāng)而降低系統(tǒng)的容量”。因此，建議直放站只在話務(wù)密度低的區(qū)域使用。但在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，由于整網(wǎng)的話務(wù)量較低，此時可以通過直放站的使用實現(xiàn)“系統(tǒng)容量搬移”。

對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響

通過單用戶鏈路性能、業(yè)務(wù)撥打成功率與業(yè)務(wù)建立時間、軟切換性能3項測試來評估直放站對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響。從測試結(jié)果看，“直放站的引入，對網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)影響不大”。因此，從網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量角度來看，在WCDMA網(wǎng)絡(luò)中可以使用射頻直放站。

結(jié)論

根據(jù)外場測試情況，可得出如下結(jié)論：

第一，在WCDMA網(wǎng)絡(luò)中可以使用射頻直放站，但必須慎用。

第二，重視網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃并加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

第三，建網(wǎng)初期，在話務(wù)量較少且增長緩慢地區(qū)，可以使用一定數(shù)量的射頻直放站來縮短網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期。但在后期，應(yīng)盡量拆除以保證全網(wǎng)質(zhì)量。

第四，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展期，可依據(jù)對PHS網(wǎng)絡(luò)話務(wù)量的分析，以及對WCDMA業(yè)務(wù)量增長的判斷，考慮在移動業(yè)務(wù)量保持相對穩(wěn)定且較低的區(qū)域，適當(dāng)長期使用光纖直放站（盡量避免使用射頻直放站）。但必須控制光纖直放站與基站的比例。

總之，基站和直放站的混合組網(wǎng)，一方面將給運營商帶來一定的經(jīng)濟(jì)利益，另一方面也會對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化提出更高的要求。