第7章WCDMA系统无线网络规划

WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统无线网络规划7-1第7章WCDMA系统无线网络规划7.1概述随着第三代移动通信技术的兴起，UMTS网络的建立将带来一场深刻的革命，这对网络规划也提出了更高的要求。目前，引起了公众对这一新技术的极大兴趣。第三代移动通信网络的建设正方兴未艾。这一全新的移动通信技术与传统的GSM网络规划有着本质的不同。在全球范围内，人们正紧锣密鼓地开发和研制新的规划工具和计算方法，设计新的工作流程。UMTS同GSM网络规划的比较：1.GSM网络规划GSM网络规划基于基站的传播分析。根据基站的发射功率和天线配置，计算其覆盖区域。通常只对下行链路进行计算，因为GSM技术不考虑上行链路的情况。下一步是由网络规划工程师分析所需的小区容量。根据计算得到的小区面积，就可借助电子地图估算各个小区的业务量，再通过话务量模型（如Erlang-B或Erlang-C)算出所需的信道数目。接下来就是给基站分配频率，要做到相同的频率只能在具有足够间距的小区内重复使用，以免产生干扰。如果将来网络必须扩容，网络规划工程师只需给相应的小区分配新的信道。只要在总体频率规划中还有合适的频率，并且扩容量不超出基站的最大容量，就没有必要对网络作其它改动。否则，就必须增加新的基站或扇区，还要重新进行频率计算和信道分配。2.UMTS网络规划UMTS网规相对GSM网规来说，具有以下一些主要不同点：小区呼吸：CDMA网络与GSM网络完全不同。由于不再把信道和用户分开考虑，也就没有了传统的覆盖和容量之间的区别。一个小区的业务量越大，小区面积就越小。因为在CDMA网络中，业务量增多就意味着干扰的增大。这种小区面积动态变化的效应称为“小区呼吸”。可以通过下面这个形象的例子加以说明。在一次朋友的生日派对上，来了许多客人。同时讲话的人愈多，就愈难清对话方的声音。如果开始是您还能同位于房间另一头的熟人进行交谈，那么当房间内的嘈杂声达到一定程度后，您就根本无法听明白对方的话。这说明谈WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统无线网络规划7-2话区的“小区半径”缩小了。UMTS网络规划工程师面对的是一个动态变化的网络。在规划UMTS网络时，首先必须考虑网络的扩容性。网络规划工程师不可能象规划GSM网络那样，简单地给相关的小区增配频率。网络规划初期就必须考虑一个确定的信号余量，在计算小区面积时作为因业务量增多而产生干扰的“补偿”。这表明，从一开始，就需要用较小的小区或者更多的基站建网，这也意外着投资成本的提高。如果业务量信号余量定得太小，那就只有一条出路，即建造更多的基站。网络规划工程师必须注意到上述问题，因为单一地提高发射功率并不能消除因业务量增多而引起的接受信号的恶化。发射功率的提高只能改善某一小区的接受信号，其付出的代价是增加了对所有相邻小区的干扰，从而影响了整个网络的通信质量。提高发射功率不能无限期地扩大CDMA小区的有效范围或容量（对CDMA网络来说两者是同义词）。当UMTS网的发射功率提高一倍时，小区的容量只增加百分之十。发射功率的提高虽然增大了小区的有效范围，但是为满足远程手机用户的需要，必须超比例地增加发射功率，这必然影响到其他手机用户的通话质量。我们回到上述派对的例子，您可以通过提高嗓音同位于房间另一头的熟人继续交谈下去，而其他客人为了听清对方的声音也必须同时大声说话。这样一来，整个房间只能淹没在一片嘈杂声中。发射功率和小区容量之间的对应关系是渐近式的。UMTS网络规划工程师必须减少网络的满载率，因为UMTS小区的负载很容易达到饱和。具体参数取决于各种不同的业务，当然也与网络运营商愿意承担的风险有关。一般来说，设计网络时满载因子预设为百分之六十。在此，“小区呼吸”效应得到了应用。相邻小区之间可以相互补偿负载容量，人们称之为软负荷。由于成本原因，不能大规模地增加网络的容量。