塔顶低噪声放大器在优化小区覆盖中的作用

塔顶低噪声放大器在优化小区覆盖中的作用
蜂窝移动通信网络的规划和优化过程一般分为二个相对独立的部分：一是无线网络的规划和优化；二是传输网络的规划与优化。

前者又可分为确立业务量模型和小区规划，在统筹兼顾用户业务负荷、控制信令负荷、频谱利用率、覆盖概率、传输质量的条件下，尽可能降低建设成本和运营成本。

本文旨在论述塔顶放大器在优化小区覆盖过程中的作用：消除小区上、下行系统增益不平衡，增大覆盖面积；消除原覆盖区的室内、外盲区，提高小区覆盖概率；改善上行覆盖质量，降低通话中的掉话率；提高始发呼叫、终接呼叫和位置更新的成功率；扩大来、去向越区切换范围，减少切换过程因小区边缘上行信号电平低而出现的掉话；在业务量密度较低的地区和具有业务负荷吸收能力的高业务量密度地区，以最少的基站覆盖尽可能大的服务区，增大每小区的用户数和/或业务量，以降低建设成本和运营成本。

一、蜂窝系统空中口上下行链路的增益不平衡问题
一般说来，各种蜂窝移动通信系统中空中接口(Um口)上下行链路的系统增益是不平衡的。

然而，这类系统又是全双工（FDD或TDD）通信系统，因此，小区覆盖范围及小区内的覆盖概率受限于系统增益较低的链路，控制信令成功率、通话质量和中断率问题也都受限于系统增益低的链路。

统增益是表征数字无线电通信系统的一个最重要的参数，它定义为在规定的比特(或帧、码字、符号)差错率指标的条件下，发射机最大输出功率与对端接收机最小接收功率的比值，通常以分贝表示，即系统增益As为， As=10 Log(PTmax/PRmin)－D(dB)。

(1.1)
式中，PTmax为发射机最大输出功率(W或mW),PRmin为接收机最小接收功率。

D为其它因素引起的信号恶化的修正值(dB)。

在一定比特差错率前提下(质量要求)，可接受的最小接收功率又叫做门限功率，它主要取决于接收机噪声功率电平，即按质量要求解调消息数据信号和控制数据信号所需要的信号/噪声比。

系统存在许多恶化因素，诸如超量的噪声带宽、信号的失真、互调、码间干扰、载波恢复的偏移、定时误差、抖动、干扰噪声等，而馈送、耦合和/或混合以及滤波的损耗也是衰减信号和/或增加噪声的因素。

现以GSM 900蜂窝移动通信系统总规范规定的标称基本参数为例分析空中接口上、下行链路的增益不平衡问题。

从中不难发现，安装塔顶低噪声放大器后，可以增加上行链路增益，克服不平衡，从而大大改善小区覆盖。

因为塔顶低噪声放大器既不改善也不恶化本站的载波/干扰比，分析上、下行链路系统增益不计及上、下行链路干扰噪声影响不会改变分析的正确性。

为了方便起见，将基站收发信机的性能指标都折合到天线跳线电缆的下端，也不影响计算的正确性。

在移动台(MS)与基站（BS）之间的下行链路增益可由BS发射机最大输出功率(标称或实测)和MS灵敏度求出，前者通常为20W(43dBm)，假定双工器、合路器和馈线损耗LFT为3dB，则折合到馈线顶端(天线跳线电缆下端)的最大发射功率PBSTmax为40dBm；MS的标称灵敏度为-102dBm。

所以小区或扇区的下行链路系统增益为40dBm－
(-102dBm)=142dB。

在上行链路，规定的MS最大输出功率为2W(33dBm),规定的BS接收机灵敏度为
-104dBm。

由于基站采用空间分集接收，理论上分集增益为3dB，但受限于天线塔的环境，实际只能增加2dB左右，这相当于MS发射功率增加2dB,所以MS发射功率相当于35dBm。

