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GSM链路预算

课程目标：

●掌握链路预算需考虑哪些系统参数和设计参数

●掌握各项系统参数和设计参数的定义及推荐取值

●掌握一些常见链路预算的应用

参考资料：

●链路计算细则说明

●GSM网络优化教材大纲（高级）-修改

第1章链路预算分析1

1.1链路预算的定义1

1.2上下行平衡计算1

1.2.1上行链路预算中参数的影响分析1

1.2.2下行链路预算中参数的影响分析10

第2章MMMM错误！

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第3章MMMM错误！

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第4章MMMM错误！

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第一章链路预算分析

知识点

链路预算的系统参数和设计参数

链路预算中各个参数的定义和推荐值

一.1链路预算的定义

在移动通信系统中，无线链路分为上行和下行两个方向。

上下行平衡是影响无线网络覆盖的几个关键因素之一，因此，我们需要根据上下行平衡原则立场来进行链路预算。

一.2上下行平衡计算

图1.2-1功率估算模型

图1.2-1为功率估算模型图，链路预算的过程就是根据给定的各种系统参数和设计参数，来分析基站的上下行链路的功率平衡。

一.2.1上行链路预算中参数的影响分析

上行链路预算的计算公式：

最大允许空间路径损耗＝移动台发射功率（dBm）＋移动台天线增益（dB）－人体损耗（dB）－基站馈线损耗（dB）＋基站接收天线增益（dBi）－建筑物或车体穿透损耗（dB）－慢衰落余量（dB）－快衰落余量（dB）－干扰余量（dB）－基站接收灵敏度（dBm）

