CDMA-直放站引入噪声的分析及对策

CDMA直放站引入噪声的分析及对策随着移动通信业务的迅速普及，移动通信运营商及设备供应商采取多种措施提高系统的容量和业务种类，以满足日益增长的市场需求。中国联通在CDMA网络的建设和运营初期，由于各方面条件的限制，不可能一次性建设很多的基站，基站数量的不足将造成信号覆盖的不完善，影响网络服务质量，最终将影响投资回报。为此联通新时空的CDMA网络在运营初期采取低容量、大覆盖无线网络布局的主导思想，直放站以其独特的优势成为网络不可分割的一部分，在网络建设中发挥着重要作用。如何建设好CDMA网络是一个复杂的课题。本文仅就CDMA直放站的噪声对系统的影响做出分析，并提出相应的对策。一、CDMA直放站引入噪声分析直放站作为一个有源的双向放大设备，在放大有用信号的同时，必然会引入一定的噪声，即使在没有任何输入信号的情况下，也会发射杂散信号，相当于一个带内干扰源。更何况CDMA系统是一个自干扰系统，系统容量和服务质量与多用户干扰紧密相关，因此系统总是希望直放站引入的干扰越小越好，而实际设备的噪声系数不可能为0，在设备规范中对噪声系数的要求是小于5dB，因此，在以下的分析中，噪声系数取最大极限值5dB参与计算。1．前向链路的噪声分析无论是光纤传输直放站还是无线直放站，前向链路信号的信噪比都很高，噪声电平远远低于高斯环境噪声，有用信号电平远远高于高斯环境噪声，经过直放站放大后，信号的信噪比仍然较好，基本上不会影响系统。以无线直放站为例：按照设备工作条件，到达直放站的前向信号强度大于－80dBm，高斯环境噪声电平是－113dBm，此时信噪比是(S/N)input=33dB，直放站的噪声系数是5dB，则经放大后信号的信噪比(S/N)output=33－5＝28dB，远远满足Ec/No－14db的要求，因此在实际应用中对于前向链路可以不考虑直放站的影响。2．反向链路的噪声分析（1）反向链路噪声对基站热噪声的影响由于直放站本身存在的热噪声，反向链路信号在放大过程被叠加了热噪声，从而会造成施主基站噪声电平的提高，降低施主基站接收机的灵敏度。假设直放站反向链路的噪声系数为Frep-rev，直放站反向链路的增益为Grep-rev，环境温度T＝290K，直放站产生的热噪声功率谱密度为Nrep，则：Nrep＝10lg(KT)＋Frep-rev热噪声经放大后通过空间链路进入基站接收机，在基站接收机处产生的噪声功率谱密度定义为Ni，则：Ni＝10lg(KT)+Frep-rev+Grep-rev－Lrep+Grep-ant－Lpath＋Gbts-ant－Lbts其中：Lrep为直放站施主端馈线的损耗，Grep-ant为直放站施主天线的增益，Lpath为施主基站和直放站之间的空中损耗，Gbts-ant为基站前向天线的增益，Lbts为基站发射机与前向天线间馈线的损耗。对于具体的工程而言，Ni只与Grep-rev有关，其余的参数均是固定的常量，由此可见，直放站增益的大小直接关系到施主基站噪声电平的大小。（因为CDMA系统一个载频的带宽通常取为1.23MHz，则基站噪声电平与噪声功率谱密度是固定的对应关系。）为了衡量基站接收机噪声电平在系统引入直放站后的变化，定义噪声注入裕量NIM（NoiseInjectionMargin）：NIM＝10lg(Pbts/Prep)其中：Pbts为基站接收机自身噪声电平，以绝对值（dBw）表示；Prep为直放站在施主基站接收机处产生的等效噪声电平，以绝对值（dBw）表示。