CDMA移动通信系统的网络规划

CDMA移动通信系统的网络规划
一、前言
    现在第三代移动通信系统的研究工作正在世界范围内进行：未来公共陆地移动通信
系统（FPLMTS）：国际通信联合会（ITU）的国际移动通信2000年（IMT2000）；欧洲的
通用移动通信系统（UMTS）。这些系统在很大程度上是基于第二代数字移动无线系统的
成功，如全球移动通信系统（GSM）。第三代移动通信系统的目标是支持多种业务，从
语音和低速率数据业务到高速率数据业务，对于车辆达到144Kb／S，从室外到室内达到
384Kb／S，对于室内和微微蜂窝环境达到2Mb／S。支持面向电路和面向分组的业务。第
三代移动通信系统将适应各种无线环境，从城区到郊区，从丘陵地区到山区，徽蜂窝，
微微蜂窝和室内环境向任何人，在任何时间，任何地万提供业务。另外，全球漫游也是
一个主要目标。由于可用频带有限且需要宽带业务，无线接口的频谱效率必须比第二代
的高。
    从网络规划的观点看，第三代移动通信系统的主要特征是提供多种多样的业务，从
每秒几千比特到2Mb／S；服务的用户数量大（特别是在城区和人口密集的区域）；网络
结构的灵活性允许在特定的环境下配置不同的结构（公共场所，高速公路，住宅区，商
业区）；基于分布式数据库结构的先进的移动性管理策略使用户数据所需的存储，更新
和恢复等总的信令开销最小。很显然，现在的规划方法不能处理这些特殊的特性，必须
开发新的软件工具来支持移动运营商来处理繁重的网络规划任务。
二、网络规划问题
    第三代系统的规划和优化策略需要考虑将来UMTS运营商由于引入新而灵活的无线接
口、更复杂的蜂窝结构（分层蜂窝结构）、动态资源分配策略（DCA，对多种业务要求
进行灵活的资源分配）和提高容量方法的选择（如自适应天线）等所能获得的额外的自
由程度。如果运营商能够清楚的知道规划过程所要达到的目的，就能将这些先进的技术
应用到网络上，并能设计适当的规划和优化策略。另外，系统规划和实现也是第三代移
动通信系统能否获得最大频谱效率的因素从而影响经济和运营上的成功。对运营商来说，
要满足用户需要并获得效益，网络规划是关键。
    网络规划主要包括两个方面：无线网络规划和网络范围的确定。无线网络规划包括
链路负载，容量以及所需蜂窝数的计算。另外，无线网络规划还包括详细的覆盖和每个
蜂窝的参数规划。网络范围的确定包括基站所需的信道数、传输线的容量、基站控制器
数、交换机以及其它网络单元的计算。
    和第二代系统相比，由于第三代系统支持多种比特率和不同的业务，因而使网络规
划过程更复杂。预测业务量和不同业务的使用模式更困难。需要仔细的估价来确定影响
所需业务不同实现策略的因素。
    进行网络规划首先要估计业务强度。业务强度以爱尔兰（Erlang）为单位，1爱尔
兰等于一条电路使用1小时（3600秒）。
    业务强度（Erlang）=每小时的呼叫数×平均呼叫9保持时间（秒）／3600
    等效的电话爱尔兰（ETE）定义为基本的电话呼叫业务量。它和基本电话业务的传
输速率有关。对于数据业务用MbPs／km2表示业务强度更好。
    业务级别的度量是区域覆盖率和阻塞。区域覆盖率和无线规划的质量和无线网络的
容量有关。阻塞和可用的硬件有关。由于容量不足而使用户阻塞称为软阻塞。首先，以
所需的区域覆盖率为目标设计网络。在此条件下，满足一定的阻塞率要求，一般是2％。
    阻塞率可定义为第一次呼叫时被阻塞的概率、阻塞的原因可能是基站的信道不足，
或者是固定网的资源不足。设N是信道总数，T是所提供的业务量所有信道都忙的概率遵
从油松分布：
      P（N；T）=TNe一T／N！；P（N；T）即是阻塞率。
    信道利用率可定义为：效率（％）=业务量（Erlang）/信道数×100％