上行链路预算参数大致可以分为四类：

系统参数、移动台发射机参数、基站接收机参数、余量预留。

一.2.1.1系统参数

（1）载波频率

载波频率影响传播损耗，不同频率的无线电波在空间的传播模型不同，损耗也不同。

（2）系统带宽

在GSM系统中，接收机的带宽是200kHz（即53dBHz）。

（3）数据速率

GSM语音业务的全速率是9.6kbit/s，对应的半速率是4.8kbit/s；

GPRS数据业务中CS1－CS4的速率。

表1.2－1：

GPRS的数据速率

（4）背景噪声

背景噪声也叫热噪声，是由于电子的热运动产生的噪声。

热噪声公式如下：

N＝kTB

其中k－玻耳兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K；T－绝对温度（K）；B－系统带宽。

热噪声的谱密度为kT。

在室温（300K）条件下，可以计算得到热噪声谱密度为－174dBm/Hz。

一.2.1.2移动台发射机参数

（1）业务信道最大发射功率

对MS终端侧，根据GSM协议，手机的最大发射功率一般取值为2W（即33dBm）。

（2）转接头损耗

发射机至天线沿途各种器件对信号产生的衰减。

对于移动台，这个值通常忽略不计，0dB。

（3）发射天线增益

对于移动台而言，天线的尺寸不可能作得很大，通常是属于电小天线范畴。

同时移动台天线需要保证在任何方向都能可靠的进行收发，对于GSM系统的移动台，现阶段常用的是单极子天线和贴片倒F天线（PIFA），增益为0dBi。

一.2.1.3基站接收机参数

（1）天线增益

按照需要覆盖的区域不同来选择不同的天线增益，一般的情况见表1.2-2：

表1.2-2不同区域基站天线增益取值

（2）馈线、转接头、合路器损耗

天线至接收机沿途各种器件对信号产生的衰减。

通常取3dB作为链路预算用。

实际上，应根据实际的电缆类型、长度以及各种接头等器件的损耗值计算。

a）转接头损耗

一般情况下，对于一路馈缆来说，从收发信机到天线输入端共有6个接头，每个接头的损耗在0.05dB，那么共计0.3dB。

如果需要塔放，计算时需注意增加一个接头。

避雷器的损耗为0.2dB；

b）馈线损耗

基站侧，天线与射频前端通过馈线相连，根据使用的馈线型号和生产厂家的不同，馈线的损耗是不同的，我司采用的馈线的损耗见表1.2-3：

表1.2-3馈线损耗

在开阔地40m以上的DCS1800小区的主馈以及70m以上的高站（无论GSM还是DCS）均建议采用15/8的主馈缆，否则，主馈缆的损耗超过3dB，馈缆损耗过大。

另外，一般情况，每路馈线需1/2软跳线5m，引入损耗0.35dB。

（3）基站分路器损耗

由于基站在下行采用了合路器，对应的上行必然有分路器，因此必然带来了损耗，根据采用的分离器设备不同，损耗也不同。

我们将根据小区的载频数来确定使用哪种分路器。

表1.2-4各种分/合路器损耗

分/合路器类型

900M插入损耗（dB）

1800M插入损耗（dB）

CDUG

4.4

4.6

CEUG

3.5

3.6

CENG

5.3

5.5

CENG/2

5.3

5.5

ECDU

0.9~1.0

（4）业务信道所需的C/I

C/I为空口信噪比的要求，目标值随传播环境、移动速度、编码速率的不同而不同。

根据GSM协议要求，C/I≥9dB，在工程中一般会加入3dB的裕量，即C/I≥12dB。

（5）噪声系数

噪声系数有多种定义，常用于：

（a）度量天线端接收的环境噪声比热噪声高出的部分；

（b）信号通过接收机后，度量SNR降低的部分；

（c）考虑到天线端来的噪声源（常用于卫星天线），度量天线的噪声温度比接收机的噪声温度高出的部分。

在移动通信网络的链路预算中，噪声系数指的是基站接收机的噪声系数和移动台接收机的噪声系数。

当信号通过接收机时，接收机将对信号增加噪声，噪声系数就是对增加的噪声的一种度量的方法，在数值上等于输入信噪比与输出信噪比的比值。

当信号与噪声输入到理想的无噪声的接收机时，两者同样地被衰减或放大，信噪比不变，F＝1或0dB。

实际接收机本身都是有噪声的，输出的噪声功率要比信号功率要增加很多，所以输出信噪比变差了，F>1。

噪声系数属于接收机本身的属性。

GSM系统中常用的基站接收机噪声系数在协议中规定的是8dB。

（6）接收机灵敏度

接收机灵敏度是指接收机输入端为了保证信号能够成功的检测和解码（或保持所需要的FER）而必须达到的最小信号功率。

通信系统接收机灵敏度为

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

系统底噪＝噪声谱密度＋带宽＋噪声系数

C/I为空口信噪比要求，在窄带系统中C/I就是接收机基带解调性能要求，为正数；当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。

接收机灵敏度分为手机和基站，上行是基站接收，所以考虑基站接收机灵敏度。

例如语音业务的基站接收机灵敏度＝噪声谱密度（dBm/Hz）+带宽（dBHz）+噪声系数（dB）+C/I（dB）＝－174＋53＋8＋9＝－104dBm。

按照上述公式可以计算出各种情况下的基站接收机在理论上的参考值；在实际中，基站接收机灵敏度受到各种因素的影响，所以设备所能达到的接收灵敏度往往比理论上的计算值好很多。

（7）增加塔放对上行的影响

塔顶放大器（TMA）实质上是一个射频低噪声放大器（LNA）。

当增加塔放后，根据级联系统的噪声系数的关系可知，接收机的噪声系数将有所降低，从而使接收机的灵敏度得到改善，改善值一般在3dB左右。

一.2.1.4余量预留

（1）阴影衰落余量

阴影衰落也称为慢衰落，在计算无线覆盖范围时，通常认为阴影衰落值呈对数正态分布。

要达到指定的覆盖概率，在无线网络规划中必须给发射机（基站或终端）预留一定的功率用于克服衰落的影响，预留功率称为阴影衰耗余量，其取值与扇区边缘通信概率、阴影衰落标准差相关。

a）阴影衰落标准差

阴影衰落标准差与电磁波传播环境相关。

一般在城市环境中，阴影衰落标准差大约是8～10dB；在郊区或者农村环境中，6～8dB。

b）边缘覆盖率

为了评估阴影衰落情况下的通信链路的可靠性，在无线通信系统中使用覆盖概率来表征网络覆盖的质量。

覆盖概率是指在无线覆盖区边缘（或区内）终端与基站通信质量达到规定要求（如BER要求）的概率，覆盖概率包括位置概率和时间概率。

对于陆地无线通信系统，由于时间变化而给通信概率带来的影响很小，在规划中主要考虑位置概率的要求。

而覆盖概率可分为面积覆盖概率和边缘覆盖概率，面积覆盖概率定义的覆盖要求比较直观，而链路预算中直接使用边缘覆盖概率更为方便。

边缘覆盖率是决定覆盖质量的一个指标，其定义为在小区边缘接收信号大于接收门限的时间百分比。

在无线空间传播中，对于任何一个给定的距离，路径损耗的变化很快，路径损耗量可以看作是符合对数正态分布的随机变量。

如果按照平均路径损耗来设计网络，则小区边界上点的损耗值在50％的时间内会大于路径损耗中值，而另50%的时间内会小于该中值，即小区的边缘覆盖率只有50％，这样处于小区边缘的用户有一半的机会是难以得到希望的服务质量的。

