WCDMA室内分布系统中直放站应用的研究
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1 概述
现代化城市的人口和楼宇日趋密集，如何克服楼宇所带来的穿透损耗，为室内用户提供高质量的移动通信业务，成为目前移动通信网络的难点和重点。而WCDMA由于其在频段采用、业务分布和技术特点等方面的因素，对室内覆盖提出了更高的要求。
就频段分配而言，2GHz的频段与原有第二带移动通信800MHz～900MHz频段相比，具有更大的穿透损耗，不利于室内的有效覆盖；就业务分布而言，WCDMA着眼于高速数据业务的提供，意味着将有更多的用户和更大比例的业务分布在室内；从技术特点来说，WCDMA作为自干扰系统，容量和覆盖密切相关，高系统负荷和高路径损耗，都将直接导致基站覆盖能力的下降。
因此，室内覆盖成为目前WCDMA网络规划和建设的难点和重点。而采用“多天线、小功率”设计思路的室内分布系统，则是目前解决WCDMA室内覆盖的主要方式。
2 WCDMA室内分布系统
室内分布系统是目前最常见的一类室内覆盖系统，此类系统采取“多天线、小功率”的设计思路，将基站/射频拉
远/直放站等信源信号，通过有源放大设备和无源线缆、器件均匀地分配到多个末端天线，从而实现室内建筑物的3G 覆盖。
室内分布系统结构上可以分为信源和分布系统两部分，其原理框图如图1所示：
图1 室内分布系统原理框图
2.1 信源
室内分布系统根据覆盖目标话务情况和建筑物结构空间特点，可采用包括宏基站、微基站、射频拉远和直放站在内
的各种信号源。
宏基站（Macro Site），一般指单载扇发射功率≥40d B m （10W ）的基站，可支持多扇区多载波，根据其
发射功率大小和所支持的载扇数，配置的语音信道数以
200～1200不等。由于其具有较大的覆盖能力和容量配置，
【摘要】文章首先介绍了WCDMA室内分布系统的结构，然后分析了直放站对施主底噪、上行覆盖、上行容量的影响，并得出结论：在直放站的引入中，应该从施主基站选择，直放站使用和分布系统设计等多方面进行综合考虑。【关键词】WCDMA 直放站 室内分布系统 空载底噪
WCDMA室内分布系统中
直放站应用的研究
陈晓冬 中国电信股份有限公司广州研究院
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所以多数用于大规模和高容量的室内覆盖场景。
微基站（Micro Site），一般指单扇区配置的紧凑型基站，一般单载扇发射功率≥24dBm，可支持最大为单扇双载，语音信道数量一般在200以下。其覆盖能力和容量较小，适合于中等规模和中等话务量的室内覆盖场景。
射频拉远（Radio Remote Unit），是将基站射频模块与基带处理模块在物理上分离，其间通过光纤传输基带调制后的中频信号。射频拉远在逻辑上仍然相当于一个宏基站扇区，其覆盖能力和容量与宏基站单扇区相当。
直放站（Repeater），通过无线射频耦合或光电转换的形式，将施主基站覆盖区域进行扩展或转移，从而实现室内覆盖。直放站本身不具备容量，仅扩展或转移覆盖范围，适用于对话务量需求较低、满足覆盖需求为主的室内覆盖场景。
从严格意义上来说，由于直放站并不具有独立的容量，仅作为网络末端的信号放大设备，因此不能称为真正的信源。但由于其成本低、安装方便，在室内分布系统中得到了广泛的应用。而在规划设计中，也往往将其作为一类特殊的室内分布信源看待。
但是，直放站的引入在带来成本和安装的诸多好处的同时，也不可避免地产生施主基站空载底噪抬升、覆盖容量下降等问题，而研究和评估室内分布系统中直放站引入所带来的影响，正是本文所要解决的问题。
2.2 分布系统
分布系统的作用在于实现信源信号往室内各分布天线的均匀分配，按照其采用器件和有源设备的不同，可以分为同轴电缆分布系统、光纤分布系统和五类线分布系统。
同轴电缆分布系统是室内分布系统中最为成熟和比较常用的一种方式，主要由信源、同轴电缆、功分器、耦合器、放大器、分布式天线等器件构成。同轴电缆通过合/分路器组成树状网络，网络末端连接到预定位置上的分布式天线。信源信号通过馈线传送到各处天线，在室内形成均匀有效的覆盖。根据同轴电缆分布系统中除信源外是否采用有源器件，可分为两种，即无源分布系统和有源分布系统。
光纤分布系统通过光电模块，将射频信号转换为光信号后，在光纤中传输，大大减小了射频信号的传输损耗，增加了传输距离。
