TD-SCDMA系统网络仿真

1、网络仿真概述

1.1　网络仿真意义

3G网络采用码分多址技术，是一个自干扰系统，覆盖和容量相互影响，系统容量表现为软容量，因此相对2G网络，我们需借助于网络规划工具来进行网络性能的仿真，以指导3G网络建设。

通常网络仿真结果的正确性有两个重要的条件，其中之一是跟覆盖相关的，也就是覆盖预测的正确性，而这依赖于传播模型的正确性；另外一个跟容量相关的，即话务模型的正确性，它依赖于用户输入数据的正确性和建模方法的可靠性。

1.2　网络仿真的特点

网络仿真是建立在链路级仿真之上；可以进行大规模的商用规划；结合实际的地形地貌；进行精确的系统容量覆盖分析。

对于TD-SCDMA系统来说，它的时分特性和智能天线带来的空分特性，使得干扰源与有用信号从时间和空间两个层面上错开，干扰显得并不太重要，更重要的是对有用信号的预测。因此，从这方面来看TD-SCDMA系统对仿真的依赖程度相对较低。

但是，从可采取的增强覆盖手段看，由于TD-SCDMA系统不像WCDMA一样能采取塔放、接收分集天线等方式，因此，TD-SCDMA后期网优手段相对较少，使得前期网络规划对仿真的依赖程度相对较高。

1.3　网络仿真的一般流程

网络的仿真是一个循环验证的过程。仿真时，需要导入电子地图、传播模型、3G业务模型、话务分布、环境相关参数等，并将查勘得到的备选站址工程参数输入仿真工具，并设置仿真参数，包括UE类、基站类和天线类等参数。

首先开始进行信号强度和主服务小区预测，根据预测结果调整新增站址位置和基站小区参数，如方向角、下倾角和天线挂高等，并反复进行优化，待优化结果各基站的目标覆盖区基本比较均匀，边界清晰之后，再进入仿真环节。

仿真结果不能满足规划目标，可能需重选查勘备选基站或者新建基站。若仿真结果已满足规划目标则输出基站工程参数，以及仿真得到的网络性能结果。

图1为仿真总体流程示意图。

图1　仿真总体流程

综上所述，网络仿真是一个局部调整、仿真验证、再调整、再仿真验证……逐步逼近规划要求的过程。

2、传播预测

2.1　地理信息数据及格式转换

2.1.1　地理信息数据

网络仿真离不开电子地图作为基础。首先需确认地图数据的坐标系，否则就会造成基站坐标系和地图坐标系不匹配导致较大影响。其次需要选用地图精度。工程设计中涉及到的电子地图精度通常有100m、50m、20m和5m等。5m精度的地图虽然精确，然而在做室外宏蜂窝覆盖预测时，要求地图必须能够真实反映覆盖区域的现状，由于很多城市发展速度非常快，所以即使采用精确的数字地图和实际传播环境，仍然会有一定误差。

网络规划仿真中通常市区采用5m或20m，郊区或农村采用20m或50m，交通干线等采用50m或100m精度的数字地图。

2.1.2　数字地图格式

移动通信数字地图需要包含数字高程模型（DEM）、地面覆盖模型（DOM）、建筑群分布模型（BDM）、线状地物模型（LDM）等4层，且数字地图中DOM、DEM层是场强预测所必须的数据，BDM层一般只用于微蜂窝的预测。

目前，国内多数规划仿真工具中地理信息数据一般采用Planet格式地图，以便精确计算。Planet格式地图主要包含Clutter（地面覆盖模型）、Heights（数字高程模型）、Vectors（线状地物模型）以及Building（建筑物分布模型）4部分。因此，需首先进行格式转换。

2.2　传播模型以及模型校正

2.2.1　传播模型

无线网络规划中，无线传播损耗是一个非常关键的参数，直接影响覆盖效果，它决定着网络规划结果的正确性、可信性。由于实际应用中的无线传播环境是非常复杂的，需要通过理论研究与实际测试的方法归纳出无线传播损耗与频率、距离、天线高度等参量的数学关系式。