为了提高小区的覆盖率，链路预算时需要预先留出衰落裕量，一般按照75%边缘覆盖率进行链路预算。

现在一般的要求城市达到90%，农村达到75％。

下面以满足75％的边缘覆盖率为例加以解释：

假定传播损耗随机变量为

，则

是dB上的高斯分布，设其均值为

，标准差为

，对应的概率分布函数为

函数。

设定一个损耗门限

，当传播损耗大于该门限，则信号达不到满足预期服务质量的解调要求，则在小区边缘，满足75％边缘覆盖率可以翻译为：

对于户外环境，传播损耗随机变量的标准差常取8dB。

则可得到对应75％的边缘概率（通信率）的裕量值：

具体可用图1.2-2和图1.2-3表示：

图1.2-2衰落余量示意图

图1.2-3衰落余量示意图——正态分布

上述图形表明，在进行网络规划设计时，需要留出5.4dB的裕量才能保证75％的边缘覆盖率。

如果要求90％的边缘覆盖率，可以查表推出需要留出10.3dB的衰落裕量。

c）面积覆盖率

实际工程中，常常对面积覆盖效率也非常感兴趣。

面积覆盖效率定义为在半径为R的圆形区域内，接收信号强度大于接收门限的位置占总面积的百分比。

该项与边缘覆盖率对应，在μ＝3、σ＝8dB时，边缘覆盖率90％对应于96％的面积覆盖率，75％对应于89％。

d）阴影衰落余量

在同样的无线传播环境下，决定阴影衰落余量的主要是覆盖概率，覆盖概率要求越高，预留的余量越大，最大覆盖范围越小，从而直接影响到基站的数量。

在实际网络中，由于建筑物的阻挡，基站布局并不规则，覆盖概率对基站数量的实际影响小于理论计算，但是基站数量随覆盖概率的增长而增长的趋势是必然的。

表1.2-5常用的边缘覆盖率和阴影衰落余量

边缘覆盖率（%）

阴影衰落余量/dB

0.53σ

0.68σ

0.85σ

1.04σ

1.29σ

1.65σ

2.06σ

注：

其中σ是阴影衰落标准差，一般取6、8、10

表1.2-5常用的面积覆盖率和阴影衰落余量

面积覆盖率（％）

μ＝3

μ＝4

σ＝8dB

σ＝10dB

σ＝8dB

σ＝10dB

边缘覆盖率（％）

阴影衰落余量/dB

边缘覆盖率（％）

阴影衰落余量/dB

边缘覆盖率（％）

阴影衰落余量/dB

边缘覆盖率（％）

阴影衰落余量/dB

13.2

17.6

11.8

15.6

12.3

8.3

11.3

8.5

7.1

0.5

1.6

0.3

注：

其中σ是阴影衰落标准差，μ是路径损耗指数

一般来说，在城区取σ＝8dB、边缘覆盖率取90％时，阴影衰落取10.3dB；农村σ＝8dB、边缘覆盖率取75％，则阴影衰落余量取5.4dB。

（2）快衰落余量（Rayleigh衰落余量）

快衰落是由于传播受到移动台周围（50~100个波长内）的散射体（主要指人为建筑物）或自然障碍（主要指树林）的反射在地面上造成多径波干涉，结果形成驻波场。

当移动台通过这个驻波场时，接收信号呈现短期衰落，场强起伏会。

恶化量指存在多径传播效应及人为噪声（主要是汽车火花干扰）的情况下，为了达到只有接收机内部噪声条件下的同样的话音质量所必需的接收电平的增加量。

在GSM系统中，语音和数据两种业务的恶化量均取3dB。

（3）天线分集增益

天线分集增益是基站采用分集技术带来的增益。

一般情况下，分集增益可以放在接收机灵敏度中考虑，也可以单独列出了考虑，BTS侧采用两路分集接收，分集增益一般为3dB。

（4）人体损耗

人体损耗是指手持话机离人体很近造成的信号阻塞和吸收引起的损耗。

人体损耗取决于手机相对于人体的位置：

对于手持机，当位于使用者的腰部和肩部时，接收的信号场强比天线离开人体几个波长时将分别降低4~7dB和1~2dB。

在语音业务的链路预算中一般取值为3dB；采用数据卡进行的数据业务的链路预算中取值为0dB；采用手机进行的数据业务的链路预算中取值很小，为了方便我们取值为0dB。

我司进行链路预算时一般设置3dB的人体损耗。

（5）穿透损耗

建筑物损耗与城市建筑风格、主体建筑结构类型相关，如混凝土结构建筑、砖混结构，窗户大小、风格等相关，根据实际覆盖区域的类型来决定建筑物穿透损耗。

表1.2-6一般情况下穿透损耗的取值

（6）干扰裕量

在GSM系统中，系统内部干扰主要有同频干扰、邻频干扰、交调干扰和近端对远端比干扰等，综合考虑这些干扰对链路预算的影响，得到一个干扰余量，一般取值为3dB。