为了将BS灵敏度换算到馈线上端口最小接收功率，我们必须作些变换，为此将式(1.1)
改写为
AS=10 Log(PTmax/K T0 Bx NFx S/N)-D(dB) (1.2)
式中K为波尔兹曼常数，其值为1.38×10-23J/0K·Hz,T0为以绝对温度表示的环境噪声温度，若环境温度取200C，则绝度温度为2930K,B为接收带宽，GSM取2×105Hz ,假定BS和MS的D值大体相同，可以不予考虑。

S/N为按一定质量要求解调消息信号所需的载波信号功率与噪声功率之比，它不同于消息信号每比特能量与噪声密度之比Eb/N0 ,其关系取决于调制解调方式。

显然，在规定比特差错率条件下，基站接收机最小接收电平可以表示为
PRmin=10 LogKT0+10 Log(B)+NFBS+S/N (1.3)
规定的基站接收机灵敏度为-104dBm,解调门限功率通常为9dB，近似认为
S/N=9dB。

据此，可以计算出基站接收机噪声系数NFBSR=8dB。

然后根据Friis定理将基站接收机NFBSR换算为馈线上端口的噪声系数，Friis公式为，
NFS=NF1+L1(NF2-1)/G1+…。

(1.4)
式中，NFS为所论系统的总噪声系数，NF1、NF2分别为系统第一级和第二级的噪声系数，L1、G1为第一级的增益或损耗。

自然还可以计及第三级、第四级，但系统的总噪声系数主要取决于前面几级。

应当指出的是，按照Friis公式计算时各参数均应采用线性值，而后可以将NFS的线性值变换为常用的对数值。

假定馈线及其它无源部件的噪声系数NFf=0dB（1），即不产生噪声，其损耗为
3dB(2),前面已经算出BS接收机的噪声系数NFBSR=8dB(6.31)。

根据式(1.4)可以求出以
馈线上端口为参考点的BS 接收系统的噪声系数为NFBSRS=11.59(10.25dB),再按照式(1.2)求出以馈线上端口为参考点的接收系统灵敏度，其值为-101.75dBm 。

然后便可求出上行链路的系统增益ASU=35dBm －(-101.75dBm)=136.25dB 。

前面已经计算出下行链路的系统增益ASD 为142dBm ,所以，按照规范标称值和上述具体条件得出的上下链路的系统增益的不平衡度为142-136.25=5.75dB 。

应当指出，不同小区基站收发信机有不同情况，不同供应商的设备各参数的值也不尽相同，因而计算结果也不会相同。

此外，上述计算没涉及其它引起通信恶化的参数D 。

在实际环境中，多用最低接收电平，它与灵敏度的定义不相同，因为灵敏度是在理想状态下测量的，用以衡量接收机的优劣。

当然，用实际测量的方法可以比较准确的确定上、下行链路增益的不平衡程度。

可以肯定的是，只要存在上、下行链路系统增益的不平衡，小区的覆盖范围和覆盖概率便受限于系统增益较低的链路的覆盖能力，另一链路增益再高也是枉然。

塔顶低噪声放大器(MHA)的作用在于克服这种不平衡,使小区覆盖范围和概率增大,并与下行链路相一致。

现在我们来分析一下安装塔顶放大器后的情况。

因为塔顶放大器在下行链路增加了0.1dB 的T 接头损耗、0.3dB 的MHA 跳线电缆损耗和0.3dB 的MHA 的发送支路损耗，所以下行链路增益减少了0.7dB ，变为141.3dB 。

上行链路可以参照图1进行计算。

NF
MHAJU
=11.01dB(12.63)
图1 安装塔放后基站收发系统配置
首先，计算出MHA跳线上端口为参考点的接收系统噪声系数
NFMHAJU=11.01dB(12.63)；而后，计算出MHA接收端口的总噪声系数
NFMHAT=2.15(3.31dB)；最后，计算出具有MHA的基站接收系统的灵敏度为-108.69dBm。