无线电波的传播方式主要包括反射、直射、绕射和衍射。

无线电波的衰落有大尺度传播、中尺度传播、小尺度传播3种，由于实际的网络仿真是静态仿真，因此，仅考虑大尺度传播和中尺度传播。

以通用传播模型为例：

Lmodel=K1+K2·lg(d)+K3·lg（HTxeff）+K4·DiffractionLoss+K5·lg(d)·lg（HTxeff）+K6·HRxeff+Kcluffer·f（clutter）

K1：参考点损耗常量；K2：地物坡度修正因子；K3：有效天线高度增益；K4：绕射修正因子；K5：澳村哈塔乘性修正因子；K6：移动台天线高度修正因子；Kcluter：移动台所处的地物损耗地物衰耗因子。

2.2.2　模型校正

传播模型的校准是提高预测准确度的另一个重要手段。由于每个地方的传播环境千差万别，仅仅根据经验而无视各地不同地形、地貌、建筑物、植被等参数的影响，必然会导致网络的性能低下，因此需要针对各地不同的地理环境进行测试，通过分析和计算等手段对现有的传播模型进行修正，最终得出最能反映当地无线传播环境的传播模型，从而提高覆盖预测的准确性。

一般来说，模型的准确性和适用范围是一对矛盾，模型越准确，其适用范围就越小。若应用的传播环境不匹配，就会带来很大的误差。然而，在实际工程中，每对一个地区进行规划，就需要进行大量的CW测试和分析，不仅大幅度提高了规划成本，还会影响工程进度。在工程中，通常在某些地方进行校准，得到1～2个传播模型，然后应用于相关的地区和基站。这样的规划模式仍然给规划带来了一定误差。

2.3　RNS参数

2.3.1　基本信息

RNS参数主要包括Node B、Sector和Cell的基本信息以及相关的参数设置等。

2.3.2　需要设置参数

（1）Node B：噪声系数、Node B类型、地区类型等。

（2）Sector：所使用的天线：普通天线/开关波束天线/自适应智能天线；全向天线/定向天线；根据勘查情况及规划要求合理设置天线的挂高、天线的水平角及下倾角（电子下倾和机械下倾）等小区参数；时隙转换点。

（3）Cell：小区主参数：包括扰码（手工输入或规划工具生成）、最大载波数、邻区个数限制、功率限制、ACLR、ACS等；公共信道参数；载波参数：上/下行预警门限、上/下行拥塞门限、最大发射功率以及载波内时隙排序方式等；时隙参数。

2.4　合理设置规划区

传播预测前应根据网络规划覆盖要求明确规划区域。

规划区域按照地貌特征分类，一般分为：密集市区、一般市区、郊区、县城、乡镇和高速公路。

2.5　智能天线参数

TD-SCDMA是第一个应用智能天线技术的无线移动通信系统，智能天线主要优点是最大限度地利用有限的信道资源，减少用户间的干扰、优化基站的发射功率、提高基站的接收灵敏度、从而显著地增加系统的覆盖和容量。因此，天线参数的设置对场强预测、干扰计算中起着至关重要的作用。

2.6　UE参数

UE数据主要描述的是用户使用业务时的终端类型。不同的终端具有不同的能力。包括最大、最小发射功率、天线增益、接收机灵敏度、接收机噪声系数、高度、ACLR等。

3、Monte-Carlo仿真

网络规划仿真属于网络级仿真，分为静态仿真和动态仿真两种。

动态仿真：是通过对UE在连续时系内的移动的分析来了解网络性能的。

静态仿真：是通过对快照（Snapshot）分析来了解网络性能。每个快照按某种规律（随机分布）生成一定的终端分布，通过迭代运算获得UE与网络的连接能力，同时，考虑多种连接失败的可能因素，最后，通过对多个快照的统计分析获得网络的性能。Monte-Carlo仿真是静态仿真的一种，是网络规划阶段常用的仿真方法。

Monte-Carlo仿真流程如图2所示。

图2　Monte-Carlo仿真流程

其中，网络调整包括站址变更、天线挂高、天线方向角以及下倾角等。

3.1　仿真参数设置

3.1.1　小区仿真参数

RRM仿真算法参数；功率控制仿真算法参数；切换算法参数。

3.1.2　系统仿真参数

通常包括RRM算法、干扰计算、切换算法以及功率控制等参数。

过覆盖阈值：对于同频组网N频点方式的导频及公共信道不敏感，但对于业务时隙影响较大。虽然系统可通过智能天线和联合检测弱化干扰对网络的影响，但在规划开始阶段就应尽量避免非最佳服务小区的强电平值。