三、无线网络规划过程
    无线网络规划过程可分三个阶段：
    ＊准备阶段
    ＊蜂窝数量估计阶段
    ＊详细的网络规划阶段
    在准备阶段，要建立覆盖率和容量的目标，定义网络规划策略，决定初始设计和运
行的参数。覆盖率和容量的目标要在所需的质量和整个网络费用之间折衷。网络规划策
略包括微蜂窝的部署，提供室内和高比特率的覆盖，以及第二代系统的进化。对于可行
的网络规划方案，需要考虑下列因素：固定线传输的费用，如何容易地确定蜂窝位置，
建立蜂窝的费用以及环境问题。
    一种策略是用宏蜂窝对定外覆盖，用微微蜂窝对建筑物的室内进行覆盖。此方法应
通过增加室内蜂窝数来提供附加的容量，而不应通过室外蜂窝来提供室内覆盖。若通过
室外基站来提供室内覆盖，在计算链路负载时应考虑建筑物的穿透损耗，一般为10-20dB。
另一种策略是一开始就使用微蜂窝，并利用它来提供室内覆盖。此方法可用于人口密度
大的市区。
    在蜂窝数量估计阶段，首先应估计在给定区域内的用户数以及每个用户所需提供的
业务量。估计在给定区域内的用户数至少应考虑下列因素：给定区域内居住的人口，给
定区域内工作的人口、车辆的通过量、特殊事件和娱乐场所情况。
    每个用户所需提供的业务量决定于所需的业务种类和使用的频繁程度。对第三代系
统，预测业务量非常困难，因为它提供了许多新业务。对于数据业务，需要估计每个用
户每秒所需的平均速率。对于电路交换的用户，平均呼叫时间和业务类型、客户类型和
资费有关。对于其它业务，定义平均呼叫时间非常困难，因为没有经验可借鉴。最重要
的是以合理的精确度来预测业务量。
    蜂窝容量可以根据仿真或分析公式来估计。用户传输速率，业务性质（可变性、突
发性）业务的质量要求（时延、BER／FER）和中断率是决定蜂窝容量的主要因素。
    若需要估计频请效率，应考虑扇区的划分或自适应波束，也叫做空分多址接入（SD
MA）的影响。
    CDMA无线网络不能在极限容量下运营。极限容量可定义为理论上的最大容量。负载
因数定义为网络正常运行时接近最大容量的程度。确定负载因数时应考虑业务性质、无
线资源管理算法以及网络运营商的规划能力等因素。一般负载超过75％系统运行就不稳
定。
    计算链路负载时，在假设了数据传输速率和Eb／Nb性能后，还应考虑设备的特定参
数（如电缆损耗），天线增益和接收机噪声等。软切换增益对链路负载也有很大影响。
还要考虑非对称业务的影响。多用户检测可以减少负载因数的影响。
    根据容量和链路负载可以计算覆盖一给定区域所需的蜂窝数量。一个网络可以是覆
盖受限或容量受限。容量受限意味着在最大的蜂窝半径下不能支持所有提供的业务。而
覆盖受限意味着在一个蜂窝内有足够的容量支持所有的业务。
    详细的网络规划要考虑每个蜂窝所处的实际无线环境。由于费用原因地区法律，建
筑物的限制和其它因素实际网络中不可能得到最佳的蜂窝位置。详细的网络规划应使用
网络规划工具。网络规划工具有被规划区域的数字地图，建筑物的高度和天线模型，
    无线网络覆盖的优化过程包括：
    ＊详细的无线环境特征
    ＊控制信道功率的规划
    ＊软切换参数的规划
    ＊频率间切换的规划
    ＊重复的网络覆盖分析
    ＊无线网络测试
    为了优化，需要通过实际测量或其它技术来确定无线环境的特征。如路径损耗、阴
影和时延扩展等。
    控制信道的传输减少网络的总容量。总的传输功率依赖于如何将功率在导频、同步
寻呼、广播和业务信道之间分配。功率分配原则与覆盖率有关。一般，基站总功率的5％
分配给同步信道。
    软切换的性能影响对阴影的抑制和进行软切换的用户数。进行软切换的用户需要额
外的信道和反向连接，进行软切换的用户数依赖于切换门限和业务类型。有可能分组业
