WCDMA直放站上行輸出功率與話務量的關系

摘 要：本文主要論述了WCDMA直放站上行輸出功率及其與話務量的關系，期望能對WCDMA直放站的產品設計和工程設計提供一定的參考。
關鍵詞：WCDMA直放站 擴頻系統 上行輸出 話務量

　　直放站在目前的GSM網絡優化中發揮著重要的作用，GSM網絡升級為WCDMA網絡后，直放站肯定也會發揮重要作用。由于WCDMA是擴頻系統，不同于以往的TDMA系統，因此WCDMA直放站也有一些新的特性。本文就對WCDMA直放站的上行輸出進行一些探討，將對我們設計WCDMA直放站產品并更好地在網絡中使用WCDMA直放站提供一些參考。

　　一、GSM直放站上行輸出功率

　　我們知道GSM直放站每載波在有話務的情況下其下行輸出可以為幾十dBm，如20dBm/200kHz。上行輸出有用信號可以為負幾十dBm到幾十dBm之間，甚至由于GSM用戶終端在請求接入階段是以最大功率發射，當用戶到直放站的綜合鏈路損耗較小時，直放站上行功放還會啟用自動功率控制。而直放站的上行底噪一般為負幾十dBm左右，即有話務的情況下上行輸出有用信號可以比上行底噪高出幾十個dB。

　　以上情況舉例如下：一臺2W GSM直放站下行輸入每載波為－60dBm，基站到直放站的鏈路損耗為103dB（設基站每載波輸出功率電平為43dBm），直放站下行輸出為25dBm/200kHz，設置上下行增益為85dB,當直放站此時的上行噪聲系數為5dB，則上行底噪為－31dBm/200kHz，上行底噪到達基站為－134dBm，遠小于基站－117dBm的自有底噪（設基站噪聲系數為4），因此不會對基站產生多大干擾。當有用戶占用該載波進行通話，設用戶手機信號到達基站為－100dBm/200kHz，考慮到其他一些干擾，此時手機信號到基站后的載干比為12dB，滿足通話要求。手機信號從直放站上行輸出則為3dBm/200kHz。即手機有用信號從直放站上行輸出比直放站上行底噪要高出34dB。由于兩個信號差距太大，基站上行輸出底噪對手機有用信號的抬升非常?。ㄈ绻嬎銊t為0.005dB），此時基本認定直放站該載波的上行輸出就為3dBm/200kHz。由于GSM系統為時分系統，正常情況下該載波下再增加用戶其上行輸出還是保持不變（除非是用戶接入階段）。

　　小結：正常情況下GSM直放站上行輸出有用信號電平值遠大于GSM直放站自身噪聲的上行輸出電平值，此時基本認為直放站上行輸出就為手機有用信號的輸出。

　　二、WCDMA直放站的上行輸出與話務量的關系
　　
　　WCDMA是擴頻系統，其擴頻增益可以達到幾十dB，有用信號電平在解擴前可以比噪聲電平小幾十dB，因此WCDMA直放站的上行輸出與GSM直放站的上行輸出有很大的不同。下面我們將對WCDMA直放站的上行輸出及其與話務量的關系進行一些探討。

　　2.1：WCDMA的容量預測方法

　　由于WCDMA的容量預測模型與單一業務的GSM不同，無法使用GSM方式。但如果WCDMA若按數據吞吐率進行預測，模型非常復雜工程實用性差，因此一般采用“業務等效模型”進行WCDMA的容量預測。WCDMA容量“業務等效模型”原理就是將混合業務等效為一種業務，據此來計算該業務的信道數和等效業務話務。等效業務模型是為了利用現GSM網絡的話務數據將混合業務等效WCDMA語音業務并計算語音業務的信道數。下面是信息產業部組織測試的結果：

1個CS64Kbps等效10個語音用戶；
1個PS64Kbps等效6個語音用戶；
1個PS144Kbps等效10個語音用戶；
1個PS384Kbps等效27個語音用戶。

　　因此我們也采用這種等效方法對WCDMA進行上行輸出功率的預測，即把所有上行都視為語音信號，單個用戶高速數傳信號等效為多個用戶的語音信號。

　　2.2：WCDMA語音通信基站接收終端UE上行功率電平與話務量的關系

　　WCDMA系統使用 12.2kHz速率進行語音通信時，其擴頻增益GP為
GP = 10Lg（3.84M/12.2K）=25dB
其中：3.84M為WCDMA擴頻后的碼片速率3.84MHz；
12.2K為WCDMA語音通信時的數據傳輸速率12.2KHz。

