塔頂放大器對UMTS網(wǎng)絡覆蓋的影響分析

鄧梁

摘要：本文給出了塔頂放大器對UMTS網(wǎng)絡覆蓋的影響分析。分析了塔放的基本工作原理和作用，以及在UMTS網(wǎng)絡中，如何對網(wǎng)絡的覆蓋產(chǎn)生影響和根據(jù)其影響在WCDMA網(wǎng)絡規(guī)劃的應用。

關鍵詞：塔頂放大器；噪聲系數(shù)；覆蓋

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）18-0214-02

1 概述

UMTS作為3G技術體制中的一種，仍在歐洲、拉丁美洲、亞太等國家廣泛運營。在UMTS網(wǎng)絡中，塔頂放大器是一種用于放大上行天饋線射頻信號的元器件，簡稱塔放[1]TMA（Tower mounted Amplifier）。一般位于塔頂，與基站天線通過跳線連接，以減少天線接收信號衰減，從而降低接收機噪聲系數(shù)，使網(wǎng)絡上行覆蓋獲得一定增益。

網(wǎng)絡工程搬遷、擴容、優(yōu)化時，關注覆蓋、容量、成本之間進行均衡，以達到預期的網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化目標。本文將重點分析，UMTS網(wǎng)絡在引入塔放后，對網(wǎng)絡覆蓋的影響。

2 塔放原理分析

塔放在天饋系統(tǒng)中的位于塔頂，與基站饋線通過一根2m～3m長的跳線連接。

信號先經(jīng)塔放放大再經(jīng)饋線衰減，以減少信號的衰減、降低噪聲系數(shù)，等效于提高基站接收的信號輸入電平及降低其噪聲系數(shù)影響，有利于高質量地解調信號。應用塔放可降低基站接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)，提高基站接收機靈敏度。

其中，虛線為基站接收機內部相關設備。NTRX和背板為基站設備中的設備單元；NDDL為低損耗電纜。天線接收的信號首先經(jīng)雙工器濾除帶外干擾，后由塔放放大信號，再由低損耗電纜將放大后的信號送入背板。下文將分別給出在天線口、塔放口、機頂口的噪聲系數(shù)，以計算接收機靈敏度和鏈路損耗。

2.2 天線口噪聲系數(shù)

1）不配置塔放：天線口噪聲系數(shù)=機頂口噪聲系數(shù)+饋纜損耗+接頭連接器損耗+跳線損耗。

對于2100頻段的UMTS網(wǎng)絡，天線口噪聲系數(shù)默認2.2dB。

2）若配置塔放：天線口噪聲系數(shù)=塔放口噪聲系數(shù)+塔放口到天線口跳線損耗（默認0.3dB）。

2.2 塔放口噪聲系數(shù)

首先介紹一下級聯(lián)放大器噪聲系數(shù)?；窘邮障到y(tǒng)有源器件和射頻導體中的電子熱運動引入了熱噪聲，使系統(tǒng)接收的信噪比下降、基站接收靈敏度降低。在信號傳輸中利用級聯(lián)放大器原理來改善系統(tǒng)熱噪聲影響，

噪聲系數(shù)通常采用Friis公式[2]進行計算：

其中，NF：Noise Figure級聯(lián)噪聲系數(shù)；

NF1-NF3：分別為級聯(lián)放大器第一級至第三級噪聲系數(shù)；

G1-G3：級聯(lián)放大器第一級至第三級增益。

上式中G1、G2若足夠大，級聯(lián)放大器噪聲主要取決于第一級的噪聲系數(shù)NF1。噪聲系數(shù)等于其損耗值，而增益為其損耗值取倒數(shù)。

利用級聯(lián)放大器原理，塔放即為基站接收系統(tǒng)前端（緊靠接收天線下）放置的低噪聲放大器，以降低饋纜損耗對接收機靈敏度的影響，改善基站接收性能。根據(jù)Friis公式，塔放口噪聲系數(shù)可按下式計算：

2.2 機頂口噪聲系數(shù)