所以，安装塔放后，上行链路系统增益为35dBm－（-108.69dBm）=143.69。

显然，现在上行系统增益大于下行，过补偿2.39dB。

在计算出系统增益后，结合BS天线增益GBS、MS天线增益GMS、天线跳线损耗LAJ和路径损耗LP便可以计算衰落储备(余量)FM,即，
FM=AS＋GBS＋GMS－LAJ－LP (1.5)在式
(1.5)中各参数的单位均为dB。

二、大中城市小区覆盖的难题及对策
1、电波传播问题
众所周知，大中城市电波传播的理论计算是十分棘手的难题：所需覆盖区的几何描述通常不可行；站址的选择大多难以按要求选定；建筑物的“三维分布”、时间变迁以及形状、结构、材质的多样性，构成了十分繁杂的边界条件；更不必述及对流层变化的影响了。

在这种情况下，迫使我们不得不寻求近似方法进行计算。

现介绍两种分别以东京和伦敦实测结果为基础的路径损耗工程计算公式。

(1)修正的Hata路径损耗公式(东京Orumura模型)
Lmh=-(LCCIR+S0+a0+Sks+B0) (2.1)
在式(2.1)中，Lmh为修正的Hata公式的电波传播路径损耗中值(dB)，LCCIR为国际电联无线电咨询委员会采用的中值路径损耗计算公式，
LCCIR=69.55+26.16 Log(f)-13.82 Log(Hb) +
［44.9-6.55 Log(Hb)］Log(d)+ax(Hm) (2.2) 在(2.2)式中，f为工作频率(MHz),d为路径距离(Km),Hb为基站天线高度(m),Hm为移动台天线高度(m),ax(Hm)为移动台天线高度校正函数，在中等城市am(Hm)=［0.7-1.1 Log(f)］Hm+1.56 Log(f)-0.8;大城市200MHz以下频段，a2(Hm)=1.1-8.29 Log2(1.54Hm),大城市400MHz以上频段，a4(Hm)=4.97-3.2 Log2(11.75Hm)。

在市郊区和开阔区，中值路径损耗应加以修正：
市郊区路径损耗为
LS=LCCIR-LPS , (2.3)
LPS=2 Log2(f/28)-5.4 。

(2.4)
开阔区路径损耗为
LO=LCCIR-Lpo ，
(2.5)
LPO =4.78 Log2(f)+18.33 Log(f)-40.94 。

(2.6)
在式(2.3)和(2.4)中，LPS和LPO分别为市郊区和开阔区的修正函数。

式(2.1)中的S0为郊/城区校正函数，可以由城区化参数Ur线性变换求出，开
阔区Ur=0,郊区Ur=0.5,城区Ur=1。

所以S0为
S0=(1-Ur)［(1-2Ur)LPO+4UrLPS］。

(2.7) 式(2.1)中的a0是综合上述天线高度校正函数ax(Hm)、频率变换函数F1和F2
和大小城市城市参数U得出的总天线高度校正函数，
a0=(1-U)am(Hm)+U［a2(Hm)F1+a4(Hm)F2 ］ (2.8)
式中，
F1=3004/(f4+3004), (2.9)
F2=f4/(3004+f4)。

(2.10)
中小城市U=0,大城市U=1。

式(2.1)中的B0是根据建筑物地面密度参数B1得到的另一修正函数，B1取值
范围为3~50,B0可表示为，
B0=25 Log(B1)－30 (2.11)
在式(2.1)中的SKS为地球曲率校正函数，在不超出视距范围的条件下子，SKS可
以表示为，
SKS=(27+f/230)Log{17(Hb+20)/[17(Hb+20)+d2]}+1.3
－︱f-55︱/750 (2.12)
(2)Ibrahim和Parsons路径损耗公式(伦敦模型)
Ibrahim和Parsons路径损耗公式是根据伦敦的电波传播测量数据，结合伦敦地
面地图可提供的参数建立的计算公式，
LIP=-20 Log(0.7Hb)－8 Log(Hm)+f/40+26 Log(f/40)
－86 Log﹝(f+100)/156﹞+［40+14.15 Log﹝
(f+100)/156﹞］Log(dⅹ1000)+0.265L－
37H+0.087U－5.5 (2.13)
式中，LIP为Ibrahis和Parsons中值路径损耗(dB), L为地面利用系数，即地面建筑物密度(3~50); H为基站所在街区建筑高度与移动台所在街区建筑物高度的差值(m); U为城区化参数，街区高于 3层建筑物的密度(0~100),通常取 63.2，其它参数函义及所用单位与所Hata公式相同，但这一公式的适用范围仅限于d≤10Km的情形。