对数据传输量很高的UMTS业务所作的数学论证表明，服务小区从相邻小区借用负载容量的概率随数据传输量的增大而增加。这是一个令人满意的结果。远近效应问题：CDMA网络的另一典型问题是所谓的远近效应问题。因为同一小区的所有用户分享相同的频率，所以对整个系统来说，每个用户都以最小的功率发射信号显得极其重要。我们还是举上述派对的例子，房间里只要有一个人高声叫嚷，就会妨碍所有其他在座客人的交流。在CDMA网络中，可以通过调整功率来解决这一问题。例如UMTS网络使用的是一个闭环控制电路，其频率为WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统无线网络规划7-31500HZ。而GSM网络用于调整功率的控制电路频率为2HZ，并且只针对上行链路。这种所谓的快速功率控制机制已经在UMTS硬件得到了实现。尽管如此，网络规划工程师还会遇到这一问题的另一种情况。当某一用户远离基站时，必须得到很大一部分发射功率，以至供给其他用户的功率发生紧缺。这意味着小区容量与用户的实际分布情况有关。当用户密度很大时，可以用统计平均值解决这个问题；而当用户数量很小时，则必须通过模拟方法对网络进行动态分析。上行链路和下行链路：UMTS网络的业务量是非对称的，也就是说网络上行链路和下行链路的数据传输量有所不同。网络规划工程师首先必须分别计算两个方向的值，然后把两者适当地结合起来。这样，网络规划工作就会非常复杂。上行链路是UMTS小区有效范围一个典型的限制因素，或者说上行链路是受覆盖范围限制的（coveragelimited）；而下行链路是受容量限制的（capacitylimited)。在上行链路发射功率由用户手机提供；而在下行链路发射功率由基站供给。因此，小区容量在下行链路和下行链路的小区半径相等。在已经建立的CDMA网络中也会出现前面所述的一些问题。对UMTS网络来说，其复杂程度更高。UMTS网络能同时满足对通信质量和业务量具有不同要求的各种业务，包括简单的话音业务和传输率达2Mbps的分组数据业务。综合业务：实际上，UMTS网络必须同时满足各种不同业务的需求。所以，网络规划工程师要综合考虑各种业务。对通信质量要求不高的业务，UMTS小区有着较大的覆盖范围；反之，对一些通信质量要求很高的业务，其小区覆盖范围就很小。这样，网络规划工程师在实际工作中不可能只考虑单一的UMTS小区半径，因为不同的业务对应于不同的小区半径。如果把最小小区半径，也就是说把通信质量要求最高的业务作为网络规划的标准，那么建网成本是极其昂贵的，也是不现实的。未来的UMTS网络规划工程师中级业务的小区半径着手，这样，小区实际有效范围只能部分满足高级业务的需求。目前，各大网络规划软件公司已经着手开发和研制针对这种新的UMTS网络综合业务的有效算法。其它不同之处：UMTS网络与GSM网络相比，还有其它一系列不同之处。GSM网络用分区的方法解决容量问题。当一个小区的业务量过大时，该小区将分成多个扇区，并增加相应的天线。这种方法虽然也可用于UMTS网络，但效果不大。一方WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统无线网络规划7-4面，小区覆盖范围的改变会导致前面所述的远近效应问题；另一方面，相互重叠的扇区因为使用同一频率而彼此产生干扰。UMTS网络中天线的下倾角（机械或电子的）起到了很重要的作用。它能减少相邻小区的干扰，并能隐含扩大小区的容量。在实际应用中，可选择下倾角大而带来的不足。在WCDMA系统中，多径传播已不再成为消极因素，而是理想的结果。因为接收机能将时延至少为1Chip(UMTS网络数据传输率为3.84Mbps,即1Chip=0.26微秒，相当于78米）的信号组合成有效信号。此外，UMTS网络还使用所谓的软切换。在这种情况下，一个手机用户可以同时分派给多个基站。这种方式解决了网络信号的波动，但加大了网络的业务量，因为每个软传统的Erlang模型已不再适用。与第二代传统的CDMA网络相比，UMTS网络有许多不同之处。