信號接收通道為NDDL到天線口這一段信號通過的路徑。網(wǎng)絡未配置塔放時，接收通道增益一般是固定的；配置塔放后，為使整個接收通道增益維持不變，需要調整NDDL的增益，這使機頂口噪聲系數(shù)發(fā)生變化。

計算步驟：

①根據(jù)饋纜損耗與塔放增益算出調整后的NDDL增益；

②NDDL不同增益對應的NDDL噪聲系數(shù)可查表1，再根據(jù)背板和NTRX損耗，按下式計算機頂口噪聲系數(shù)；

③根據(jù)公式（2），可計算塔放口噪聲系數(shù)。

機頂口噪聲系數(shù)計算舉例：

①假設通道增益需要維持38dB，對于饋纜損耗2dB、塔放增益12dB情況下，NDDL增益為38-12+2=28dB。②此時噪聲系數(shù)典型值2.3dB，背板和NTRX的損耗為27dB，這時可以計算得出機頂口噪聲系數(shù)為：

③假設饋線系統(tǒng)的損耗為2dB，系統(tǒng)不配置塔放時，查表1，NDDL的噪聲系數(shù)為1.6dB，機頂口噪聲系數(shù)為2.2dB，因此饋線系統(tǒng)和NDDL的級聯(lián)噪聲系數(shù)為=（2+2.2）=4.2dB；同樣假設下配置塔放，饋線系統(tǒng)的損耗為2dB，塔放增益為12dB（規(guī)格分12dB和24dB兩種），塔放噪聲系數(shù)為2dB，NDDL的噪聲系數(shù)為3.96dB，根據(jù)等效噪聲系數(shù)級聯(lián)公式（2），可以計算出塔放、饋線和NDDL的級聯(lián)噪聲系數(shù)為2.48dB。由此可見，有塔放時的噪聲系數(shù)比無塔放時的噪聲系數(shù)優(yōu)1.72dB。

取相同NDDL增益，饋纜損耗1-6dB時，計算不同塔放增益情況下噪聲系數(shù)改善值為0.8～5.1。

2.3 接收機靈敏度

接收機靈敏=噪聲譜密度（dBm/Hz）+帶寬（dBHz）+接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)（dB）+C/I（dB） （5）

前三者為系統(tǒng)底噪。C/I為空口信噪比要求。UMTS采用擴頻通信系統(tǒng)時，由于擴頻增益作用，C/I遠遠小于基帶解調性能要求，一般為負數(shù)。

基站上行在天線口處的接收靈敏（dBm）=-174 （dBm/Hz）+10lg[1000 *帶寬（kHz）]+天線口噪聲系數(shù)（dB）+基站接收機噪聲系數(shù)（dB） （6）

增加塔放后噪聲系數(shù)降低將使基站上行接收靈敏度將提高，其提高量等于噪聲系數(shù)的改善量。

3 塔放對UMTS網(wǎng)絡覆蓋的影響分析

無線通信系統(tǒng)中，基站和終端發(fā)射功率和接收靈敏度的差異會造成上、下行功率不平衡，會出現(xiàn)終端能收到基站信號，而基站收不到終端的信號（稱為上行受限），因此，基站覆蓋范圍取決于終端到基站的上行有效距離，本文通過路徑損耗衡量。

2.3 上行覆蓋影響分析

根據(jù)鏈路預算計算方法[3]，小區(qū)邊緣處的最大路徑損耗（dB）=[全向等效發(fā)射功率（dBm）–（接收機靈敏度（dBm）–天線增益（dBi）+人體損耗（dB）+干擾余量（dB）–軟切換對抗快衰落增益（dB）+快衰落余量（dB））]–建筑物穿透損耗（dB）–慢衰落余量（dB）+軟切換對抗慢衰落增益（dB） （7）