　　設WCDMA基站NodeB接收機BLER為10－3時Eb/No要求為5dB，所以當基站下只有一個語音用戶時，用戶到基站的功率電平值PUE-NodeB為(為計算方便，本文未考慮其他干擾)：
PUE-NodeB = KTB+NFNodeB ＋Eb/No- GP＝-108＋5+5-25=-123dBm
　　其中： KTB為WCDMA系統的熱噪聲，3.84MHz時為-108dBm；
　　NFNodeB為NodeB的噪聲系數，假定為5dB。

　　即當基站只有一個語音用戶時終端UE的上行電平只要到達基站有-123dBm就可以滿足通信要求。

　　當用戶達到50％負載時，每載波容量當量12.2kHz語音用戶為64個，這時每個用戶的噪聲就為基站底噪和63個用戶信號的疊加值。如果每個用戶到達基站的信號功率電平還是為－123dBm的話，此時63個用戶的信號電平疊加后的功率電平P UE-NodeB / 63為：
PUE-NB/63 =PUE-NodeB＋10Lg63＝－123＋10Lg63＝－105dBm

　　此時每一個用戶相對基站其他所有信號的噪聲電平，即為基站自有噪聲電平與63個用戶信號電平的疊加，基本也為NodeB的基站上行接收功率電平NodeBRTWP（如果再增加最后一個用戶，基站上行接收功率電平還會略有增加，我們后面會分析這個問題），應為：
NodeBRTWP＝KTB+NFNodeB＋P UE-NodeB / 63= 10Lg(1/1010.3+1/1010.5)＝－101dBm

　　此時每用戶Eb/No為：
Eb/No＝PUE-NodeB－NodeBRTWP＋GP =－123－（－101）＋25＝3dB

　　達不到Eb/No為5dB要求，因此每手機信號電平到達基站的電平需要繼續增加，此時NodeBRTWP也會增加，但由于增加速度沒有PUE-NodeB 快，因此Eb/No是會逐步得到改善的。采用逼近算法，我們發現只要當每個手機信號到達基站的信號電平PUE-NodeB為－119dBm時就可以滿足Eb/No為5dB要求。此時63個用戶的信號電平疊加后的功率電平為：
PUE-NodeB / 63 =PUE-NodeB＋10Lg63＝－119＋10Lg63＝－101dBm
　　每一個用戶相對基站其他所有信號的噪聲電平，即為基站自有噪聲電平與63個用戶信號電平的疊加，基本也為NodeB的基站上行接收功率電平NodeBRTWP：
NodeBRTWP =KTB+NFNodeB＋P UE-NodeB / 63 ＝10Lg(1/1010.3+1/1010.1)＝－99dBm
這個數值與信息產業部組織測試的結果相當，測試結果可參見參考文獻［ 2 ］。

此時每用戶信號Eb/No值為：
Eb/No＝PUE-NodeB－NodeBRTWP＋GP=－119－（－99）＋25＝5dB
達到了Eb/No為5dB要求，此時每用戶信號到達基站的功率電平PUE-NodeB為－119dBm。
　　
　　小結：從上面分析可知，用戶終端UE在基站話務量不同時到達基站的功率電平不一樣，且一般與基站話務量成正比。
　　
　　2.3：WCDMA直放站上行輸出功率隨話務量的變化
　　
　　我們對各種情況下對WCDMA直放站上行輸出功率進行分析，為簡單起見，我們還是舉一些實例來說明（以下舉例用戶都是以12.2KHz語音進行通信）。由于WCDMA系統對UE具有很好的功率控制技術，因此我們實例只探討直放站覆蓋范圍內的用戶終端UE通信時直放站上行輸出的有用信號電平值，而不管UE本身的發射信號電平值，WCDMA基站NodeB可以通過控制UE的發射功率電平進而調整直放站上行輸出的有用信號電平值大小。
　　
　　實例參數：
WCDMA基站滿功率PNodeB：43dBm
基站導頻功率PCPICH（導頻功率占總功率按10％計）：33dBm
基站無話務時底噪KTB+NFNodeB（設基站噪聲系數NFNodeB為5）：－103dBm
所用直放站類型：5W WCDMA單載波直放站
直放站下行輸入導頻功率PCPICH－REP：－60dBm
基站到直放站的綜合路徑損耗LNodeB-REP：93dB
直放站下行輸出導頻功率PREP-CPICH：27dBm
直放站上/下行增益GREP-UP/GREP-DN：84dB/87dB
無話務時直放站上行輸出功率PREP-UP（此時相當于直放站輸出自有上行熱噪聲NREP-UP）：
PREP-UP =NREP-UP =KTB+NFREP-UP＋GREP-UP＝－108＋5＋84＝－19dBm
其中：KTB為WCDMA系統的熱噪聲，3.84MHz時為-108dBm；
NFREP-UP為直放站的噪聲系數，假定為5dB。
直放站無話務時底噪到基站電平值：NREP-UP－LNodeB-REP＝－19－93＝－112dBm
WCDMA直放站工程示意圖如下：

