WCDMA直放站上行输出功率与话务量的关系

摘 要：本文主要论述了WCDMA直放站上行输出功率及其与话务量的关系，期望能对WCDMA直放站的产品设计和工程设计提供一定的参考。
关键词：WCDMA直放站 扩频系统 上行输出 话务量

　　直放站在目前的GSM网络优化中发挥着重要的作用，GSM网络升级为WCDMA网络后，直放站肯定也会发挥重要作用。由于WCDMA是扩频系统，不同于以往的TDMA系统，因此WCDMA直放站也有一些新的特性。本文就对WCDMA直放站的上行输出进行一些探讨，将对我们设计WCDMA直放站产品并更好地在网络中使用WCDMA直放站提供一些参考。

　　一、GSM直放站上行输出功率

　　我们知道GSM直放站每载波在有话务的情况下其下行输出可以为几十dBm，如20dBm/200kHz。上行输出有用信号可以为负几十dBm到几十dBm之间，甚至由于GSM用户终端在请求接入阶段是以最大功率发射，当用户到直放站的综合链路损耗较小时，直放站上行功放还会启用自动功率控制。而直放站的上行底噪一般为负几十dBm左右，即有话务的情况下上行输出有用信号可以比上行底噪高出几十个dB。

　　以上情况举例如下：一台2W GSM直放站下行输入每载波为－60dBm，基站到直放站的链路损耗为103dB（设基站每载波输出功率电平为43dBm），直放站下行输出为25dBm/200kHz，设置上下行增益为85dB,当直放站此时的上行噪声系数为5dB，则上行底噪为－31dBm/200kHz，上行底噪到达基站为－134dBm，远小于基站－117dBm的自有底噪（设基站噪声系数为4），因此不会对基站产生多大干扰。当有用户占用该载波进行通话，设用户手机信号到达基站为－100dBm/200kHz，考虑到其他一些干扰，此时手机信号到基站后的载干比为12dB，满足通话要求。手机信号从直放站上行输出则为3dBm/200kHz。即手机有用信号从直放站上行输出比直放站上行底噪要高出34dB。由于两个信号差距太大，基站上行输出底噪对手机有用信号的抬升非常小（如果计算则为0.005dB），此时基本认定直放站该载波的上行输出就为3dBm/200kHz。由于GSM系统为时分系统，正常情况下该载波下再增加用户其上行输出还是保持不变（除非是用户接入阶段）。

　　小结：正常情况下GSM直放站上行输出有用信号电平值远大于GSM直放站自身噪声的上行输出电平值，此时基本认为直放站上行输出就为手机有用信号的输出。

　　二、WCDMA直放站的上行输出与话务量的关系
　　
　　WCDMA是扩频系统，其扩频增益可以达到几十dB，有用信号电平在解扩前可以比噪声电平小几十dB，因此WCDMA直放站的上行输出与GSM直放站的上行输出有很大的不同。下面我们将对WCDMA直放站的上行输出及其与话务量的关系进行一些探讨。

　　2.1：WCDMA的容量预测方法

　　由于WCDMA的容量预测模型与单一业务的GSM不同，无法使用GSM方式。但如果WCDMA若按数据吞吐率进行预测，模型非常复杂工程实用性差，因此一般采用“业务等效模型”进行WCDMA的容量预测。WCDMA容量“业务等效模型”原理就是将混合业务等效为一种业务，据此来计算该业务的信道数和等效业务话务。等效业务模型是为了利用现GSM网络的话务数据将混合业务等效WCDMA语音业务并计算语音业务的信道数。下面是信息产业部组织测试的结果：

1个CS64Kbps等效10个语音用户；
1个PS64Kbps等效6个语音用户；
1个PS144Kbps等效10个语音用户；
1个PS384Kbps等效27个语音用户。

　　因此我们也采用这种等效方法对WCDMA进行上行输出功率的预测，即把所有上行都视为语音信号，单个用户高速数传信号等效为多个用户的语音信号。

　　2.2：WCDMA语音通信基站接收终端UE上行功率电平与话务量的关系

　　WCDMA系统使用 12.2kHz速率进行语音通信时，其扩频增益GP为
GP = 10Lg（3.84M/12.2K）=25dB
其中：3.84M为WCDMA扩频后的码片速率3.84MHz；
12.2K为WCDMA语音通信时的数据传输速率12.2KHz。

