塔顶放大器对UMTS网络覆盖的影响分析

邓梁

摘要：本文给出了塔顶放大器对UMTS网络覆盖的影响分析。分析了塔放的基本工作原理和作用，以及在UMTS网络中，如何对网络的覆盖产生影响和根据其影响在WCDMA网络规划的应用。

关键词：塔顶放大器；噪声系数；覆盖

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）18-0214-02

1 概述

UMTS作为3G技术体制中的一种，仍在欧洲、拉丁美洲、亚太等国家广泛运营。在UMTS网络中，塔顶放大器是一种用于放大上行天馈线射频信号的元器件，简称塔放[1]TMA（Tower mounted Amplifier）。一般位于塔顶，与基站天线通过跳线连接，以减少天线接收信号衰减，从而降低接收机噪声系数，使网络上行覆盖获得一定增益。

网络工程搬迁、扩容、优化时，关注覆盖、容量、成本之间进行均衡，以达到预期的网络规划和优化目标。本文将重点分析，UMTS网络在引入塔放后，对网络覆盖的影响。

2 塔放原理分析

塔放在天馈系统中的位于塔顶，与基站馈线通过一根2m～3m长的跳线连接。

信号先经塔放放大再经馈线衰减，以减少信号的衰减、降低噪声系数，等效于提高基站接收的信号输入电平及降低其噪声系数影响，有利于高质量地解调信号。应用塔放可降低基站接收系统噪声系数，提高基站接收机灵敏度。

其中，虚线为基站接收机内部相关设备。NTRX和背板为基站设备中的设备单元；NDDL为低损耗电缆。天线接收的信号首先经双工器滤除带外干扰，后由塔放放大信号，再由低损耗电缆将放大后的信号送入背板。下文将分别给出在天线口、塔放口、机顶口的噪声系数，以计算接收机灵敏度和链路损耗。

2.2 天线口噪声系数

1）不配置塔放：天线口噪声系数=机顶口噪声系数+馈缆损耗+接头连接器损耗+跳线损耗。

对于2100频段的UMTS网络，天线口噪声系数默认2.2dB。

2）若配置塔放：天线口噪声系数=塔放口噪声系数+塔放口到天线口跳线损耗（默认0.3dB）。

2.2 塔放口噪声系数

首先介绍一下级联放大器噪声系数。基站接收系统有源器件和射频导体中的电子热运动引入了热噪声，使系统接收的信噪比下降、基站接收灵敏度降低。在信号传输中利用级联放大器原理来改善系统热噪声影响，

噪声系数通常采用Friis公式[2]进行计算：

其中，NF：Noise Figure级联噪声系数；

NF1-NF3：分别为级联放大器第一级至第三级噪声系数；

G1-G3：级联放大器第一级至第三级增益。

上式中G1、G2若足够大，级联放大器噪声主要取决于第一级的噪声系数NF1。噪声系数等于其损耗值，而增益为其损耗值取倒数。

利用级联放大器原理，塔放即为基站接收系统前端（紧靠接收天线下）放置的低噪声放大器，以降低馈缆损耗对接收机灵敏度的影响，改善基站接收性能。根据Friis公式，塔放口噪声系数可按下式计算：

2.2 机顶口噪声系数

信号接收通道为NDDL到天线口这一段信号通过的路径。网络未配置塔放时，接收通道增益一般是固定的；配置塔放后，为使整个接收通道增益维持不变，需要调整NDDL的增益，这使机顶口噪声系数发生变化。

计算步骤：

①根据馈缆损耗与塔放增益算出调整后的NDDL增益；

②NDDL不同增益对应的NDDL噪声系数可查表1，再根据背板和NTRX损耗，按下式计算机顶口噪声系数；

③根据公式（2），可计算塔放口噪声系数。

机顶口噪声系数计算举例：

①假设通道增益需要维持38dB，对于馈缆损耗2dB、塔放增益12dB情况下，NDDL增益为38-12+2=28dB。②此时噪声系数典型值2.3dB，背板和NTRX的损耗为27dB，这时可以计算得出机顶口噪声系数为：

③假设馈线系统的损耗为2dB，系统不配置塔放时，查表1，NDDL的噪声系数为1.6dB，机顶口噪声系数为2.2dB，因此馈线系统和NDDL的级联噪声系数为=（2+2.2）=4.2dB；同样假设下配置塔放，馈线系统的损耗为2dB，塔放增益为12dB（规格分12dB和24dB两种），塔放噪声系数为2dB，NDDL的噪声系数为3.96dB，根据等效噪声系数级联公式（2），可以计算出塔放、馈线和NDDL的级联噪声系数为2.48dB。由此可见，有塔放时的噪声系数比无塔放时的噪声系数优1.72dB。