五类线分布系统在分布系统的构造上，用光纤和五类线代替了部分同轴馈缆，实现了射频信号转化后在光纤和五类线中的传输，减小了布线的难度。
采用了有源器件的分布系统，也会对施主基站空载底噪产生影响，为简化分析过程，在没有特别说明时，本文仅考虑无源分布系统。
3 直放站对施主基站底噪影响
在正常使用时，直放站作为有源设备，必然引入热噪声，因此对施主基站的影响直接体现在对其空载底噪的提升上。而施主底噪抬升的程度，与直放站噪声系数、个数、功率以及连接方式相关。
3.1 单个直放站
单个直放站原理图如图2所示：
图2 单个直放站原理图
当施主基站仅连接单个直放站时，底噪抬升量按照以下公式计算：
由于基站和直放站间一般通过宽频无源线缆进行连接，因此可以认为上行衰减与下行衰减基本相同，即
在工程设计中，一般会通过测量基站和直放站的实际输出功率来调节直放站增益，基站输出功率与直放站输出功率
的关系如下：
则底噪抬升公式可以转化为与输出功率、直放站上下行
增益差相关的形式，如下：
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若假设 ， ，并设置 ，则在不同的直放站输出功率下，基站空载底噪抬升如图3所示：
图 3 直放站输出功率与施主基站底噪抬升关系
可见，在直放站上下行增益相等的情况下，直放站下行输出功率越高，意味着直放站下行增益越大，由于上行增益等于下行增益，故上行增益也变大，直接导致施主基站底噪抬升量增大。
同样的道理，在相同的直放站下行输出功率下，即下行增益不变时，上下行增益差越大，相应的上行增益变大，也会导致施主基站底噪抬升。若假设 ， ， ，并设置，， 三种不同上下行增益差情况，则在不同的直放站输出功率下，基站空载底噪抬升如图4所示：
图4 直放站上行增益与施主基站底噪抬升关系
以上所得出的结论，对于室内分布系统干放也是同样适用的。3.2 直放站并联
在室内分布系统的直放站应用中，常常会出现一个施主基站带多个直放站的情况，多个直放站之间多数采用并联方式，如图5所示：
图5 直放站并联原理图
在直放站并联的情况下，施主基站底噪抬升公式如下：
假设各直放站噪声系数，以及上下行损耗和增益相同，则公式可简化为：
与上节单个直放站分析中使用相同假设，即：
则施主基站底噪抬升公式可以转化为：
可见，在多个并联直放站噪声系数、上下行损耗和增益差相同的假设下，接入n个直放站所造成的施主基站底噪抬升，与接入单个输出功率等于n个直放站输出功率之和的大功率直放站所造成的底噪抬升是一样的。
以上所得出的结论，对于室内分布系统干放也是同样适WCDMA室内分布系统中直放站应用的研究
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用的。
3.3 直放站/干放串联
在室内分布系统的某些应用场合，可能会出现直放站作为信源，连接有源分布系统的情况。最为常见的是直放站与干放的串联，甚至直放站与多个干放串联的现象，如图6所示：
在直放站/干放串联的情况下，施主基站底噪抬升公式如下：
与上节单个直放站分析中使用相同假设，即：
则施主基站底噪抬升公式可以转化为：
为方便比较直放站/干放并联和串联的区别，做如下假设：
即保证并联和串联所构造的室内分布系统，输出的下行总功率一致，能完成相同面积的室内下行覆盖，并假设各直放站/干放的噪声系数相同。为方便计算，取直放站/干放总个数为2， ， ， ， ， ，则施主基站随上下行增益差变化，其底噪抬升如图7所示。
可见，在相同总输出功率前提下，直放站/干放串联中，由于其前级有源设备对后级有源设备的噪声具有一定的增益（或衰减），所以其曲线斜率较大，即施主基站底噪随着上下行增益差变化所发生的变化更大。并联和串联的施主基站底噪抬升曲线相交于上下行增益相等时。
有一点需要特别说明的是，由于在常见的直放站/干放工程应用中，上下行增益差一般小于等于零，从图7可以看出，此时直放站/干放串联情况对施主基站底噪影响较小，那么是否意味着串联连接效果更好呢？
答案并非如此，基站底噪抬升直接影响基站原有覆盖区域的上行覆盖和容量，
而底噪抬升和直放站/干放上行增益设置，
共同影响直放站/干放覆盖区域的覆盖和容量。虽然在上下行增益差小于等于零时，串联对底噪影响较小，但由于串联总的上行增益较小，所以比较末端直放站/干放覆盖区域，其上行覆盖更弱，对应其手机发射功率更高，在上行覆盖受限的系统中，直放站串连意味着更差的覆盖效果。其理论比