　　设WCDMA基站NodeB接收机BLER为10－3时Eb/No要求为5dB，所以当基站下只有一个语音用户时，用户到基站的功率电平值PUE-NodeB为(为计算方便，本文未考虑其他干扰)：
PUE-NodeB = KTB+NFNodeB ＋Eb/No- GP＝-108＋5+5-25=-123dBm
　　其中： KTB为WCDMA系统的热噪声，3.84MHz时为-108dBm；
　　NFNodeB为NodeB的噪声系数，假定为5dB。

　　即当基站只有一个语音用户时终端UE的上行电平只要到达基站有-123dBm就可以满足通信要求。

　　当用户达到50％负载时，每载波容量当量12.2kHz语音用户为64个，这时每个用户的噪声就为基站底噪和63个用户信号的叠加值。如果每个用户到达基站的信号功率电平还是为－123dBm的话，此时63个用户的信号电平叠加后的功率电平P UE-NodeB / 63为：
PUE-NB/63 =PUE-NodeB＋10Lg63＝－123＋10Lg63＝－105dBm

　　此时每一个用户相对基站其他所有信号的噪声电平，即为基站自有噪声电平与63个用户信号电平的叠加，基本也为NodeB的基站上行接收功率电平NodeBRTWP（如果再增加最后一个用户，基站上行接收功率电平还会略有增加，我们后面会分析这个问题），应为：
NodeBRTWP＝KTB+NFNodeB＋P UE-NodeB / 63= 10Lg(1/1010.3+1/1010.5)＝－101dBm

　　此时每用户Eb/No为：
Eb/No＝PUE-NodeB－NodeBRTWP＋GP =－123－（－101）＋25＝3dB

　　达不到Eb/No为5dB要求，因此每手机信号电平到达基站的电平需要继续增加，此时NodeBRTWP也会增加，但由于增加速度没有PUE-NodeB 快，因此Eb/No是会逐步得到改善的。采用逼近算法，我们发现只要当每个手机信号到达基站的信号电平PUE-NodeB为－119dBm时就可以满足Eb/No为5dB要求。此时63个用户的信号电平叠加后的功率电平为：
PUE-NodeB / 63 =PUE-NodeB＋10Lg63＝－119＋10Lg63＝－101dBm
　　每一个用户相对基站其他所有信号的噪声电平，即为基站自有噪声电平与63个用户信号电平的叠加，基本也为NodeB的基站上行接收功率电平NodeBRTWP：
NodeBRTWP =KTB+NFNodeB＋P UE-NodeB / 63 ＝10Lg(1/1010.3+1/1010.1)＝－99dBm
这个数值与信息产业部组织测试的结果相当，测试结果可参见参考文献［ 2 ］。

此时每用户信号Eb/No值为：
Eb/No＝PUE-NodeB－NodeBRTWP＋GP=－119－（－99）＋25＝5dB
达到了Eb/No为5dB要求，此时每用户信号到达基站的功率电平PUE-NodeB为－119dBm。
　　
　　小结：从上面分析可知，用户终端UE在基站话务量不同时到达基站的功率电平不一样，且一般与基站话务量成正比。
　　
　　2.3：WCDMA直放站上行输出功率随话务量的变化
　　
　　我们对各种情况下对WCDMA直放站上行输出功率进行分析，为简单起见，我们还是举一些实例来说明（以下举例用户都是以12.2KHz语音进行通信）。由于WCDMA系统对UE具有很好的功率控制技术，因此我们实例只探讨直放站覆盖范围内的用户终端UE通信时直放站上行输出的有用信号电平值，而不管UE本身的发射信号电平值，WCDMA基站NodeB可以通过控制UE的发射功率电平进而调整直放站上行输出的有用信号电平值大小。
　　
　　实例参数：
WCDMA基站满功率PNodeB：43dBm
基站导频功率PCPICH（导频功率占总功率按10％计）：33dBm
基站无话务时底噪KTB+NFNodeB（设基站噪声系数NFNodeB为5）：－103dBm
所用直放站类型：5W WCDMA单载波直放站
直放站下行输入导频功率PCPICH－REP：－60dBm
基站到直放站的综合路径损耗LNodeB-REP：93dB
直放站下行输出导频功率PREP-CPICH：27dBm
直放站上/下行增益GREP-UP/GREP-DN：84dB/87dB
无话务时直放站上行输出功率PREP-UP（此时相当于直放站输出自有上行热噪声NREP-UP）：
PREP-UP =NREP-UP =KTB+NFREP-UP＋GREP-UP＝－108＋5＋84＝－19dBm
其中：KTB为WCDMA系统的热噪声，3.84MHz时为-108dBm；
NFREP-UP为直放站的噪声系数，假定为5dB。
直放站无话务时底噪到基站电平值：NREP-UP－LNodeB-REP＝－19－93＝－112dBm
WCDMA直放站工程示意图如下：

