相关专题：
【摘要】文章结合塔顶放大器工程实际案例，通过链路平衡计算和测试验证，介绍了CDMA系统射频链路参数设计，可供移动通信工程技术人员参考。
1、概述
1.1 塔顶放大器在移动通信网络中的作用
塔顶放大器是安装在移动通信基站铁塔顶部的射频信号放大设备；可以分为单向放大和双向放大两类，单向放大的作用就是只放大上行（反向链路）信号／或下行（前向链路）信号；双向放大的作用就是既放大上行信号又放大下行信号，达到扩大覆盖范围的目的。
随着覆盖范围的扩大，用户增多，话务量增加，同频干扰增多，基站接收噪声电平升高，导致基站接收信噪比恶化；而CDMA系统采用功率控制技术和分集接收技术，增加塔顶放大器后，合理分配系统电平，保持链路参数在合理范围内，系统就能避开干扰，既可扩大基站无线信号覆盖范围，还可增加基站系统的容量。
塔顶放大器系统设备组成及其在移动通信基站中的连接关系如图1所示。
1.2 塔顶放大器工程应用需要解决的主要问题
塔顶放大器工程应用（设计安装调试），主要是解决链路平衡问题。应对前／反向链路参数进行设计分析和计算、安装调试，实际测试后，需重新调整和修正有关参数，以实现网络优化目标。
2、塔顶放大器工程链路参数设计
以云南保山市隆阳区羊邑电信所基站塔放设计为案例，对塔顶放大器工程链路参数设计进行分析。
2.1 前向链路电平设计计算
（1）前向链路的最大传输损耗
按CCIR模型：
LTmax（dB）=Pb+Gb-Ab+Gm-10Lg[ζp-（Ec/No，T）req（1+Io，oc/Io，sc）]-（Ec/No，T）req-（NoW）m （1）
式中：
Pb为基站发射功率（dBm）；
Gb为小区天线增益，本例取10dBi；
Ab为小区馈线系统总损耗，本例取5dB；
Gm为移动台天线增益，本例取0dBi；
ζp为发射功率中分配给导频信道的部分，本例取20%；
（Ec/No，T）req为导频码片能量对噪声谱密度之比，本例取-15dB；
Io，oc/Io，sc为其它小区干扰谱密度与同小区干扰谱密度之比，本例取2.5dB；
（NoW）m为移动台接收机的热噪声谱密度（移动台噪声系数取8dB），本例取-105dBm。
算得：
安装塔放前：Lmaxfo=153.5dB；
安装塔放后：Lmaxft=161.5dB；
前向链路传输总损耗比安装塔放前改善约8dB。
（2）小区前向覆盖半径
本例中，羊邑基站地处城市远郊，丘陵起伏较大，多数用户在丘陵／小山坡下，工作频段为PCS1900MHz，采用CCIRC传播模型，按下式计算：
Rkm=exp{2.303*[Lmax-129.64+2.91hm+13.82lghb-25lg10（%）]/[44.9-6.55lghb]} （2）
式中：
Lmax为链路最大传输损耗；
hm为移动台天线相对高度，本例取1.5米；
hb为小区基站天线相对高度，本例取30米；
%为建筑物覆盖的地面所占百分比，本例覆盖区域属丘陵地带，遮挡面积分别按Q=10%，20%，50%计算，结果见表1和表2。
表1 羊邑基站射频链路设计参数表
序号 前向链路 反向链路
参数指标 装塔放前 装塔放后 参数指标 装塔放前 装塔放后
1 工作频段 1975MHz～1990MHz 工作频段 1890MHz～1905MHz
2 Pc（dBm） 38 41*（39） Pm 23 23
3 Gc（dBi） 10-5*=5 10-1=9 Gm 0 0
4 SNRreq（dB） -14 -14 Ec/No（dB） -15 -15
5 Io，oc/Io，sc（dB） 2.5 2.5 Ga 3 3
6 （NF）m（dB） 8 8 （NF）c 5+5*=10 3
7 （NoW）m（dBm） -105 -105 （NoW）c（dBm） -103 -l10
8 ζp（%） 20 20 载荷X 50% 50%
9 Lmaxf（dB） 153.5 161.5 Lmaxr（dB） 151 158
10 B（dB） 2.5 3.5（1.5）
11 ζp*（%），B=0 15 13
12 Rkmf（km） Rkmr（km）
50%遮挡 1.5 2.53 1.27 2.0
20%遮挡 2.87 4.84 2.43 3.85