应当指出，以上计算公式是分别对东京和伦敦大量测试结果和曲线进行逼近得出的，在d=1~5Km范围内误差约为0~1dB , d=5~20Km时误差约为0~3dB。

两个公式虽然十分繁杂，但若编程计算还是十分简便的；只要我们在工作中不断积累各参数的数据，建立移动通信设计专用地图，便可利用上述公式比较准确的计算城区的路径衰耗，分析城区覆盖问题。

2、无线电信号的统计特性
在大中城市蜂窝小区的接收点附近，信号强度由中值信号电平和在其上不断变化的电平来表征，其变动部分只能以统计规律进行描述。

一般认为，信号中值电平遭受二类随机变化的影响，一是由于多径信号向量叠加引起的小范围(数十个波长)变化，即在接收点附近直径数十个波长范围内，由于反射和散射引起的多径信号传播，经叠加后造成许多深衰落点，其空间间隔约为半波长，其衰落深度约为+5 ~ -20dB(+号表示增强，称上衰落)，衰落点持续时间约为数10us ~ 10多ms。

由于这种随机变化分布符合Rayleigh概率密度函数(PDF)和累积分布函数(CDF),所以叫做Rayleigh衰落，人们也习惯地称之为快衰落。

二是大范围的变化，如果在空间距离数百个波长至数千个波长的许多个点上对小范围变化进行平均，便可揭示这种衰落特性，它沿距离相对中值电平缓慢变化，衰落深度较小、持续时长较大，故称慢衰落。

由于当各点平均信号电平以分贝(dB)表示时，大范围信号电平的概率分布函数呈正态分布特性，所以这种变化又叫做对数正态变化。

产生这种变化的原因是多方面的，主要有对流层变化、地势起伏、建筑物阴影效应和隔离损耗、屋顶绕射损耗、基站天线方向性图的变动和不均匀性以及接收点地物变化的影响等。

工程计算最关心的是两类随机变化的近似组合方差，以便根据中值和方差设计小区覆盖范围，预留衰落储备余量，以提供所希望的覆盖概率。

总的分布通常近似为正态分布，其标准方差为，
total= √σR2+σLN2 (dB) (2.14) 式中，R瑞利分布的准确方差，其值为5.5dB，实际取值为7.5dB。

LN为慢衰落对数正态分布的方差，其取值范围为5~12dB，一般取8dB。

3、低噪声塔顶放大器的作用
在大中城市，业务负荷大，同站址或小区的频道数多，小区或扇区的覆盖范围小，各站址的选择受到限制，小区形状难以用几何图形描述，因而干扰噪声比较突出。

从理论上讲，基站与移动台的传输质量与信号电平、热噪声、干扰噪声、失真噪声有关，它们决定了信号的信/杂比，从而也决定了比特差错率(帧差错率)。

塔顶低噪声放大器的作用在于，在不影响载波/干扰比的前提下，大大降低热噪声，从而改善了上行信号的传输质量。

由于放大器在塔顶，所放大的信号未经馈线损耗，同时噪声系数低，又具有足够增益，所以相当于提高了基站接收的信号输入电平，又降低了其噪声系数的影响，有利于高质量地解调信号。