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　　話務量分布情況1：基站下只有一個用戶進行通信且用戶處于直放站覆蓋范圍內

　　基站只有一個語音用戶在進行通信，且在直放站的覆蓋范圍內，此時手機信號到達基站的信號功率電平為PUE-NodeB =－123dBm，由于直放站到基站的綜合路徑損耗LNodeB-REP為93dB，則手機信號從直放站的上行輸出口輸出的信號電平值PUE-REP就為:
PUE-REP = PUE-NodeB +LNodeB-REP = -123+93=-30dBm
此時直放站上行輸出的總功率電平PREP-UP就為：
PREP-UP ＝NREP-UP + PUE-REP＝10Lg(1/101.9+1/103.0)－18.7dBm
即基站增加第一個用戶同時也是直放站的第一個用戶時直放站上行輸出增大值ΔPREP-UP為：
ΔPREP-UP＝PREP-UP －NREP-UP＝－18.7－（－19）＝0.3dB
話務量分布情況2：基站下有64個用戶進行通信且只有1個用戶處于直放站覆蓋范圍內
在該條件下，當基站下有64個用戶在通信，其中有1個用戶在直放站的覆蓋范圍內時，此時手機信號到達基站的信號功率電平PUE-NodeB為－119dBm，由于直放站到基站的綜合路徑損耗LNodeB-REP為93dB，則手機信號從直放站的上行輸出口輸出的信號電平就為:
PUE-REP = PUE-NodeB +LNodeB-REP = -119+93=-26dBm
此時直放站上行輸出的總功率電平就為：
PREP-UP ＝NREP-UP + PUE-REP＝10Lg(1/101.9+1/102.6)＝－18.3dBm
即當直放站覆蓋范圍內最后增加的用戶也同時是基站最后增加的用戶時時，直放站上行輸出電平增加值ΔPREP-UP為：
ΔPREP-UP＝PREP-UP －NREP-UP＝－18.3－（－19）＝0.7dB
話務量分布情況3：基站下有64個用戶進行通信且有10個用戶處于直放站覆蓋范圍內
在該條件下，當基站下有64個用戶在通信，其中有10個用戶在直放站的覆蓋范圍內時，此時手機信號到達基站的信號功率電平PUE-NodeB為－119dBm，由于直放站到基站的路徑損耗LNodeB-REP為93dB，則手機信號從直放站的上行輸出口輸出的信號電平PUE-REP為:
PUE-REP = PUE-NodeB +LNodeB-REP = -119+93=-26dBm
當直放站覆蓋范圍內有9個用戶基站共有63個用戶時（此時每用戶上行輸出功率很接近－119dBm，為簡便起見，此時每用戶上行功率電平到基站還是按－119dBm計），此時直放站上行輸出的總功率電平PREP-UP/ 9為：
PREP-UP/ 9＝NREP-UP + PUE-REP/ 9＝10Lg(1/101.9+9/102.6)＝－14.5dBm
其中：PREP-UP/ 9表示直放站覆蓋范圍內有9個用戶時直放站上行輸出總功率；
　　PUE-REP/ 9表示直放站覆蓋范圍內有9個用戶時直放站上行輸出的所有有用功率
的累加值。
當直放站覆蓋范圍內最后增加的用戶也同時是基站最后增加的用戶時時，直放站上行輸出總的功率電平PREP-UP/ 10為：
PREP-UP/ 10 ＝NREP-UP + PUE-REP/ 10＝10Lg(1/101.9+10/102.6)＝－14.2dBm
其中：PREP-UP/ 10表示直放站覆蓋范圍內有10個用戶時直放站上行輸出總功率；
　　PUE-REP/10表示直放站覆蓋范圍內有10個用戶時直放站上行輸出的所有有用功率的累加值。
即當直放站覆蓋范圍內最后增加的用戶也同時是基站最后增加的用戶時時，直放站上行輸出電平增加值ΔPREP-UP為：
ΔPREP-UP＝PREP-UP/ 10－PREP-UP/ 9＝－14.2－（－14.5）＝0.3dB
話務量分布情況4：基站下有64個用戶進行通信且64個用戶都處于直放站覆蓋范圍內
在該條件下，當基站下有64個用戶在通信，且假設所有用戶都在直放站的覆蓋范圍內時，此時手機信號到達基站的信號功率電平PUE-REP為－119dBm，由于直放站到基站的路徑損耗LNodeB-REP為93dB，則手機信號從直放站的上行輸出口輸出的信號電平PUE-REP就為:
PUE-REP = PUE-NodeB +LNodeB-REP = -119+93=-26dBm
當直放站覆蓋范圍內有63個用戶時（此時每用戶上行輸出功率很接近－119dBm，為簡便起見，此時每用戶上行功率電平到基站還是按－119dBm計），此時直放站上行輸出的總功率電平PREP-UP/ 63就為：
PREP-UP/ 63＝NREP-UP + PUE-REP/ 63＝10Lg(1/101.9+63/102.6)＝－7.67dBm
其中：PREP-UP/ 63表示直放站覆蓋范圍內有63個用戶時直放站上行輸出總功率；
　　PUE-REP/63表示直放站覆蓋范圍內有63個用戶時直放站上行輸出的所有有用功率的累加值。
當直放站覆蓋范圍內最后增加的用戶也同時是基站最后增加的用戶時時，直放站上行總輸出功率電平PREP-UP/ 64為：
PREP-UP/ 64 ＝NREP-UP + PUE-REP/ 64＝10Lg(1/100.767+1/102.6)＝－7.61dBm
其中：PREP-UP/ 64表示直放站覆蓋范圍內有64個用戶時直放站上行輸出總功率；
　　PUE-REP/ 64表示直放站覆蓋范圍內有64個用戶時直放站上行輸出的所有有用功率的累加值。
即當直放站覆蓋范圍內最后增加的用戶也同時是基站最后增加的用戶時時，直放站上行輸出電平增加值ΔPREP-UP為：
ΔPREP-UP＝PREP-UP/ 64－PREP-UP/ 63＝－7.61－（－7.67）＝0.06dB
類似以上實例的計算，我們還可以通過改變直放站到基站的綜合路徑損耗和直放站的上行增益，得到以上4種話務分布情況下直放站上行輸出自身噪聲電平值NREP-UP、直放站上行輸出總功率電平值PREP-UP、增加一個用戶時直放站上行輸出電平增加值ΔPREP-UP。如下表：