10%遮挡 4.7 7.78 3.98 6.28
注1：41*为设计值（塔放实际输出功率电平为4 3dBm，工程实际调整值为3 9dBm）。
注2：5*为基站天馈（50米馈线和避雷器等）附加总损耗按5dB计。
注3：ζp*（%）为B=0时，导频信号功率占总发射功率的百分比。
表2 羊邑基站塔放工程测试参数和计算结果
序号 前向链路 反向链路
参数指标 装塔放前 装塔放后 参数指标 装塔放前 装塔放后
1 工作频段 1975MHz～1990MHz 工作频段 1890MHz～1905MHz
2 Pc（dBm） 38 39 Pm 0 0
3 Gc（dBi） 10-5*=5 10-1=9 Gm 0 0
4 SNRreq（dB） -14 -14 Ec/No（dB） -9 9
5 Io，oc/Io, sc（dB） 2.5 2.5 Ga 3 3
6 （NF）m（dB） 8 8 （NF）c 5+5*=10 3
7 （NoW）m（dBm） -90 -90 （Now）c（dBm） -103 -110
8 ζp（%） 20 20 载荷X 50% 50%
9 Lmaxf（dB） 141 147 Lmaxr（dB） 128 135
10 B（dB） 2.5 1.5
11 ζp*（%），B=0 20 20
12 Rkmf（km） Rkmr（km）
50%遮挡 0.66 0.98 0.28 0.45
20%遮挡 1.27 1.87 0.54 0.86
10%遮挡 2.1 3.06 0.89 1.4
13 覆盖面积（km2） 13.8 29.4 2.5 6.2
注1：加装塔放前的计算结果与路测结果有可比性，加装塔顶放大器后，实际路测结果（1.89km见图3）比计算（1.4km）结果好，说明加装塔放后的工程计算（特别是反向链路的计算）是比较保守的。
注2：通常情况下，用户在小区边缘拔打电话时，手机功率都会自动增大到0dBm以上，最大可达20dBm；手机接收信号码片能量噪声比低于-9dB（或-13dB，甚至到-15dB），因此实际覆盖半径应大于测试半径。
注3：按哈塔模型或WIN模型计算所得小区覆盖半径都比较大（计算略）；选择CCIR模型；计算结果与工程实际较吻合。
2.2 反向链路电平设计计算
（1）反向链路的最大传输损耗
按CCIR模型，
Lmax=Pm+Gb-Ab+Gm-（Eb/No）req+PG-（NoW）c+10lg（1-X）+Ga （3）
式中：
Pm为移动台发射功率，取23dBm，工程测试按0dBm计算；
（Eb／No）req为小区基站接收的比特能量对噪声密度之比，取6dB；
PG=系统处理增益，本例为21dB；
（NoW）c为基站等效噪声功率（基站接收机噪声系数取5dB，塔顶放大器噪声系数取3dB）；
X为小区载荷系数，取0.5；
Ga为分集接收等效增益，取3dB。
算得：
安装塔放前：Lmaxro=23+10-5+0-6+21-（-108）-3+3=151（dB）；
安装塔放后：Lmaxrt=23+10+0-6+21-（-110）-3+3=158（dB）。
（2）小区反向覆盖半径
设小区载荷50%，遮挡面积分别按Q=10%，20%，50%，按式（1）计算，结果见表1和表2。
2.3 前向、反向链路平衡
前向链路功率过大，会对其它小区移动台造成不必要的干扰；而反向链路功率过大则会降低小区有效容量。因此需要对系统进行平衡，尽可能使小区前向链路覆盖范围与反向链路覆盖范围相吻合；在用户密度小的农村，前向链路覆盖面积可以略大于反向链路覆盖面积。
平衡因子B定义为：
B=L前向-L反向 （4）
工程设计可取B=1dB～2dB。
本例中，安装塔放前，前向链路覆盖略大于反向链路覆盖；导频信号可以由20%降低到15%，也可以适当降低基站发射功率（比如降到36.5dBm）实现前/反向链路基本平衡。
安装塔放后设计的计算值：B=3.5dB；调整功率后，B=1.5dB。
安装塔放后，如基站发射功率大于40dBm，则导频信号功率可以降到13%；实际工程中，将基站发射功率下调到39dBm左右（调整塔放增益或后台基站功率参数）；达到链路基本平衡目的。
链路设计参数见表1，工程测试计算参数见表2。