关于建筑物的影响可以归结为三种情况，一是近建筑物的电波传播；二是建筑物隔离损耗(穿透损耗)；三是建筑物内的电波传播。

微小区设计往往涉及近建筑物的传播问题，其特征在于，性能质量主要受限于附近同频小区的干扰。

塔顶放大器可以在不恶化本小区载波/干扰比的前提下，降低手机发射功率，从而减少对同频和邻频小区的干扰，同时大大降低基站接收系统的热噪声。

建筑物的隔离损耗(包括大建筑的阴影区)会使室内和阴影区信号电平大大降低，从而有可能产生覆盖的盲区。

这时塔顶放大器大有用武之地。

统计和测量表明，蜂窝移动通信800/900MHz频段建筑物中值隔离损耗约为6~20dB，与城市化参数、建筑物高度、密度有关，隔离损耗还随频率增高单调降低。

该频段隔离损耗的统计方差约为4.5~8dB，取值高低也与城市化参数有关，也随频率增高单调降低。

保守设计应根据建筑物一层的隔离损耗进行，统计表明每增高一层隔离损耗降低1.5dB。

显然，隔离损耗与建筑物的类型、结构、层高、分布密度有关，同时还与频率有关。

这是在实际蜂窝移动系统中测量统计的结果，而不是象测量屏蔽室隔离损耗那样的具体测量结果。

在实践中，我们应当不断积累数据，修正这一结果或建立本地区数据。

室内传播损耗计算起来十分复杂，从概念上讲它与室内墙壁的反射损耗、室内“六壁”上障碍物的绕射损耗、各角落的绕射损耗和过道宽度与室内净高度有关。

测量和实践表明，安装塔顶放大器后，可以大大改善室内上行信号的传输质量，原来覆盖不好，不能拨通电话的，可以通了，原来室内信号较好的，手机发送功率可以下降1~2级，从而节省电池电量，减少干扰，静化电磁环境。

三、改善小区无线电覆盖的重要性
一般来讲，蜂窝移动通信网络的功能、性能和质量是指他满足用户要求的能力，GSM数字蜂窝移动通信系统评价这种能力的概念与综合业务数字通信网（ISDN）大体相同，并增加了一些移动通信特定评价方法，诸如服务质量（QOS）、网络性能（ND）、服务等
级（GOS）。

这些要求各自有包括许多具体项目，例如，移动系统QOS包括的性能有：开机后提供服务的响应时间，来话呼叫出现至被叫振铃的延时时间；越区切换的操作时间和成功率；通话质量和掉话率等。

GOS主要是指接通率、呼叫建立和释放占用的时间，掉话率和网络故障频度等。

然而，所有这些几乎都与小区无线电覆盖的优劣和确定业务负荷的业务模型有关。

小区覆盖是个统计概念，由于经济和业务量分布密度等原因，设计目标不可能定为100%的覆盖服务区。

尤其是建网初期，通常应达到90%左右，其中大部分地区QOS和GOS较好，还有一小部分地区较差。

塔顶低噪声放大器是在不影响本小区干扰噪声的前提下改善小区的上行链路覆盖，所谓改善是指扩大覆盖范围、提高覆盖“质量”。

换句话说，改善覆盖就是使原来上行链路不能覆盖的地区（如小区边缘和盲点）达到覆盖的要求，原来已经覆盖的，使覆盖得更好或控制手机降低发射功率。

改善覆盖的最终效果可以归纳为两个方面，在控制信令层面，寻呼和接入（分组信道）成功率提高，多次寻呼和请求接入的情况减少；位置更新和越区切换（电路信道）的成功率提高。

总之，提高了信令信道和其它网元的负荷能力或有效利用率，从而也减少了基站控制器(BSC)、移动交换中心诸元的冗余负荷以及它们之间的链路和接口设备的冗余负荷，相当于充分利用了网络资源，为更多的用户服务。