一.2.2下行链路预算中参数的影响分析

下行链路预算的计算公式：

最大允许空间路径损耗＝基站发射功率（dBm）＋基站天线增益（dB）－基站馈线损耗（dB）－基站合路器损耗＋移动台接收天线增益（dBi）－人体损耗（dB）－建筑物或车体穿透损耗（dB）－慢衰落余量（dB）－快衰落余量（dB）－干扰余量（dB）－移动台接收灵敏度（dBm）

下行链路预算中的参数与上行链路预算的参数类似，也分为系统参数、移动台接收机参数、基站发射机参数和余量预留。

一.2.2.1系统参数

下行链路的系统参数除了载波频率不同之外，其他的基本上与上行链路的相同。

一.2.2.2基站发射机参数

（1）基站发射功率

基站发射功率有多种，具体可见下表：

表1.2-7基站发射功率

调整方式

发射功率

GSMK

40W

46dBm

GSMK

60W

47.7dBm

GSMK

80W

49dBm

8－PSK

30W

44.7dBm

（2）基站分/合路器损耗

同上行。

（3）基站馈线、转接头损耗

同上行。

（4）基站天线增益

同上行。

（5）新技术带来的额外增益

在我司的V3设备中，在RF模块中增加了一些新技术，从而可以对发射信号带来额外的增益。

我们认为由新技术DPCT带来的增益为2.5dB。

一.2.2.3移动台接收机参数

（1）移动台天线增益

同上行。

（2）移动台载干比

同上行，取决与协议。

（3）噪声系数

同上行的计算方法相同，这里取值按照协议值10dB来设计。

（4）移动台接收灵敏度

移动台的接收机灵敏度的计算同样可以采用前面介绍的通信接收机灵敏度的计算公式。

主要的区别在于C/I的取值和噪声系数和上行不同，这里噪声系数取10dB。

根据协议中规定的C/I值可以计算得到相应的理论上的手机接收机灵敏度。

详细的结果如下所示：

表1.2-8GPRS不同编码方式下的手机接收机灵敏度

GSM 900andGSM850

Typeofchannel

Propagationconditions

static

TU50

（noFH）

TU50

（idealFH）

RA250

（noFH）

HT100

（noFH）

PDTCH/CS-1

dBm

-102

-101

-102

PDTCH/CS-2

dBm

-98

-97

-98

PDTCH/CS-3

dBm

-96

-95

-96

-95

PDTCH/CS-4

dBm

-88

-87

DCS1800andPCS1900

Typeofchannel

Propagationconditions

static

TU50

（noFH）

TU50

（idealFH）

RA130

（noFH）

HT100

（noFH）

PDTCH/CS-1

dBm

-102

PDTCH/CS-2

dBm

-98

PDTCH/CS-3

dBm

-96

-95

PDTCH/CS-4

dBm

-88

-84

表1.2-9GPRS不同编码方式下的接收机灵敏度（实测值）

一.2.2.4余量预留

同上行。

第二章链路预算应用

知识点

掌握常用的链路预算

二.1链路预算的目的

在进行有关覆盖方面的规划、优化等相关工作时，其中一个非常重要的部分就是进行链路预算，通过链路预算得出一个上下行的最大路损值，然后再根据具体需求来进行下一步工作。

一个优良的系统应在设计时就要做好功率预算，使覆盖区内的上行信号与下行信号达到平衡。

否则，如果上行信号覆盖大于下行信号覆盖，小区边缘下行信号较弱，容易被其它小区的强信号“淹没”；如果下行信号覆盖大于上行信号覆盖，移动台将被迫守侯在该强信号下，但上行信号太弱，话音质量不好。

当然，平衡并不是绝对的相等，只要是在一定的范围内都是可以允许的。

下面主要介绍一下链路预算的一种最常见的典型应用——覆盖规划。

二.2覆盖规划

链路预算的一个比较重要、比较常见的应用就是进行覆盖预测。

尤其是在对一些规划方案的制作过程当中，作为规划三要素容量、覆盖、干扰之一的覆盖是不可避免的需要被重点考虑的，而考虑覆盖时非常关键的一个步骤就是链路预算，在得出了正确的上下行最大路损之后，我们再选用一种合适的传播环境，就能够进行在该环境下的覆盖半径预测了。