RRM算法参数：通常包括进行负荷拥塞控制（LCC）模拟、进行快速动态信道分配（FDCA）模拟、允许在载波间进行调整等。

干扰计算：上/下行联合检测效率、行正交因子、参与联合检测小区数等。

切换算法。

功率控制：包括功率控制迭代收敛条件、设置初始功率余量及功控方式等设置。

3.1.3　其他相关仿真参数

在Monte-Carlo仿真分析中，会在计算有用信号时考虑阴影衰落的影响，对于阴影衰落，通常被认为其服从均值为0的对数正态分布。对于不同的地形，阴影衰落的标准偏差会有所不同，如密级市区的阴影衰落标准偏差通常会比郊区大些。

同时，对室内用户应加入穿透损耗，并设置室内、室外模拟用户的比例。

3.2　业务和用户参数

TD-SCDMA系统能够支持的业务丰富多样，因此准确地反映规划区对网络系统的业务需求和体现系统对各种业务的支持情况是TD-SCDMA无线网络规划的一个重要内容。仿真前应建立一个由承载、业务、用户特性、用户分布4层参数构建的话务模型。

3.2.1　业务参数

3GPP规范中定义了4类业务：会话类业务、流类业务、交互类业务以及后台类业务，在4类业务中划分了多种应用；同时也定义了4种主要承载方式（12.2kbit/s、64kbit/s，128kbit/s和384kbit/s）。

仿真中通过设置业务参数来表明运营商希望在规划区内提供的服务内容。

各类承载的上、下行Eb/Io要求、最大发射功率（一般取24dBm）以及最小发射功率（一般取-50dBm），这几个参数在很大程度上决定了不同业务的覆盖范围。

3.2.2　承载参数

承载是TD-SCDMA系统能够提供的最小的业务单元，可以分上行承载、下行承载。应设置RU分配方案、调制方式及编码速率等参数。

3.2.3　用户特性参数

用户特性参数反映用户的话务模型。一般来说，每个城市话务量不尽相同，需要根据现网情况和当地经济状况建立话务模型。

在3G网络设计中，话务模型是比较难以确定的，这是因为3G用户的业务使用行为、习惯等都没有较多的、适合国情的参考。

对于话音业务，可以在规划业务覆盖区现有2G用户单机话务量的基础上，做一定比例的调整；对于CS 64kbit/s承载业务，由于没有话务基础数据，因此只能在参考国外运营商3G网络设定值的基础上根据各地具体情况进行适当修正。

对于PS业务，由于有业务及承载的多样性，其业务模型的建立是比较困难的。虽可参照GPRS网络情况取定，但中国移动GPRS网络已投入运营的几年间，接入速率较低，业务量一直没有明显的增长，用户数及单用户业务量越少就越不具备统计意义，同时，TD-SCDMA系统接入速率将有较大提高，业务模型将会有较大差异；此外，也根据CNNIC关于互联网的相关统计和中国移动相关业务平台关于业务的统计，参考典型业务的特点（如Web浏览、收发邮件、彩信、流媒体、VoIP、下载业务等）及预测不同类型用户可能的使用习惯，再根据GPRS业务量的统计，综合权衡，确定数据业务模型。

3.2.4　用户分布参数

话务分布是规划工具中将用户分布到网络中的方法，即话务地图生成方式。

同话务模型一样，用户分布也是较难确定的，需要我们预测。预测主要有两种思路：一种是提取2G无线网中话务分布，使3G用户按2G话务分布规律分布；另一种是把覆盖区域分为不同的业务密度区域，如密集市区、一般市区、郊区等，按照2G话务分布，将3G用户分到不同的业务密度区域中。

