王明敏_WCDMA 系统上下行容量分析

WCDMA系统上下行容量分析2001年10月2容量质量覆盖容量－覆盖－质量容量、质量、覆盖三者间的密切关系3容量－覆盖－质量•GSM系统的容量、覆盖、质量关系–容量基本上由硬件资源决定：一个载波有8个时隙，可用的载波数和复用方式决定了最大同时连接数目–覆盖由上下行发射功率决定（链路平衡问题）–通话质量由干扰情况决定通过网络设计（复用方式、复用距离、跳频等）控制干扰，保证质量在GSM系统中，三者间没有直接的联系，可以独立分析、独立设计。网络设计难点在于频率规划4容量－覆盖－质量•WCDMA系统的容量、覆盖、质量关系–WCDMA系统是自干扰系统，容量、覆盖、质量之间密切相关–容量－覆盖•设计负载增加，容量增大，干扰增加，覆盖减小（应用实例：小区呼吸）–容量－质量•通过降低部分连接的质量要求，可以提高系统容量（应用实例：通过外环功控降低目标BLER值）–覆盖－质量•通过降低部分连接的质量要求，同样可以增加覆盖能力（应用实例：对路径损耗大的连接通过AMRC降低数据速率）容量质量覆盖干扰干扰是容量分析的关键WCDMA上行容量分析6NotherownTOTPIII上行干扰构成•Iown：来自本小区用户的干扰•Iother：来自邻近小区用户的干扰•PN：接收机噪声底7上行干扰构成•接收机底噪PNPN=10lg(KTW)＋NF•K：波尔兹曼常数，=1.38×10-23J/K•T：开氏温度，常温为290K•W：信号带宽，WCDMA信号带宽3.84MHz•NF：接收机噪声系数–10lg(KTW)=-108dBm/3.84MHz–NF=3dB（宏蜂窝基站典型值）–PN=10lg(KTW)+NF=-105dBm/3.84MHz8上行干扰构成•Iown本小区用户干扰–每一个用户必须克服的干扰：ITOT-Pj•Pj为用户j的接收功率–假设功控理想，有：–由此，求得Pj：–本小区用户干扰为所有用户到达接收机功率的和：jjjTOTjjvRWPIPNoEb1/jjjTOTjvRWNoEbIP1/11NjownPI19上行干扰构成•Iother邻区用户干扰–邻区用户干扰难以进行理论分析，与用户分布、小区布局方式、天线方向图等相关–定义邻区干扰因子–当用户均匀分布时•对于全向小区，邻区干扰因子典型值0.55•对于3扇区定向小区，邻区干扰因子典型值0.65ownotherIIi10上行干扰构成NNjjjTOTNotherownTOTPvRWNoEbIiPIII11/111定义jjjjvRWNoEbL1/111有NNjTOTTOTPLiII1111上行干扰构成求得NjNTOTLiPI1111•假设–所有用户为12.2kbps话音用户，解调门限EbvsNo=5dB–话音激活因子vj=0.67–邻区干扰因子i=0.5512上行负载因子•定义上行负载因子•负载因子等于1时，ITOT达到无穷大，此时对应的容量称为极限容量•在前述假设下，极限容量约为96个用户NjjjNjULvRWEbvsNoiLi1111111113负载因子与干扰•根据前述关系，噪声上升：ULNjNTOTLPINoiseRise1111150%负载—3dB60%负载—4dB75%负载—6dB14分析•前述理论分析显式或隐式地使用了以下简化–没有考虑软切换的影响•处于软切换状态的用户，产生的干扰略小于普通用户–没有考虑AMRC和混合业务的影响•AMRC降低部分用户的话音业务速率，使它们产生的干扰降低，增加了系统支持的用户数。（代价是这些用户的通话质量有所降低）•不同的业务具有不同的数据速率和解调门限，虽然原则上仍可利用上述方法进行分析，但会使计算过程复杂化•由于移动传播环境的时变特性，即使是同一业务，解调门限也是时变的–理想功控假设•实际系统的功控命令有一定误码，使得功控过程非理想，降低系统容量–假设用户分布均匀，邻区干扰恒定15分析•要考虑以上各种因素的影响，系统仿真是更为精确的方法：–静态仿真：Monte_Carlo方法–动态仿真16容量设计•为了保证系统的稳定性，网络设计时不能按照极限容量进行设计–极限容量对应无限大的干扰上升，实际系统中UE没有这样大的发射功率去克服干扰–负载因子越大，新用户接入带来的干扰上升越大，有可能导致已有连接中断–由于移动环境的时变特性，负载越重，网络越不稳定宏蜂窝的设计负载一般不超过75%对应6dB的干扰上升下行容量分析18下行干扰构成NotherownTOTPIII•Iown：来自本小区基站发射信号的干扰•Iother：来自邻近基站发射信号的干扰•PN：接收机噪声底19下行干扰构成•接收机底噪PNPN=10lg(KTW)＋NF•K：波尔兹曼常数，=1.38×10-23J/K•T：开氏温度，常温为290K•W：信号带宽，WCDMA信号带宽3.84MHz•NF：接收机噪声系数–10lg(KTW)=-108dBm/3.84MHz–NF=7dB（UE典型值）–PN=10lg(KTW)+NF=-101dBm/3.84MHz20下行干扰构成•Iown本小区干扰–下行各用户用相互正交的OVSF码区分，在没有多径的静态传播条件下，没有相互干扰–在多径传播条件下，会有一部分能量无法被RAKE接收机检测而成为干扰信号。