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注：圖三曲線圖中有一條水平線，但并不說明該功率與話務分布的關系恒定不變，只是由于變化太小，實際圖中很難表示出曲線關系，因此用直線代替。
從以上實例及圖表中我們可以得到以下結論

A、WCDMA直放站上行輸出自身噪聲電平值NREP-UP的特點
正常情況下直放站上行輸出自身噪聲電平值NREP-UP與直放站的上行增益和直放站的噪聲系數成正比，范圍可以為－13dBm（此時直放站上行增益為90dB，直放站上行噪聲系數為5）到－50dBm（此時直放站上行增益為50dB，直放站上行噪聲系數為8）。

B、WCDMA直放站上行輸出電平增加值ΔPREP-UP的特點
正常情況下直放站覆蓋范圍內每增加一個用戶其上行輸出電平增加值ΔPREP-UP可能為零點零幾dB（如實例一的話務量分布情況四），也可能為幾個dB甚至十幾dB,如果實例四中將上行增益調整為50dB時，其上行輸出自身噪聲電平值NREP-UP就為
－53dBm，但在話務量分布情況二下直放站上行輸出的有用功率的PUE-REP還是為－36dBm，這時直放站上行輸出總功率值PREP-UP略為－35.9dBm，增加第一個用戶后直放站上行輸出電平增加值ΔPREP-UP＝－35.9－（－53）＝17.1dB。ΔPREP-UP與直放站上行增益成反比，與施主基站話務量成正比，與直放站覆蓋范圍內已有話務量成反比。

C、WCDMA直放站上行輸出總功率電平值PREP-UP的特點
直放站上行輸出總功率電平值PREP-UP與直放站到基站的綜合路徑損耗LNodeB-REP和直放站覆蓋范圍內的用戶數成都成正比。一般情況下范圍可以從－50dBm到0dBm。

　　2.4：WCDMA直放站上行輸出功率的分析在產品設計中的應用

　　我們分析了WCDMA直放站上行輸出的一些特點，接下來我們看看在產品設計中有什么借鑒意義呢？下面就本分析的應用初步談一些自己淺薄的看法，不合理和不完善之處還請大家斧正和完善。