较如图8所示。
4 直放站对上行覆盖的影响
引入直放站的主要目的是增强覆盖，因此直放站对其覆盖区域的上下行覆盖都会产生显著的影响。对于下行覆盖，
可以简单地通过下行链路损耗和直放站下行增益量化地计算
图 6 直放站串联原理图
图7 直放站串/并联上下行增益差与
施主基站底噪抬升关系
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出来，这里不作详细讨论。而目前业界对直放站覆盖的讨论主要集中在其对施主基站覆盖区域和直放站覆盖区域上行覆盖的影响上。
通过上节直放站对施主基站底噪影响的分析可以看出，直放站引入对上行覆盖的影响不但与上行链路损耗、直放站上行增益有关，而且与基站噪声系数、直放站噪声系数等所造成的施主基站空载底噪抬升有关。因此，本文仅对上行链路进行详细的分析。
4.1 施主基站覆盖区域
直放站引入导致施主基站空载底噪抬升，是造成施主基站覆盖区域的上行覆盖恶化的最直接原因。我们不妨以手机发射功率为指标来判断上行覆盖的恶化量值。我们假设上行要求的解调信噪比总是恒定的，则在施主基站覆盖区域，手机为实现基站接收端相同信噪比所抬升的发射功率，恰好等于施主基站空载底噪的抬升量。其计算公式如下：
公式中相关参数定义和假设见3.1章节，若假设 ， ， ，并设置 则在不同的直放站输出功率下，施主基站覆盖区域手机发射功率抬升如图9所示。
可见，对于施主基站覆盖区域，其手机发射功率随着该施主基站接入直放站的功率或数目的增加而增加。故直放站的引入必然会恶化施主基站覆盖区域的上行覆盖。
4.2 直放站覆盖区域
在直放站的正常使用下，直放站上行链路的增益会远远
大于其引入所造成的施主基站空载底噪抬升，所以对于直放站覆盖区域而言，手机上行发射功率会减少，即改善直放站覆盖区域上行覆盖。其减少量与无线环境、直放站天馈及参数设置等多种因素有关，在本文中不进行相关定量分析。
但考虑到在一般的室内分布系统工程设计和验收中，通常以下行天线口功率和室内覆盖区域边缘场强为标准，因此，我们不妨分别以基站和直放站为信源，覆盖相同或类似的室内覆盖场景，在下行覆盖场强相同的点上，比较使用直放站作为信源时，其手机上行发射功率与使用基站作为信源时的差别。
同样我们假设上行要求的解调信噪比总是恒定的，当使用基站作为信源时，手机发射功率仅与上行路径损耗和上行接收灵敏度有关。当使用直放站作为信源时，手机发射功率不仅与上行路径损耗和上行接收灵敏度有关，还与施主基站、直放站噪声系数和增益设置有关。其计算公式如下：
若假设， ， ， ，并设置
，则公式可以简化为：
在不同的直放站上下行增益差设置下，直放站覆盖区域
手机发射功率抬升情况如图10所示。
可见，随着直放站上行增益的增加，直放站覆盖区域
手机发射功率抬升量逐渐降低，上行覆盖改善；但同时，上图8 串/并联直放站覆盖区域手机发射功率差与
上下行增益差关系
图9 直放站输出功率与手机发射功率抬升关系WCDMA室内分布系统中直放站应用的研究
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行增益的增加会导致施主基站底噪抬升量上升，由上节施主基站覆盖区域的上行覆盖的分析可以得出，施主基站覆盖区域手机发射功率则会出现与底噪抬升量相同的上升趋势。但需要注意的是，基于本文的假设下，在相同的下行覆盖前提下，直放站作为信源的上行覆盖效果总差于基站作为信源直接覆盖的效果。
所以，在引入直放站后，直放站区域上行覆盖与施主基站覆盖区域上行覆盖是矛盾的。直放站覆盖区域上行覆盖的改善，会同时伴随着施主基站覆盖区域上行覆盖的恶化，因此，在直放站的使用中必须对这种情况给予充分的重视和评估，在改善直放站覆盖区域上行覆盖的同时，保证施主基站覆盖区域上行覆盖恶化量在可以接受的范围内。
5 直放站对上行容量的影响
WCDMA系统的下行容量一般受限于基站功率，上行容量则受限于上行干扰。因此，直放站引入对于下行容量的影响比较明显，其效果相当于将用户从远点等效到近点，使得基站能以更小的每用户功率发射，在下行功率受限情况下增大下行容量。
而对于上行，直放站引入对系统容量的影响要复杂一些，一方面，直放站能将上行手机信号放大，从而将远点用户等效为近点用户，提高上行容量；另一方面，直放站的引入，会导致施主基站空载底噪的抬升，从而降低上行容量。因此，考察直放站对上行容量的影响，必须综合考虑施主基