二.2.1传播模型

二.2.1.1传播模型的概念

从场强预测的公式可知，影响预测值的准确性的因素主要是传播路径损耗。

传播损耗的计算公式称为传播模型。

二.2.1.2传播模型的选择

目前有一些常用的传播模型，如Okumura-Hata模型、Cost-231模型、通用模型等，这些模型在一定的条件下是适用的。

对于某种传播环境，如何选择合适的传播模型呢？

一般需要考虑下列因素：

1、城区环境类型：

如密集城区（建筑物）、一般城区、郊区、农村等；

2、地形地貌特点：

如丘陵、开阔地、树林、水体、斜坡、山峰等；

3、覆盖区半径：

是大于20公里、小于20公里大于1公里；400~500米或更新；室内型的微蜂窝等等。

二.2.1.3传播模型的要求

预测结果与测试结果相比，平均偏差小于3dB，标准偏差小于8dB，不规则地形小于10dB，表明模型可用。

其中标准偏差越小,则预测的准确性越高。

二.2.1.4常用传播模型介绍

传播模型总体来说分为统计模型和决定性模型。

结合我没现在的规划所使用的相关商用软件，这里仅重点介绍一下适用于GSM移动通信的通用模型的相关情况。

最早由ERISSON提出。

其统一了Okumura-Hata模型和Cost-231模型的公式，并在城区和地形修正因子基础上，增加了地物的修正因子。

强调各个参数K都是可以利用测试数据进行修正的，也是常用的统计型模型。

适用条件：

GSM900/1800；基站天线有效高度为30~200米；移动台天线高度为1~10米；通信距离为1~35km。

该模型的传播损耗计算公式如下：

一段式

两段式

其中

=44.9；

=-13.82；

=-6.55；

——人为环境的修正因子（在城市默认为0）；

——绕射损耗系数，0~1之间（一般农村为0.9~1，城市0.5~0.65，郊区0.7~0.9）；

——绕射损耗（计算公式见Okumura模型的孤立山峰的计算）；

hb、hm——基站、移动台天线有效高度，单位为米，d的单位为km

为可由用户设定的分段点，默认为1km；

——见Okumura模型；

——见Okumura模型；只适用于城市；

——地物修正因子（两种方式选择）：

一是以移动台所处地物为准；另一种是移动台至基站天线方向一段距离的地物修正因子的加权平均。

（可以有更多的分段，一般而言，视传播距离和计算精度而定；通常使用一段式或两段式即可）

各种修正因子：

包括街道校正因子、郊区校正因子、开阔地校正因子、准开阔地校正因子、农村校正因子、丘陵地校正因子、一般倾斜地形校正因子、孤立山峰校正因子、海（湖）混合路径校正因子、建筑物密度校正因子。

这些因子同Okumura-Hata模型。

除此之外，还有地物修正因子，需要通过测试数据修正得到。

二.2.2覆盖规划具体步骤

1）计算出语音或GPRS业务（某一编码速率）在一定的假设条件下的最大允许路径损耗（即链路预算）；

2）根据最大允许路径损耗分别计算出语音或GPRS业务的小区覆盖面积；

3）若需要开通GPRS业务，选择其中最小的面积累计基站覆盖面积，以同时满足语音和GPRS业务的覆盖要求。

GPRS业务覆盖规划时的无线环境、传播模型等假设均与语音业务相同。

二.2.2.1链路预算

链路预算是覆盖规划的前提，通过计算业务的最大允许损耗，可以求得一定传播模型下小区的覆盖半径，从而确定满足连续覆盖条件下基站的规模。

通常情况下，应该分别从上行（移动台到基站）和下行（基站到移动台）两个方向进行链路预算，并实现上下行链路的平衡。

影响链路预算的因素很多，除了手机的发射功率，基站的接收灵敏度外，还有阴影衰落余量，建筑物的穿透损耗，业务的速率等，所以，链路预算也应该区分地理环境和业务种类进行。

实际计算语音和GPRS数据业务的覆盖范围时，应根据实际基站在各种环境下的接收灵敏度分别计算上下行语音/GPRS数据业务允许的最大路径损耗，然后根据相应的传播模型计算出每个小区的覆盖范围和覆盖面积，最后计算出满足覆盖所需要的最少基站数量。

二.2.2.290％边缘覆盖率下的链路预算

假设某GSM900基站TRX发射功率为40W，手机发射功率2W，天线增益15.5dBi，需要满足市区室外用户的语音业务和GPRS数据业务需求。

下列表给出计算上下行平衡的方法。

表2.2-1市区语音链路预算（4TRx配置）

Uplink

Downlink

RXS

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