 

图一： WCDMA直放站工程示意图

　　话务量分布情况1：基站下只有一个用户进行通信且用户处于直放站覆盖范围内

　　基站只有一个语音用户在进行通信，且在直放站的覆盖范围内，此时手机信号到达基站的信号功率电平为PUE-NodeB =－123dBm，由于直放站到基站的综合路径损耗LNodeB-REP为93dB，则手机信号从直放站的上行输出口输出的信号电平值PUE-REP就为:
PUE-REP = PUE-NodeB +LNodeB-REP = -123+93=-30dBm
此时直放站上行输出的总功率电平PREP-UP就为：
PREP-UP ＝NREP-UP + PUE-REP＝10Lg(1/101.9+1/103.0)－18.7dBm
即基站增加第一个用户同时也是直放站的第一个用户时直放站上行输出增大值ΔPREP-UP为：
ΔPREP-UP＝PREP-UP －NREP-UP＝－18.7－（－19）＝0.3dB
话务量分布情况2：基站下有64个用户进行通信且只有1个用户处于直放站覆盖范围内
在该条件下，当基站下有64个用户在通信，其中有1个用户在直放站的覆盖范围内时，此时手机信号到达基站的信号功率电平PUE-NodeB为－119dBm，由于直放站到基站的综合路径损耗LNodeB-REP为93dB，则手机信号从直放站的上行输出口输出的信号电平就为:
PUE-REP = PUE-NodeB +LNodeB-REP = -119+93=-26dBm
此时直放站上行输出的总功率电平就为：
PREP-UP ＝NREP-UP + PUE-REP＝10Lg(1/101.9+1/102.6)＝－18.3dBm
即当直放站覆盖范围内最后增加的用户也同时是基站最后增加的用户时时，直放站上行输出电平增加值ΔPREP-UP为：
ΔPREP-UP＝PREP-UP －NREP-UP＝－18.3－（－19）＝0.7dB
话务量分布情况3：基站下有64个用户进行通信且有10个用户处于直放站覆盖范围内
在该条件下，当基站下有64个用户在通信，其中有10个用户在直放站的覆盖范围内时，此时手机信号到达基站的信号功率电平PUE-NodeB为－119dBm，由于直放站到基站的路径损耗LNodeB-REP为93dB，则手机信号从直放站的上行输出口输出的信号电平PUE-REP为:
PUE-REP = PUE-NodeB +LNodeB-REP = -119+93=-26dBm
当直放站覆盖范围内有9个用户基站共有63个用户时（此时每用户上行输出功率很接近－119dBm，为简便起见，此时每用户上行功率电平到基站还是按－119dBm计），此时直放站上行输出的总功率电平PREP-UP/ 9为：
PREP-UP/ 9＝NREP-UP + PUE-REP/ 9＝10Lg(1/101.9+9/102.6)＝－14.5dBm
其中：PREP-UP/ 9表示直放站覆盖范围内有9个用户时直放站上行输出总功率；
　　PUE-REP/ 9表示直放站覆盖范围内有9个用户时直放站上行输出的所有有用功率
的累加值。
当直放站覆盖范围内最后增加的用户也同时是基站最后增加的用户时时，直放站上行输出总的功率电平PREP-UP/ 10为：
PREP-UP/ 10 ＝NREP-UP + PUE-REP/ 10＝10Lg(1/101.9+10/102.6)＝－14.2dBm
其中：PREP-UP/ 10表示直放站覆盖范围内有10个用户时直放站上行输出总功率；
　　PUE-REP/10表示直放站覆盖范围内有10个用户时直放站上行输出的所有有用功率的累加值。
即当直放站覆盖范围内最后增加的用户也同时是基站最后增加的用户时时，直放站上行输出电平增加值ΔPREP-UP为：
ΔPREP-UP＝PREP-UP/ 10－PREP-UP/ 9＝－14.2－（－14.5）＝0.3dB
话务量分布情况4：基站下有64个用户进行通信且64个用户都处于直放站覆盖范围内
在该条件下，当基站下有64个用户在通信，且假设所有用户都在直放站的覆盖范围内时，此时手机信号到达基站的信号功率电平PUE-REP为－119dBm，由于直放站到基站的路径损耗LNodeB-REP为93dB，则手机信号从直放站的上行输出口输出的信号电平PUE-REP就为:
PUE-REP = PUE-NodeB +LNodeB-REP = -119+93=-26dBm
当直放站覆盖范围内有63个用户时（此时每用户上行输出功率很接近－119dBm，为简便起见，此时每用户上行功率电平到基站还是按－119dBm计），此时直放站上行输出的总功率电平PREP-UP/ 63就为：
PREP-UP/ 63＝NREP-UP + PUE-REP/ 63＝10Lg(1/101.9+63/102.6)＝－7.67dBm
其中：PREP-UP/ 63表示直放站覆盖范围内有63个用户时直放站上行输出总功率；
　　PUE-REP/63表示直放站覆盖范围内有63个用户时直放站上行输出的所有有用功率的累加值。
当直放站覆盖范围内最后增加的用户也同时是基站最后增加的用户时时，直放站上行总输出功率电平PREP-UP/ 64为：
PREP-UP/ 64 ＝NREP-UP + PUE-REP/ 64＝10Lg(1/100.767+1/102.6)＝－7.61dBm
其中：PREP-UP/ 64表示直放站覆盖范围内有64个用户时直放站上行输出总功率；
　　PUE-REP/ 64表示直放站覆盖范围内有64个用户时直放站上行输出的所有有用功率的累加值。
即当直放站覆盖范围内最后增加的用户也同时是基站最后增加的用户时时，直放站上行输出电平增加值ΔPREP-UP为：
ΔPREP-UP＝PREP-UP/ 64－PREP-UP/ 63＝－7.61－（－7.67）＝0.06dB
类似以上实例的计算，我们还可以通过改变直放站到基站的综合路径损耗和直放站的上行增益，得到以上4种话务分布情况下直放站上行输出自身噪声电平值NREP-UP、直放站上行输出总功率电平值PREP-UP、增加一个用户时直放站上行输出电平增加值ΔPREP-UP。如下表：