站覆盖区域及直放站覆盖区域容量变化。
某种单一业务上行极限容量计算公式如下：
其中
表示施主基站空载底噪，
和
表示该
业务扩频增益和解调信噪比，表示该业务的激活因子，
表示邻区干扰比，
表示在极限容量的场景下，到达基站
接收端的手机上行信号强度。
从公式中，我们可以看出上行容量与基站空载底噪直接相关，还与用户的上行路径损耗有关。为分析简洁，我们以语音业务为例，计算室内分布下的上行极限容量，其基本设
备参数假设如表1所示：
表1 业务容量基本参数表
图11给出在不同的平均路径损耗下，上行容量随施主基站空载底噪抬升的变化。
图11 施主基站底噪抬升与语音用户容量关系
通过计算数据并分析，我们可以得出两个方面的结论。（1）在相同的施主基站空载底噪抬升情况下，覆盖良
好的室内环境，系统极限容量远远大于覆盖相对较差的室内
环境。
图10 直放站上下行增益差与手机发射功率抬升关系
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（2）对于覆盖情况一定的系统，用户上行平均路损为123dB的覆盖良好的室内，一定量的底噪抬升对系统的极限容量影响并不明显，当底噪抬升10dB时，语音容量损失仅为5％；但对于用户上行平均路损为143的覆盖较差的室内，其施主基站空载底噪抬升对系统极限容量的影响较大，当空载底噪抬升2dB时，语音容量损失已经超过50％。
因此，我们可以认为，在正常的配置下，直放站的引入能大大改善目标区域的上下行覆盖，从而将远点用户等效为近点，提高系统的上下行容量；虽然直放站引入会导致施主基站空载底噪的抬升，但只要在室内分布系统的设计中保证区域的良好覆盖，则底噪抬升对上行容量的影响较小。
6 结束语
在室内分布系统的信源选择中，正确地选择和使用直放站是一种经济和有效的方案。直放站的引入会极大地改善目标覆盖区域的上下行覆盖和容量，但其带来的空载底噪抬升对施主基站覆盖区域的上行覆盖和容量会有一定的负面影响。
因此，在直放站的引入中，我们应该从施主基站选择、直放站使用和分布系统设计等多方面进行综合考虑。在施主基站的选择上，我们应该选取覆盖良好且容量有相当富余的基站；在直放站的使用上，我们应当综合考虑直放站上下行
增益差设置和施主基站空载底噪抬升，从而保证施主基站覆盖区域和直放站覆盖区域的上行覆盖要求；在分布系统的设计上，我们应当预计直放站引入所带来的上下行链路平衡性的变化，选取相应的边缘设计场强。
参考文献
[1]Janna Laiho. Radio Network Planning and Optimisation
for UMTS[M]. USA:John Wiley&Sons,2002.
[2]Harri Holma,Antti Toskala. WCDMA for UMTS：Radio
Access for Third Generation Mobile Communications[M]. USA:John Wiley&Sons,2002.
[3]叶银法,陆健贤等. WCDMA系统工程手册[M]. 北京：
机械工业出版社. 2006. ★
【作者简介】
陈晓冬：毕业于华南理工大学电子与通信工程系，工学硕士。目前任职于中国电信股份有限公司广州研究院。长期从事3G无线网络规划与
优化、B3G新技术研究与测试，以及其它宽带无线接入技术的研究工作。
爱立信日前宣布与Maxis Communications集团旗下的印度领先运营商Aircel签署了首个推送式电子邮件合同，为后者提供爱立信托管的消费者推送式电子邮件业务（consumer push e-mail）。根据这个为期三年的电信管理服务托管协议，爱立信将全权负责消费者推送式电子邮件业务，包括系统集成、管理、运营和维护。业务集成工作业已展开，此项业务计划于2008年第二季度正式投入商用。爱立信的消费者推送式电子邮件业务基于SMS/MMS（短消息/多媒体消息），可让用户通过手机和POP3邮件账户发送和接收电子邮件。此项业务拥有许多为消费者市场量身定做的特性，如多账户功能、用户无需在其手机上下载和安装任何客户端程序等等，因此很容易为大众所接受。
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