为了便于比较，定义施主基站接收机输入端热噪声的增加量ROT（RiseOverThermal）：ROT＝10lg((Pbts+Prep)/Pbts)＝10lg(1+10)从以上的公式和关系曲线可以看出，基站接收机输入端热噪声的增加量ROT决定了直放站反向链路对施主基站反向链路的影响，即NIM值越大，则直放站在施主基站接收端引起的噪声增加量ROT越小，反之则越大。而NIM直接取决于直放站反向链路增益Grep-rev，若Grep-rev值越大，则NIM越小，导致ROT增大，使得施主基站接收灵敏度降低，并且使处于基站覆盖区边缘的用户会发生单通、话音质量下降以及掉话等情况。若Grep-rev值越小，则NIM越大，此时ROT增加不大，对施主基站接收灵敏度无明显影响，但直放站的覆盖范围会很小。综合考虑基站接收机接收灵敏度、基站覆盖范围和直放站覆盖范围这三个因素，在实际应用中可以通过调整直放站反向链路增益来达到最优化的目的。在实际应用中，必须对噪声注入裕量NIM和基站噪声的增加量ROT的进行折中考虑。通过大量的参考资料和计算分析，一般在高速公路、郊区、乡村等应用场合，需要直放站覆盖的距离比较远，取NIM＝0dB，这时ROT＝3dB，而室内覆盖等场合，可以适当取大NIM，在满足应用的前提下尽量减小ROT对系统的影响。（2）反向链路噪声对直放站覆盖区的影响直放站与施主基站通过无线的方式连接，可以等效为串联放大器。对处于直放站覆盖区域的用户的影响可以用串联等效噪声系数来分析，原来用于计算基站反向链路功率预算的基站接收机噪声系数被串联等效噪声系数取代。若串联等效噪声系数增大，则直放站覆盖区的反向功率预算减少，会使覆盖范围减小。（3）直放站反向链路噪声与系统容量的关系从CDMA系统的体制可以知道，决定小区容量的是多用户干扰MAI,当一定数量的用户成功接入到系统中后，此时若再有用户尝试接入，在CDMA功率控制的作用下，可能会出现无论怎样增加发射功率都无法克服干扰的情况，导致用户无法接入到系统中，此时系统容量达到极限。从图（b）中可知，直放站本身热噪声引起的注入噪声属于静态噪声，与环境干扰类似，它仅仅抬高了基站接收机的噪声电平，在CDMA功率控制的作用下，可能需要移动台加大发射功率，引起上行覆盖半径减小，即直放站的热噪声不对系统容量产生影响。通过以上分析，我们知道直放站反向链路的增益直接决定了直放站对系统的影响，那么如何设置直放站的增益呢？关键是对噪声注入裕量NIM和基站噪声的增加量ROT的折中考虑。二、减少直放站引入噪声对系统影响的方法在工程应用中，我们可以通过测量和计算来合理设置反向链路增益，以达到优化网络的目的。首先测试直放站施主天线与基站接收机口的纯路径损耗，记为PL，其次根据以上的噪声分析计算直放站反向链路增益Grep－rev。设施主基站最大允许的噪声容限为M，则：Grep－rev＝PL＋Fbts－Frep－M其中Fbts为基站接收机的噪声系数。在局方工作人员的大力配合下，还可以通过利用基站后台统计的接收机噪声电平来合理设置直放站反向链路增益Grep－rev的方法：在没有安装直放站以前，通过长期统计，得出凌晨用户极少时基站噪声电平P1，安装直放站后，不断调整直放站反向链路增益Grep－rev，继续统计，得出凌晨用户极少时基站噪声电平P2，设工程规划和方案设计中的基站噪声的增加量为ROT，则P2＝P1+ROT时的增益即是最佳值。以上分析了直放站的噪声对系统的影响并提出了相应的对策，由于CDMA系统是相当复杂的，需要考虑的因素和参数很多，对其它方面的分析可参考相关文章，本文则不加赘述。