在用户业务层面，可以提高通话质量，减少通话过程中的掉话率，反过来又可减少寻呼和接入信道的负荷。

若覆盖不好，忙时的恶性循环，会造成网络阻塞。

覆盖范围的扩大，一方面可以延缓去向越区切换和/或减少越区切换次数；一方面可以提前进行来向越区切换，从而吸收邻近小区的业务量。

所以，在具有负荷吸收能力的小区加装塔顶放大器，可以缓解周围小区的负荷压力。

在用户密度或业务量密度较低的服务区，扩大覆盖范围可以减少小区和/或站点数目，从而降低建设成本和运营成本。

在用户密度或业务量密度较高的大中城市，可以改善室内和暗区的覆盖，使无线资源得到高效利用，从而降低成本，增加收入，提高经济效益和社会效益。

鉴于塔放改善覆盖的良好作用，它正在北美、西欧和东南亚国家广泛应用，这方面的情况如表(3.1)所示：
表（3.1）世界主要运营商使用塔放数量
目前全球使用塔放数量在160,000到200,000套，塔放使用数量每年增长30%。

四、现场试验测试的效果
塔顶放大器能有效降低基站接收系统的噪声，从而达到扩大基站覆盖、提高通话效果的作用。

以下是一些测试结果：
提高基站接收电平
图(4.1)是基站在使用塔放前后检测到的手机功率电平。

测试是在一弱信号地段进行的，下行功率电平若-100dB，手机发射功率5级（相当于2W）。

塔放安装前后，基站分别记录同一位置手机的通话信号电平若3分钟。

图中右边的横线是统计的平均值。

从统计的数值我们可看出：塔放安装后，基站检测到的手机发送功率电平平均增加4dB，最
大差值12dB。

由此可看出塔放对基站接收灵敏度的改善。

图二
2、提高基站运行效率
由于塔放提高了基站接收灵敏度，因此基站覆盖的上下行不平衡问题得到改善，覆盖效率提高，通话质量得到改善。

图三是塔放使用前后的基站运行OMC数据变化。

该GSM900基站由Nortel制造，处于城郊结合部，三小区结构，塔高约35米。

从表中数据对比可分析得出如下结论：
a：TCH请求总次数增加21%，说明基站有效覆盖扩大和盲点的改善；
b：上行电平引起的切换次数显著降低，说明使用塔放后基站上行信号得到明显改善，这主要是基站接收灵敏度的提高；
c：基站的掉话率从10.29%降至8.57%，而且这是在基站话务量提高的情况下获得的，这也反映了基站在使用塔放后运行效率的改善；
d：图三数据中，我们看到所有下行数据使用塔放后都有所恶化，这从另一方面说明使用塔放的基站的问题主要取决于下行。

表4.1
2、手机输出功率的降低
塔放作为基站系统的前置放大器安装于塔顶，它不仅放大了天线接收信号，而且对基站接收系统的噪声起到很好的改善作用，通常系统接收噪声降低若5dB。

这样基站系统接收灵敏度提高，需要的移动手机发射功率便可以减少，图(4.2)是一基站安装塔放前后手机发射功率路测图。

图中手机发射分为，数值越小发射功率越高。

图中塔放安装后手机发射功率不仅小、而且稳定。

这也说明加装塔放的基站灵敏度提高和通话质量的改善。

图 4.2
总之，塔放在优化小区覆盖方面的效果是非常明显的，大量试验数据和测量结果表明：使用塔放可以改善基站接收系统的性能，从而扩大上行覆盖范围和概率；提高接通率和通话质量，从而降低阻塞率和掉话率；提高线资源乃至网络诸元的有效利用率，从而可以降低成本、提高效益；降低手机发射功率，从而节省电池电量，延长电池每次充电的使用周期。

从中不难看出，采用塔放优化小区覆盖是一种经济有效的方法，而塔放产品本身已是一种安全可靠性和性能价格比很高的成熟技术。

小区覆盖优化的效果是几乎改善移动通信中所有令用户满意的性能指标，又不增大多少运营部门的维护工作量，同时提高了经济效益和社会效益。

塔放安装前 塔放安装后。