 

表一：WCDMA直放站每用户上行输出电平增加值与话务量的关系

注：图三曲线图中有一条水平线，但并不说明该功率与话务分布的关系恒定不变，只是由于变化太小，实际图中很难表示出曲线关系，因此用直线代替。
从以上实例及图表中我们可以得到以下结论

A、WCDMA直放站上行输出自身噪声电平值NREP-UP的特点
正常情况下直放站上行输出自身噪声电平值NREP-UP与直放站的上行增益和直放站的噪声系数成正比，范围可以为－13dBm（此时直放站上行增益为90dB，直放站上行噪声系数为5）到－50dBm（此时直放站上行增益为50dB，直放站上行噪声系数为8）。

B、WCDMA直放站上行输出电平增加值ΔPREP-UP的特点
正常情况下直放站覆盖范围内每增加一个用户其上行输出电平增加值ΔPREP-UP可能为零点零几dB（如实例一的话务量分布情况四），也可能为几个dB甚至十几dB,如果实例四中将上行增益调整为50dB时，其上行输出自身噪声电平值NREP-UP就为
－53dBm，但在话务量分布情况二下直放站上行输出的有用功率的PUE-REP还是为－36dBm，这时直放站上行输出总功率值PREP-UP略为－35.9dBm，增加第一个用户后直放站上行输出电平增加值ΔPREP-UP＝－35.9－（－53）＝17.1dB。ΔPREP-UP与直放站上行增益成反比，与施主基站话务量成正比，与直放站覆盖范围内已有话务量成反比。

C、WCDMA直放站上行输出总功率电平值PREP-UP的特点
直放站上行输出总功率电平值PREP-UP与直放站到基站的综合路径损耗LNodeB-REP和直放站覆盖范围内的用户数成都成正比。一般情况下范围可以从－50dBm到0dBm。