應用一：確定上行功放檢波范圍和額定功率

　　 我們知道GSM直放站上行功放的額定輸出功率一般與下行功放額定輸出功率相當，但從我們上面對WCDMA直放站的分析來看，WCDMA直放站一般上行輸出功率較大的話也就為－20dBm左右，較小時為直放站上行輸出自身熱噪聲，由于直放站上行最小增益為一般為50dB，所有直放站上行輸出最小功率電平為直放站上行輸出自身最小熱噪聲，為－50dBm，結合當前的檢波器檢波范圍，因此可以將WCDMA直放站上行輸出的檢波范圍定為－55dBm～－5dBm是恰當的。
對于WCDMA直放站上行功放額定功率如何確定呢，由于我們上面都是在正常情況下討論的上行輸出功率，我們現在就在一種較極端的情況下看看WCDMA直放站的上行輸出功率，條件如下：

基站導頻功率PCPICH（導頻功率占總功率按10％計）：33dBm
直放站下行輸入導頻功率PCPICH－REP：－80dBm
基站到直放站的綜合路徑損耗LNodeB-REP：113dB
直放站上/下行增益GREP-UP/GREP-DN：90dB/90dB
無話務時直放站上行輸出功率PREP-UP（此時相當于直放站輸出自有上行熱噪聲NREP-UP）：
PREP-UP =NREP-UP =KTB+NFREP-UP＋GREP-UP＝－108＋5＋90＝－13dBm

假設此時基站由于話務量較高且受到較大的外干擾，UE到達基站的功率電平PUE-NodeB要為－110dBm才能滿足Eb/No為5的要求，那么此時每用戶從直放站上行輸出電平PUE-REP要為：
PUE-REP＝PUE-NodeB +LNodeB-REP = -110+113=3dBm

假定施主基站是一個三載波基站，直放站覆蓋范圍內最多時有30個用戶進行通信，那么此時直放站上行總輸出功率電平PREP-UP/ 64為：
PREP-UP/ 30 ＝NREP-UP + PUE-REP/ 30＝10Lg(1/101.3+30*100.3)＝18dBm
要使直放站達到18dBm的上行輸出功率需同時滿足以下三個條件：
A、 直放站下行輸入特別?。ɑ蛑狈耪九c基站的路徑損耗特別大）；
B、 基站話務量特別大或受到較大的干擾；
C、 直放站覆蓋范圍內話務量也很大。
要同時達到滿足這三個條件的概率是非常小的，即使條件B或C存在，運營商也會采
取措施，如去除干擾或增建基站解決。因此在WCDMA直放站產品設計中上行功放額定功率達到20dBm（100mW），就足夠任意類型WCDMA直放站的上行輸出功率要求了（即便是一個20W的WCDMA直放站），而不用象GSM直放站那樣上下行功放額定功率要大致一樣，采用這種設計能減少不少成本。

　　應用二：通過上行輸出功率的變化大致判斷直放站覆蓋范圍的話務量
　　　　
　　我們可以設計這樣一段WCDMA直放站監控程序，通過讀取直放站內置WCDMA MODEM內的信息，判斷出目前施主基站的導頻信號強度，現場調試時人工通過監控軟件讀取，人為輸入直放站無話務時上行輸出自有上行熱噪聲NREP-UP的數值，日后在維護過程中，如果有人員調整了直放站的上行增益，則監控軟件也自動緊接著相應調整NREP-UP 。直放站在運行過程中，每過幾秒鐘就讀取PREP-UP的大小，將一小時內所有讀取的數值進行平均，將24小時中最大的平均值每天進行上報，然后與施主基站這一時段總接收功率NodeBRTWP的平均值進行比較（需要WCDMA基站具備該項功能），按照一定的算法（可以在直放站網管上附加這樣一個功能）可以粗略計算直放站覆蓋范圍內的話務量。另外還可以通過PREP-UP平均值及時發現網絡是否存在問題，為網絡優化提供一定的參考。

參考文獻

［ 1 ］ 孫宇彤 CDMA空中接口技術 北京 人民郵電出版社
［ 2 ］周健詠 WCDMA系統容量外場測試解析 通信產業報 2005年第2期
［ 3 ］潘兆輝 關于3G基站覆蓋半徑的估算 泰爾網
［ 4 ］佚名 擴頻系統的接收機靈敏度方程 MAXIM員工應用筆記