根據(jù)上文，配置塔放后噪聲系數(shù)降低0.8～5.1dB，可等效為上行接收靈敏度提高0.8～5.1dB。從上式得出，基站上行接收靈敏度提高，意味著允許的上行最大路徑損耗增加。根據(jù)鏈路預算原理，允許的最大路徑損耗增加意味著小區(qū)半徑增大，即小區(qū)的上行覆蓋范圍增大。

小區(qū)覆蓋半徑由最大路徑損耗和傳播模型決定。若采用COST231-HATA 模型，傳播損耗計算公式為：

4 案例分析

輸入：假設密集城區(qū)場景，采用COST231-HATA傳播模型，語音業(yè)務類型，信道模型為TU3（速率為3Km/h的典型城區(qū)信道），基站有效高度為30米，移動臺天線高度1.5米。

無線網(wǎng)絡環(huán)境按照用戶的密集程度，一般分為密集城區(qū)、普通城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村、高速路等場景，場景參數(shù)設置如表1。

采用公式（8）和（9）鏈路預算方法計算路徑損耗、小區(qū)覆蓋半徑，并通過文獻[3]計算覆蓋面積。

①配置塔放后，不同饋纜損耗對上行覆蓋的影響：

無塔放時，隨饋纜損耗的增加，小區(qū)半徑從0.47Km降低到0.34Km，站點覆蓋面積從0.43Km2降低到0.23Km2；使用塔放后，小區(qū)覆蓋半徑為0.49Km～0.47Km，站點覆蓋面積為0.47Km2～0.43Km2。上行覆蓋半徑增加了4.3%-38.2%

②配置塔放后，不同噪聲系數(shù)對上行覆蓋的影響：

設覆蓋面積20Km2，塔放噪聲系數(shù)0.5～4.5dB變化，饋纜損耗為固定值3dB，其它輸入條件不變。

可以看出，塔放噪聲系數(shù)越小，上行覆蓋越好，所需的基站數(shù)目越少；隨著塔放噪聲系數(shù)的增加，小區(qū)半徑和覆蓋面積逐漸減小，站點數(shù)目逐漸增加。加裝塔放的基站由于有效覆蓋范圍擴大、基站數(shù)目減少，可節(jié)省建設資金。

③配置塔放后，下行覆蓋的影響

各場景類別覆蓋半徑分別減少了5%、4.7%、5%、4.7%和4.6%。

對大多數(shù)移動基站系統(tǒng)，通常其覆蓋的問題是上行的問題，此處分析作為塔放使用場景的參考。

5 總結

塔放可減小接收機噪聲系數(shù)，即提高上行鏈路基站接收機靈敏度，意味著允許的上行最大路徑損耗增加。使小區(qū)的上行覆蓋范圍增加。這對上行覆蓋差場景進行網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化具有指導意義，并且，同樣覆蓋要求情況下，可減少基站的投放，節(jié)約成本。

下行鏈路，終端接收機噪聲系數(shù)為一固定值（如典型值為0.7dB），增加塔放不會影響噪聲系數(shù)和終端接收機靈敏度，由于增加塔放而額外引入的塔放插入損耗（0.7dB），將給下行鏈路插損，使得下行路徑損耗減小，導致下行覆蓋半徑減少。

因此，在實際網(wǎng)絡中需要綜合考慮，增加塔放來增加上行覆蓋，將犧牲少量下行覆蓋。

參考文獻：

[1] 夏新仁.塔頂放大器在GSM網(wǎng)絡信號覆蓋優(yōu)化中的應用[J].郵電設計技術，2003（2）：14-18.

[2] 蘇文俊，陳海濤.塔頂放大器在LTE網(wǎng)絡中的應用分析[J].電信網(wǎng)技術，2014（7）.

[3] 金亮.塔頂放大器原理及其在具體工程中的應用[J].電信技術，2007（2）.

[4] 李新.TD-LTE無線網(wǎng)絡覆蓋特性淺析[J].電信科學，2009（1）.

[5] 夏新仁，劉振雄，魯世平.塔頂放大器+基站功率放大器在GSM網(wǎng)絡信號覆蓋優(yōu)化中的應用[J].移動通信，2007，31（5）：39-42.