　　2.4：WCDMA直放站上行输出功率的分析在产品设计中的应用

　　我们分析了WCDMA直放站上行输出的一些特点，接下来我们看看在产品设计中有什么借鉴意义呢？下面就本分析的应用初步谈一些自己浅薄的看法，不合理和不完善之处还请大家斧正和完善。

应用一：确定上行功放检波范围和额定功率

　　 我们知道GSM直放站上行功放的额定输出功率一般与下行功放额定输出功率相当，但从我们上面对WCDMA直放站的分析来看，WCDMA直放站一般上行输出功率较大的话也就为－20dBm左右，较小时为直放站上行输出自身热噪声，由于直放站上行最小增益为一般为50dB，所有直放站上行输出最小功率电平为直放站上行输出自身最小热噪声，为－50dBm，结合当前的检波器检波范围，因此可以将WCDMA直放站上行输出的检波范围定为－55dBm～－5dBm是恰当的。
对于WCDMA直放站上行功放额定功率如何确定呢，由于我们上面都是在正常情况下讨论的上行输出功率，我们现在就在一种较极端的情况下看看WCDMA直放站的上行输出功率，条件如下：

基站导频功率PCPICH（导频功率占总功率按10％计）：33dBm
直放站下行输入导频功率PCPICH－REP：－80dBm
基站到直放站的综合路径损耗LNodeB-REP：113dB
直放站上/下行增益GREP-UP/GREP-DN：90dB/90dB
无话务时直放站上行输出功率PREP-UP（此时相当于直放站输出自有上行热噪声NREP-UP）：
PREP-UP =NREP-UP =KTB+NFREP-UP＋GREP-UP＝－108＋5＋90＝－13dBm

假设此时基站由于话务量较高且受到较大的外干扰，UE到达基站的功率电平PUE-NodeB要为－110dBm才能满足Eb/No为5的要求，那么此时每用户从直放站上行输出电平PUE-REP要为：
PUE-REP＝PUE-NodeB +LNodeB-REP = -110+113=3dBm

假定施主基站是一个三载波基站，直放站覆盖范围内最多时有30个用户进行通信，那么此时直放站上行总输出功率电平PREP-UP/ 64为：
PREP-UP/ 30 ＝NREP-UP + PUE-REP/ 30＝10Lg(1/101.3+30*100.3)＝18dBm
要使直放站达到18dBm的上行输出功率需同时满足以下三个条件：
A、 直放站下行输入特别小（或直放站与基站的路径损耗特别大）；
B、 基站话务量特别大或受到较大的干扰；
C、 直放站覆盖范围内话务量也很大。
要同时达到满足这三个条件的概率是非常小的，即使条件B或C存在，运营商也会采
取措施，如去除干扰或增建基站解决。因此在WCDMA直放站产品设计中上行功放额定功率达到20dBm（100mW），就足够任意类型WCDMA直放站的上行输出功率要求了（即便是一个20W的WCDMA直放站），而不用象GSM直放站那样上下行功放额定功率要大致一样，采用这种设计能减少不少成本。

　　应用二：通过上行输出功率的变化大致判断直放站覆盖范围的话务量
　　　　
　　我们可以设计这样一段WCDMA直放站监控程序，通过读取直放站内置WCDMA MODEM内的信息，判断出目前施主基站的导频信号强度，现场调试时人工通过监控软件读取，人为输入直放站无话务时上行输出自有上行热噪声NREP-UP的数值，日后在维护过程中，如果有人员调整了直放站的上行增益，则监控软件也自动紧接着相应调整NREP-UP 。直放站在运行过程中，每过几秒钟就读取PREP-UP的大小，将一小时内所有读取的数值进行平均，将24小时中最大的平均值每天进行上报，然后与施主基站这一时段总接收功率NodeBRTWP的平均值进行比较（需要WCDMA基站具备该项功能），按照一定的算法（可以在直放站网管上附加这样一个功能）可以粗略计算直放站覆盖范围内的话务量。另外还可以通过PREP-UP平均值及时发现网络是否存在问题，为网络优化提供一定的参考。

参考文献

［ 1 ］ 孙宇彤 CDMA空中接口技术 北京 人民邮电出版社
［ 2 ］周健咏 WCDMA系统容量外场测试解析 通信产业报 2005年第2期
［ 3 ］潘兆辉 关于3G基站覆盖半径的估算 泰尔网
［ 4 ］佚名 扩频系统的接收机灵敏度方程 MAXIM员工应用笔记