WCDMA系统覆盖容量分析

WCDMA系统覆盖容量分析1概述随着通信技术和微电子技术的飞速发展，第二代移动通信系统迅速发展，以其令人瞩目的优越性逐渐取代模拟系统。第二代移动通信系统提供的业务以语音业务为主，由于其频率资源、技术等方面的原因，所能提供的数据业务的传输速率很低。目前传统的语音业务已经无法满足人们的要求，数据业务的发展迫在眉睫。第三代移动通信系统是按照国际电联（ITU）提出的IMT-2000标准进行设计的新一代移动通信系统，简称3G系统。它不仅可为移动用户提供话音及低速率数据业务，而且能够支持丰富的多媒体业务，它在数据速率方面比第二代移动通信系统有很大的提高，而且还可满足用户同时使用多种业务的需求。目前，第三代移动通信系统的主流标准有WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA，这三种标准都采用了码分多址（CDMA）方式，因而3G系统是一种干扰受限制系统，具有软容量、自干扰等特点。3G系统支持的业务比较广泛，且业务速率变化范围较大，因此系统对不同速率业务的覆盖性能也有较大的区别。下面我们以WCDMA系统为例，具体介绍3G系统覆盖容量问题。WCDMA系统属于干扰受限系统，其覆盖不仅取决于最大发射功率，而且与系统负载有关。覆盖分析主要是基于链路预算的结果获得的。在进行覆盖计算时，需要假设小区所能够接受的小区负载。对于不同的建设时期，应该综合分析近期和远期的建设成本，合理选择不同的负载因子，比如对于建网初期，可以选择较小的负载因子，以实现广覆盖。对于不同的无线环境和建网目标的要求，我们可以采用不同的小区结构来满足不同的覆盖目标，在此基础之上，进行链路预算。WCDMA系统的容量也是受干扰限制的，主要是多址干扰。如果采用有效的技术措施，就能将多址干扰降到最低程度，可以极大地提高系统的容量。除了多址干扰的影响外，对具有多种速率业务的WCDMA系统来说，容量还要受到高比特率和高质量业务的限制。若话音业务的速率为9.6kbit/s，如一个用户使用了384kbit/s的视频业务，则相当于有384/9.6=40个话音业务在使用，因此影响了整个系统的容量。若一个正常话音业务的误比特率BER≤10-3，而某个E-Mail的业务要求BER≤10-9，在发送时就需要提高信扰比（Eb/No）。这样随着发射功率的增加，对其他用户的干扰也就会有所增加，从而降低了系统的容量。另外，就系统来说，每个用户发射功率的大小，对系统的整体容量也是有重要影响的。总之，由于WCDMA系统是自干扰系统，其容量、覆盖、质量之间密切相关。若容量增大，干扰随之增加，必然导致覆盖减小。降低部分连接的质量要求，可以提高系统容量，同时也可以增加覆盖能力。2链路预算2.1链路预算的基本原理所谓链路预算，就是通过对系统中前反向信号传播途径中各种影响因素进行考察，对系统的覆盖能力进行估计，获得保持一定呼叫质量下，链路所允许的最大传播损耗。在网络规划和设计之中，都需要进行链路预算。但是链路预算是大量的经验数据，对不同的地区来说，每个地区的无线环境情况都会存在差别，包括建筑物的密集程度、建筑物的材质、甚至是环境的背景噪声等都不相同，所以链路预算的结果只能提供粗略的路径损耗值，在实际的工程设计中，只能作为参考值，而不能用来指导工程建设。要得到比较准确的反映无线环境对电信号的影响结果，必须要在本地进行模型修正来得到。链路预算的基本模型如下图所示：链路预算的一般公式如下所示：最大允许路径损耗=最大发射功率-发射机馈线损耗+发射天线增益+接收天线增益-接收天线馈线损耗-接收机灵敏度-衰落余量链路预算可以作为一种为不同3G业务提供小区范围评估的有效方法。通过对系统中前反向信号传播途径中各种影响因素进行考察，对系统的覆盖能力进行估计，链路预算的结果被称为最大各向同性路径损耗。使用适当的传播模型可以将其转化为小区范围。链路预算中很小的变化可以导致初规划结果的大不相同。对于不同业务和比特率最大路径损耗不同。