目前，通常第二种方法比较常用，但由于这种分布划分比较粗糙，所以在设置基站时，要参考2G网络实际话务分布。

3.3　频率规划

同频组网；

异频组网；

N频点技术：在改善系统性能和提高频谱利用率方面都将带来巨大的提升。

一般均通过规划工具进行频率规划，实现辅载波的频点与其他小区主载波的频点重用距离尽可能远。

3.4　邻区规划

邻区列表设计的质量将直接影响到网络的切换性能。规划工具中邻区规划能够根据小区覆盖和配置的算法参数，从不同的角度来设计邻区方案。通常在邻区规划中设计的参数如图3所示。

图3　邻区规划中的参数

3.5　码规划

码规划应包括下行同步码和扰码规划。

由于TD-SCDMA的扰码长度比较短，并且系统的扩频因子比较小，不同小区间的复合码就存在重合的情况，特别是在上行采用较低扩频因子的情况下。因此，在TD-SCDMA网络的码分配时不但要考虑下行同步码的相关对UE小区搜索的影响，还要考虑不同的扩频调制码组之间有无重码或相关很强的码对，并且不将这些码分配覆盖区交叠的相邻小区。

规划软件中的自动码规划，也可进行手工规划，但需要遵循以下原则：

本小区与邻小区间不能同扰码；

同扰码的两小区间隔尽可能地远；

本小区与邻小区间不能同频同下行导频码。

3.6　时隙规划

时隙规划是根据指定的业务分布和小区覆盖，计算出每个小区的上下行业务需要占用的资源，然后为每个小区分配最佳的上下行时隙切换点。

TD-SCDMA系统较高的频谱利用率和对非对称业务传输的最佳适应，来自于灵活的上下行时隙比例分配；灵活的时隙分配又会带来交叉时隙干扰问题，这是一个辨证的过程，需要综合考虑容量和干扰问题。目前业界提出的时隙规划策略主要有基于牺牲交叉时隙的策略和基于无线资源管理的时隙规划策略两种。

目前TD-SCDMA组网均采用3:3时隙比例规划，在满足建网话务要求的同时，避免交叉时隙的干扰。

3.7　仿真分析图层

TD-SCDMA仿真结果通常包括TS0、DwTS、上行业务时隙以及下行业务时隙等分析图层。

3.8　模拟背景网络结果

模拟背景网络结果主要反映了某次Snapshot的用户状态情况。模拟背景用户通常可能出现所处位置无覆盖、接纳失败、上行功率受限掉话、下行功率受限掉话及正常在线等5种状态。

3.9　仿真的性能统计

仿真会给出不同承载业务的失败率和失败原因，如果结果不能满足设计要求，就需要分析失败原因，重新进行网络调整，通过加站、减站、调整天线挂高、方位角、下倾角等方式，使整个网络达到满足无线网络设计要求，最终得到一个合理的网络布局和参数设置。

所有的统计项可针对单个Snapshot统计，可以对多个Snapshot进行统计平均。

统计项进一步可按"业务"进行细分。3G业务具有多样性，对于不同的业务，运营商与客户签订的SLA以及提供的QoS保证将有所区别，分别考察网络对不同业务的支持能力与性能非常重要，这也是3G规划软件与2G规划软件功能上的一大区别。

性能统计项目一般如表1所示。

表1　性能统计项目举例

4、仿真总结

仿真是规划工作的重要环节，TD-SCDMA无线网络设计更是离不开仿真工具的支持。

在进行网络仿真时，首先要深入了解仿真工具的各种算法，才能准确确定无线网关键参数，同时，慎用软件中推荐的默认值。仿真时需要对TD-SCDMA网络有较深理解和无线网络相当的优化经验，并能够清楚理解不同参数的物理意义以及对仿真结果的影响，再通过耐心和细心的不断循环调整和优化，才能更好的发挥仿真工具在前期规划中的真正功能和重要作用，对网络建设提供更多的有价值的参考和帮助，以实现网络规划目标（覆盖、质量、容量）与建网成本的最优平衡。

同时，仿真准确性主要受以下几个因素影响：

*传播模型是否合适；

*仿真建模是否正确，包括话务模型和业务模型；

*参数取值是否合理；

*软件本身的精度，以及操作的正确与否；

*数字地图与快速的城市建设是否同步更新；

*仿真工具算法情况。