取相同NDDL增益，馈缆损耗1-6dB时，计算不同塔放增益情况下噪声系数改善值为0.8～5.1。

2.3 接收机灵敏度

接收机灵敏=噪声谱密度（dBm/Hz）+带宽（dBHz）+接收系统噪声系数（dB）+C/I（dB） （5）

前三者为系统底噪。C/I为空口信噪比要求。UMTS采用扩频通信系统时，由于扩频增益作用，C/I远远小于基带解调性能要求，一般为负数。

基站上行在天线口处的接收灵敏（dBm）=-174 （dBm/Hz）+10lg[1000 *带宽（kHz）]+天线口噪声系数（dB）+基站接收机噪声系数（dB） （6）

增加塔放后噪声系数降低将使基站上行接收灵敏度将提高，其提高量等于噪声系数的改善量。

3 塔放对UMTS网络覆盖的影响分析

无线通信系统中，基站和终端发射功率和接收灵敏度的差异会造成上、下行功率不平衡，会出现终端能收到基站信号，而基站收不到终端的信号（称为上行受限），因此，基站覆盖范围取决于终端到基站的上行有效距离，本文通过路径损耗衡量。

2.3 上行覆盖影响分析

根据链路预算计算方法[3]，小区边缘处的最大路径损耗（dB）=[全向等效发射功率（dBm）–（接收机灵敏度（dBm）–天线增益（dBi）+人体损耗（dB）+干扰余量（dB）–软切换对抗快衰落增益（dB）+快衰落余量（dB））]–建筑物穿透损耗（dB）–慢衰落余量（dB）+软切换对抗慢衰落增益（dB） （7）

根据上文，配置塔放后噪声系数降低0.8～5.1dB，可等效为上行接收灵敏度提高0.8～5.1dB。从上式得出，基站上行接收灵敏度提高，意味着允许的上行最大路径损耗增加。根据链路预算原理，允许的最大路径损耗增加意味着小区半径增大，即小区的上行覆盖范围增大。

小区覆盖半径由最大路径损耗和传播模型决定。若采用COST231-HATA 模型，传播损耗计算公式为：

4 案例分析

输入：假设密集城区场景，采用COST231-HATA传播模型，语音业务类型，信道模型为TU3（速率为3Km/h的典型城区信道），基站有效高度为30米，移动台天线高度1.5米。

无线网络环境按照用户的密集程度，一般分为密集城区、普通城区、郊区、农村、高速路等场景，场景参数设置如表1。

采用公式（8）和（9）链路预算方法计算路径损耗、小区覆盖半径，并通过文献[3]计算覆盖面积。

①配置塔放后，不同馈缆损耗对上行覆盖的影响：

无塔放时，随馈缆损耗的增加，小区半径从0.47Km降低到0.34Km，站点覆盖面积从0.43Km2降低到0.23Km2；使用塔放后，小区覆盖半径为0.49Km～0.47Km，站点覆盖面积为0.47Km2～0.43Km2。上行覆盖半径增加了4.3%-38.2%

②配置塔放后，不同噪声系数对上行覆盖的影响：

设覆盖面积20Km2，塔放噪声系数0.5～4.5dB变化，馈缆损耗为固定值3dB，其它输入条件不变。

可以看出，塔放噪声系数越小，上行覆盖越好，所需的基站数目越少；随着塔放噪声系数的增加，小区半径和覆盖面积逐渐减小，站点数目逐渐增加。加装塔放的基站由于有效覆盖范围扩大、基站数目减少，可节省建设资金。

③配置塔放后，下行覆盖的影响

各场景类别覆盖半径分别减少了5%、4.7%、5%、4.7%和4.6%。

对大多数移动基站系统，通常其覆盖的问题是上行的问题，此处分析作为塔放使用场景的参考。

5 总结

塔放可减小接收机噪声系数，即提高上行链路基站接收机灵敏度，意味着允许的上行最大路径损耗增加。使小区的上行覆盖范围增加。这对上行覆盖差场景进行网络规划和优化具有指导意义，并且，同样覆盖要求情况下，可减少基站的投放，节约成本。

下行链路，终端接收机噪声系数为一固定值（如典型值为0.7dB），增加塔放不会影响噪声系数和终端接收机灵敏度，由于增加塔放而额外引入的塔放插入损耗（0.7dB），将给下行链路插损，使得下行路径损耗减小，导致下行覆盖半径减少。

因此，在实际网络中需要综合考虑，增加塔放来增加上行覆盖，将牺牲少量下行覆盖。

参考文献：

[1] 夏新仁.塔顶放大器在GSM网络信号覆盖优化中的应用[J].邮电设计技术，2003（2）：14-18.

[2] 苏文俊，陈海涛.塔顶放大器在LTE网络中的应用分析[J].电信网技术，2014（7）.

[3] 金亮.塔顶放大器原理及其在具体工程中的应用[J].电信技术，2007（2）.

[4] 李新.TD-LTE无线网络覆盖特性浅析[J].电信科学，2009（1）.

[5] 夏新仁，刘振雄，鲁世平.塔顶放大器+基站功率放大器在GSM网络信号覆盖优化中的应用[J].移动通信，2007，31（5）：39-42.