由于WCDMA系统的业务量是非对称的，即上行链路（由UE到NodeB的链路）和下行链路（由NodeB到UE的链路）的数据传输量不相同。在进行网络规划时，必须先计算两个不同方向的值。WCDMA系统的典型表现就是：上行链路是受覆盖限制的，而下行链路是受容量限制的。在无线设计中，下行链路预案算意义不大，上行链路预算中，各种因素相对比较确定，因此结果较为可靠。需要指出的是，对于不同的假设链路预算计算的结果变化会很明显。为了能够比较链路预算计算的结果，必须使用相同的假设。2.2链路预算算法介绍对于WCDMA系统来说，NodeB与UE之间的链路预算可以分为下行链路预算和上行链路预算两部分。以上图为例，分别对其进行说明。下行链路最大传播损耗为：PL_DL=Pout_BS-Lc_BS-Lf_BS+Ga_BS+Ga_UE-Mf-MI-Lp-Lb-S_UE上行链路最大传播损耗为：PL_UL=Pout_UE+Ga_BS+Ga_UE-Lf_BS-Mf-MI-Lp-Lb-S_BS在上述两式中所用的参数简要说明如下表：参数描述参数描述PL_DL下行链路最大传播损耗PL_UL上行链路最大传播损耗Pout_BS基站业务信道最大发射功率Pout_UE移动台业务信道最大发射功率Lc_BS合路器损耗Ga_BS基站天线增益Lf_BS馈线损耗Ga_UE移动台天线增益S_UE移动台接收机灵敏度（与业务、多径条件等因素相关）S_BS基站接收机的灵敏度（与业务、多径条件等因素相关）Mf阴影衰落余量（与传播环境有关）MI干扰余量（与系统设计容量相关）Lp建筑物穿透损耗（要求室内覆盖时使用）Lb人体损耗2.3链路预算参数说明2.3.1基站业务信道最大发射功率（Pout_BS）Pout_BS为系统参数，对于不同的业务取值不同。可以根据业务类型和所需的该业务信道覆盖范围确定。设定值定义在基站机顶天线口。2.3.2移动台业务信道最大发射功率（Pout_UE）3GPPTS25.101中规定了4个功率等级的UE，如下表所示：功率等级额定最大输出功率容差1+33dBm+1/-3dB2+27dBm+1/-3dB3+24dBm+1/-3dB4+21dBm±2dB在链路预算时，一般假设语音业务UE最大发射功率21dBm；数据业务UE最大发射功率24dBm。2.3.3基站合路器损耗（Lc_BS）合路器损耗在链路预算中无需考虑。2.3.4基站馈线损耗（Lf_BS）由于WCDMA系统工作在2GHz频段，基站机顶到天线间馈线损耗不可忽略，馈线损耗的典型值一般为5dB/100m。馈线损耗会降低接收机接收电平，从而对覆盖能力产生影响。使用塔放时，接收机放大环节移到馈缆之前，从而消除了馈缆损耗的影响。2.3.5基站天线增益（Ga_BS）基站天线增益定义为在水平平面中天线的最大增益。定向天线增益较大，用于城区覆盖。全向天线增益较小，可以用于乡村。全向天线增益的典型值为11dBi；65°定向天线增益为17dBi（3扇区用）。2.3.6移动台天线增益（Ga_UE）在链路预算中，通常假设移动台天线增益为0dBi。2.3.7干扰余量（MI）由于WCDMA系统为自干扰系统，其覆盖与容量密切相关，在链路预算中就表现为干扰余量的引入。干扰余量定义为（No+Io）/No，表示WCDMA系统自身的干扰使背景噪声提高地程度。对于上行链路，不同的负载水平对应不同的干扰上升，例如3dB的干扰上升对应50％的负载，4dB的干扰上升对应60%的负载；对于下行链路，负载与干扰的关系同样存在，但难以进行理论计算，需要通过仿真确定。在链路预算中干扰余量的取值由系统的设计容量要求决定。2.3.8阴影衰落余量（Mf）在移动传播环境中，接收信号功率电平将经受阴影效应，这使得收到的信号电平为一个随机变量。链路预算得到的路径损耗值为中值，由于阴影衰落，实际的路径损耗在此值上下波动。为了保证一定的边缘覆盖概率，需要留出一定的余量，即阴影衰落余量。通常假设阴影衰落服从对数正态分布。