尤其值得一提的是，UMTS网络能异步运行，这就导致了传输信道的“非正交性”。让我们再回到前面派对的例子，即使理论上能作完满的安排，一确定谁在什么时间才能发言，但实际上这中理想的目标是不能达到的，因为所有客人的手表是不可能精确到同步的。通过上面的分析，可以清楚地看到，UMTS网络规划与当前的移动通信网络规划相比，其代价要大得多。UMTS网络规划是极其复杂的，因为许许多多的系统参数紧密相关，必须同时计算。而当前的移动通信网络规划则把这些参数分开计算。7.23G网络规划流程与第二代移动通信相比，第三代系统网络，引入大量各种比特大量业务，预测不同业务的模型是困难的。对于无线网络规划，包括在各种情况下，计算链路预算、容量和小区基站数目，同时要对基站覆盖进行预测，参数进行规划。除此之外，还需要整个网络进行策划，计算基站中信道单元的数目、传输线路容量、基站控制器、交换机等其他单元的数目。在规划中，需引入性能测量，如掉话率和闭塞等指标，衡量网络性能。在小区中均匀覆盖区域提供高比特业务，在小区边缘提供低比特业务。覆盖区域设计成连续覆盖，也可以是热点地区覆盖。不同业务，不同实施策略，需要进行仔细估计。无线网络规划可以分成几个阶段，准备阶段：(1)确定覆盖目标WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统无线网络规划7-5(2)确定容量目标(3)确定覆盖策略估算预测阶段(1)小区业务量估计(2)小区容量估计(3)覆盖范围预测(4)容量与链路计算规划调整阶段(5)无线覆盖优化调整(6)控制信道功率规划(7)导频规划(8)软切换参数规划(9)PN偏移切换经过一些列工作，得到无线网络环境特性、确定控制信道分配、规划切换参数后，可以进行详细覆盖分析。小区内干扰与总干扰之比，对于某小区而言是唯一的。在规划的过程中，不断对网络进行分析，并对干扰比例因子进行评估，在用这些因子来预测不同小区的覆盖。重复进行这迭代过程，直至达到收敛。用规划工具来使过程自动化，同时可以检测覆盖中的缝隙。通常情况下，3G网络业务是不均匀的，带来的问题是使性能下降。一方面，业务密集区域干扰增加，使质量变差。另一方面，质量可能过剩，造成浪费。系统效率可以通过自适应控制小区半径、天线方向和上行链路接收功率门限得到改善。小区半径通过调节导频功率来控制。考察到SIR高于所需的值，小区半径可以扩大，反之，小区半径就减少。分别改变（增加或减少）上行链路所需接收功率门限可以平衡上下行链路的小区半径。在分扇区的配置中，改变各扇区的中心角，可以均衡该基站的通信质量。7.33G无线网络天线7.3.1引言3G系统（包括WCDMA和CDMA2000）作为新一代移动通信系统，多址方式发生变化，变TDMA/FDMA为CDMA/FDMA方式，但就无线信号而言，仍然面临有效利用频率资源，减少网络干扰，最大效率完成电波信号的转化。基站天线是用户终端与基站控制设备间通信系统的桥梁，广泛应用于蜂窝移动通信系统中。通信技术的发展必将带动天线概念的发展。在七十年代的移动通信系统中，由于用户少，较少的载频和少量的基站即可覆盖一个城市的移动通信需求，采用了全向天线或角形反射器天线。随着经济发展，移动终WA000010WCDMA系统基本原理ISSUE1.0WCDMA系统无线网络规划7-6端需求量的急剧增加，旧的基站已不能满足需求，尤其数字蜂窝技术的发展，基站配置需要新型天线，以改善市区的多路径衰落、区域分配和多信道网络组织。平板式天线由于其剖面低、结构轻巧、便于安装、电性能优越等优点被广泛应用于2G数字蜂窝系统。在80年代中期至90年代中后期，大多采用单极化(VP)天线，而一个扇区需用3副天线，一个小区通常划分为三个扇区，因此一个小区要用9副天线，天线数目太多给基站建设、安装带来困难，安装费用居高不下，有的站点根本无法安装分集接收天线，即使安装了也无法得到最佳分集接收增益。因此，双极化天线技术应运而生。3G阶段，随着无线技术的改变，信号检测方式的改变，蜂窝网络必须调整和优化，需要更新型的基站天线满足这一要求，如自适应控制天