由表1看出，安装塔顶放大器前，羊邑基站前向覆盖最大4.7Km（空旷地），反向为2.5km，若用户在小山背后，基本上不能通话；加装塔顶放大器后羊邑基站前向覆盖范围可达8km左右，反向覆盖范围在6.5km左右（由地形、地貌决定）。可靠通信范围大约在半径4km范围内。
2.4 小区载荷和容量
（1）小区载荷
载荷是描述小区容量的简单方法。小区载荷X=工作的用户数／最大允许的用户数。CDMA系统干扰量正比于同区和邻区的用户数，容量是自我限制的。安装塔放前，设小区载荷为0.5，安装塔放后，由于基站总等效噪声系数改善约6dB～7dB，在同等干扰电平下，小区载荷可达到0.8，即可增加约30%的用户。安装塔放后一段时间内，掉话率降低；当用户容量接近饱和时，掉话率会明显增加。
（2）小区容量
这里指单载频小区的最大用户数。通常，反向平均话音激活因子Ar=O.4，载荷门限Xo=0.9，移动用户数据速率Rb=9.6kb/s，解码所需的Eb/No=6dB，当移动用户阻塞概率BCDMA=2%时，平均用户数为28，最大用户数为36；设忙时集中系数K=0.1，则小区最大用户数为360；设每用户每天平均呼叫C=5次，每次占用时间T=120秒，则每用户平均忙时话务量：
a=C*T*K/3600
=5*120*0.1/3600
=0.0167Erl/h
小区总话务量为
0.0167*360=6Erl/h
未安装塔放，当用户增多，需要基站发射较大的功率（按需分配）时，由于基站功率有限，部分“远距离”用户得不到足够的电平值，网络拒绝该用户接入或拆线，造成呼叫失败或掉线；而采用塔放后，基站发射功率余量较大（选用设备值比设计理论要求值高出2dB～3dB），当扇区激活的用户多时，基站有足够的功率按需分配到各用户，也就是说，移动用户需要多大电平，基站就给多大电平，保证所有用户有效接入（必要条件是：反向链路达到基站接收门限电平）；当用户不太多时，塔放负荷较小，提高了设备稳定性和可靠性。
取再用系数（收到的其它小区总功率／收到的本小区总功率）ζ=0.33，则多小区蜂窝网的小区容量只有单小区的75%。
3、工程测试结果
3.1 羊邑基站路测渲染图
保山市羊邑基站路测结果见图2，图3。测试结果说明：移动通信基站增加塔顶放大器，扩大无线信号覆盖范围的效果是明显的。
3.2 羊邑基站路测数据统计
羊邑基站路测数据统计结果见表3。
表3 羊邑基站测试数据统计汇总表
序号 项目名称 代号 测试要求 塔放关闭（%） 塔放开启（%） 改善（%） 备注
1 手机接收 Rx_AGC ≥-90dBm 4.93 28.64 23.71
2 手机发射 Tx_PWR ≤0dBm 43.3 64.02 20.72
3 Ec/Io ≥-9dB 85.65 96.6 10.95
4 误帧率 ≤3% 71.70 98.21 26.51
5 覆盖半径 0.9km 1.9km 111
6 覆盖面积（平方公里） 2.54 11.3 345
3.3 羊邑基站话务统计
安装塔顶放大器前，只有11个用户，因覆盖范围小，接通率低，部分用户拒付费甚或要求退网；安装塔放后，很快增加到60个用户，并一年发展到121户，增长了10倍；话务统计见表4。
表4 羊邑基站话务统计
序号 用户数 话务量 起呼总数 成功总数 掉话率% 抽样统计时间
1 121 1.44 1804 1765 1.17 2005.6.29
2 121 1.57 2075 2035 1.36 2005.6.30
3 121 1.57 2101 2060 1.15 2005.7.0l
3.4 勐统基站话务统计
昌宁县勐统基站安装塔放前，有182个用户（占容许容量的51%），投诉多；安装塔放后，用户增加到314个，增长了72.5%，接近最大容量时达87%；话务统计如表5所示：
表5 昌宁县勐统基站安装塔放后话务统计
序号 用户数 话务量 起呼总数 成功总数 掉话率% 抽样统计时间
1 314 2.64 6207 6125 0.82 2005.7.19
2 314 2.82 6153 6036 1.60 2005.7.20
3 314 3.07 6267 6163 1.07 2005.7.21
4、结束语
工程测试和话务统计结果表明：安装塔放后，没有引起系统干扰，用户和话务量明显增加，掉话率在2%内。