定义正交化因子α来描述这一现象•式中，PT为基站发射总功率，包括专用信道发射功率和公共信道发射功率jTjjownPLPI1NjCCHTPPP121下行干扰构成•邻区干扰Iother–邻区基站的发射信号会对当前小区的用户造成干扰。由于使用的扰码不同，这些干扰都是非正交的–假设业务均匀分布，所有基站的发射功率相等。系统中共有K个邻区基站，其中第k个基站到用户j的路径损耗为PLk,j。则有：KjkTjotherPLPI1,122下行容量计算NKjkTjTjNotherownTOTPPLPPLPPIII1,11同样假设功控理想，有jjjTOTjjjvRWIPLPEbvsNo1得到jjTOTjjjjPLIvWREbvsNoP23下行容量计算因为NjCCHTPPP1有jNKjkjTTjNjjjCCHNKjkTjTjNjjjjCCHNjjTOTjjjCCHTPLPPLPLPPvWREbvsNoPPPLPPLPPLvWREbvsNoPPLIvWREbvsNoPP1,11,1111124下行容量计算求解PT得到NjjjjjNjjjjNCCHTvWREbvsNoiPLvWREbvsNoPPP1111其中ij为用户j的邻区干扰因子，定义为：KjkjjPLPLi1,25下行容量计算•根据前述分析，可以定义下行负载因子：•当下行负载因子达到100%时，基站发射功率达到无穷大，此时对应的容量为极限容量NjjjjjDLvWREbvsNoi1126分析•与上行容量理论计算不同，下行容量计算公式中的αj、ij都是与用户位置有关的变量。也就是说，下行容量与用户的空间分布相关，因而只能通过系统仿真确定27ParameterDLvalueMCLmacro(includingantennaagain)70dBAntennagain(includinglosses)0dBi11dBiLogNormalfademargin10dBPCMODELLING#PCstepspersnapshot150stepsizePCperfectPCPCerror0%HANDOVERMODELINGHandoverthresholdforcandidatesetactivesetChoiceofcellsintheactivestepCombiningMaximumratiocombiningNOISEPARAMETERSnoisefigure9dBnoisepower-99dBmproposedTXPOWERMaximumBTSpower43dBmCommonchannelpower30dBmMaximumTXpowerspeech30dBmParameterDLvaluePowercontrolrange25dBHANDLINGofDOWNLINKmaximumTXpowerUSERDISTRIBUTIONRandomanduniformacrossthenetworknonorthogonalityfactormacrocell0,4COMMONCHANNELORTHOGONALITYOrthogonalDEPLOYMENTSCENARIOMacrocellHexagonalwithBTSinthemiddleofthecellBTStypeomnidirectionalCellradiusmacro577macro#ofmacrocells19withwraparoundtechnique)bit-ratespeech8kbpsActivityfactorspeech100%MultipathenvironmentmacroOutdoormicroEb/N0target6,1dB下行容量仿真•仿真参数设置28下行容量仿真•仿真结果29下行容量仿真•仿真结果分析–基站发射功率43dBm（20W）时，支持的最大用户数约为114个–一般为了保证系统的稳定，不允许基站平均发射功率超过最大发射功率的75%，即41.7dBm，此时能够支持的用户数为111个–这个结果与上行容量相比要大得多，所以在这样的设置条件下，WCDMA容量是上行受限，与IS95的情况大不相同•一般认为，IS95系统的覆盖上行受限，而系统容量是下行受限总结31总结•对于WCDMA系统的容量分析，需要考虑的相关因素更多、更复杂•下行容量与用户的空间分布有关，理论分析困难•系统仿真是进行WCDMA系统容量分析最有效的工具