根据阴影衰落方差和边缘覆盖概率要求（运营商确定），可以得到所需的阴影衰落余量：Mf（dB值）=NORMSINV（边缘覆盖概率）×阴影衰落方差（dB值）其中，NORMSINV()函数为标准正态分布累积函数的逆函数。2.3.9建筑物穿透损耗（Lp）如果使用室外基站进行室内覆盖，需要考虑建筑物穿透损耗。建筑物穿透损耗与建筑物类型有关。一般来说，密集城区建筑物穿透损耗典型值为20dB，郊区为10dB，车内为10dB。2.3.10人体损耗（Lb）人体损耗的典型值为3dB。对于手持移动台来说，需要考虑人体穿透损耗的影响；数据终端由于使用方式不同，可以不考虑人体损耗影响。2.3.11基站接收机灵敏度（S_BS）基站接收机灵敏度是指接收机输入端为保证信号能成功地检测和解调，所需的业务信道最低接收电平。它的计算公式表示如下：S_BS=Eb/No+10lg(Rb)+KTW+NF_BS+IMRb：数据速率（信道编码前）KTW：热噪声密度，常温下等于-174dBm/HzNF_BS：接收机噪声系数，在数值上等于输入信噪比与输出信噪比的比值IM：干扰余量2.3.12移动台接收机灵敏度（S_UE）移动台接收机灵敏度是指接收机输入端为保证信号能成功地检测和解调，所需的业务信道最低接收电平。它的计算公式表示如下：S_UE=Eb/No+10lg(Rb)+KTW+NF_UE+IMNF_UE：移动台噪声系数，典型值7dB2.4链路均衡对于WCDMA系统而言，经过链路预算分析后得到的下行和上行最大允许传播损耗有可能不相等。当下行链路太强上行链路太弱时，对于处于切换状态的移动台而言，导频信道的强度指示移动台进行越区切换，但是移动台的反向发射功率不足以维持反向链路的功率要求，很容易导致掉话，这时导频信道就不再是协助切换而是干扰了。另一方面，若下行链路太弱而上行链路太强，在小区交界处，虽然移动台有足够的发射功率与两个基站同时通信，但是下行链路的信号太弱，移动台很容易失去与任一基站的联系。因此要求上下行链路达到均衡，均衡的系统可以使切换平滑并且降低干扰。这里，我们定义平衡因子B，它为下行链路最大允许传播损耗减去上行链路最大允许传播损耗。如果B0，则系统是下行链路受限；如果B0，则系统是上行链路受限；如果B＝0，则系统是平衡的。对于实际的系统设计，其规则是：B-δ时，则系统是下行链路受限；Bδ时，则系统是上行链路受限；-δ≤B≤δ时，系统是平衡的。其中δ是计算B时将所有因素考虑进去所能引起的偏差。3容量分析在WCDMA系统规划优化过程中，在满足了系统覆盖要求之后，需要分析系统容量，以满足系统要求。通常情况下，WCDMA系统容量受限的因素，不是上行负载太高，就是基站的最大发射功率过低。对于WCDMA系统来说，由于基站相对于移动台有较好的接收技术，如天线分集、多用户检测等，故WCDMA下行空间接口容量少于上行容量。由于话务的不对称，下载类型业务较多，相比之下，下行容量比上行容量更为重要。3.1上行负载首先，定义Eb/No为每用户比特能量除以噪声谱密度，其中，Gj为j用户处理增益，Sj为j用户信号，∑Si为总接收信号强度。SiSjGjNoEb/Pj为第j个用户收到的信号功率，其中W为码片率，γj为用户激活因子，Rj为用户j的比特速率，Itotal为基站总收到的宽带功率，包括热噪声功率。totaljIRjNoEbWPj)(11简化定义为：totalILjPj其中，Lj为一次连接的负载因子：jRjNoEbWLj)(11基站收到总的干扰I(在一个小区内)，Pn为热噪声功率。)(11totalNNntotalILjPjPII系统总负载因子定义为：totalULnNULIPLj)1(1当负载因子等于1时，噪声提升逼近无穷大，系统达到极限容量。上行负载因子还应该考虑其它小区的干扰因素，所以上行负载因子需修改成：NULLj1)1(其中α为其它小区干扰与本小区干扰之比。在WCDMA系统规划阶段中，干扰范围转化为链路上噪声提升量。在估计网络容量时涉及到几个参数如下