务完全不需要使用软切换。在软切换时天线的倾斜度和方向也影响蜂窝的覆盖区域，在
切换参数和区域的规划时应加以考虑。最优的参与软切换的基站数和切换门限、可获得
的RAKE接收机的多径数和无线环境有关。一般地，多于三个基站参与就不会得到更明显
的软切换增益。软切换的主要参数是切换门限切换定时器和移动站的导频搜索窗口。
    增加TADD的门限值可以减少进行软切换的用户数，因而减少所需的设备负荷。然而
减少的太多增加了干扰因而降低了性能。TDROP应足够低以防止损失好的导频。如果TADC
和TDROP大接近，并且TTDROP定时太短，就可能产生切换乒乓效应。
    将来，可能会有其它的切换准则，如在切换过程中需要知道上行链路的干扰。另外，
不同质量要求的业务需要不同的切换准则，甚至不同的参与软切换的基站数。这将增加
网络规划的复杂性。因为软切换增益依赖于不同蜂窝信号的相关和同一蜂窝阴影衰落的
相关长度，需要现场测量来确定实际的增益和网络容量。
    搜索窗口决定移动站搜索导频时的码片时延数。搜索窗口大可以收集所有的多径能
量但导致测量过程很慢可能对高速移动站有损害。搜索窗口小可能丢掉一些重要的径，
因而降低性能。搜索窗口的大小是时延扩展的函数，应对每个蜂窝进行优化，考虑预期
移动站的速度分布。
    压缩模式是无缝频率问切换的一种方式。频率间切换的主要参数是基站命令移动站
测量相邻载波时的频率。使用分时隙的帧导致性能的下降。
    在即有微蜂窝又有宏蜂窝覆盖的情况下，应决定选择每一层的准则。一般地说，如
果在微蜂窝中检测到一快速移动的移动站，应切换到宏蜂窝。因此需要估计移动站的速
度。另一方面，慢速的移动站应切换到微蜂窝。应避免错误的切换。
    在IS-95和CDMA2000系统中，属于不同基站和扇区的导频信号通过使用同一导频伪随
机序列（PN）的相位偏置来区别。如果两个基站间的传播时延超过导频信号的偏置，就
产生了刚混淆。因此需要PN偏置规划。
    一旦无线网络环境被确定，控制信道功率的分配已完成，切换参数已规划，就可以
进行详细的覆盖分析
    一般地说，非均匀的业务量降低系统的总体性能。一方面，在繁忙的业务地区，由
于增加了干扰而使性能下降；另一方面，系统的业务量变化过大。通过蜂窝半径的自适
应控制，天线的方向和上行链路接受的功率门限可以改善系统的效率，蜂窝半径通过调
节导频传输功率来控制。当然，蜂窝半径的动态控制和天线方向性需要仔细的规划和稳
定的控制以防止出现不需要的效果。
    在网络建立后，应进行测试来确定网络的实际性能。使用驱动测试采收集网络性能
优化所需的数据。测量的主要参数是覆盖范围，掉适率，质量和软切换所需的导频组。
网络建成后，工作并没有结束。需要一定的运行和维护工作来进行测量和收集网络性能
的数据。
四、CDMA的做蜂离网络规划
    由于传播环境和网络拓朴的不同，微蜂窝的实现和客蜂窝的实现有很大的区别。微
蜂窝网络规划的两个主要问题是拐角效应和软切换设计。为了减小拐角效应的影响，如
果原来基站的性能变坏，就应进行快速前向切换。也可通过恰当的规划蜂窝位置和切换
门限来避免拐角效应。如果使用一般的蜂窝规划，由于切换太慢而使快速移动的移动站
产生非常大的干扰，从而使微蜂窝的容量降低很多。另外，由于基站数很大，信令负荷
也有相当大的增加。可以使用分布式无线和蜂窝分区未减少CDMA微蜂窝所需的软切换。
    对于室内规划，由于建筑物的类型，大小，结构和材料都有很大的区别，因此，没
有通用的传播模型可利用。墙和地板对信号的衰减和建筑物的结构有关。对每个建筑物
要进行实地测量和传播预测。
    竹扇区可以提高CDMA系统的容量。在理想的情况下，可实现扇区间的理想隔离，并
且容量的增加和扇区数成比例。通常，分成三个扇区可以增加容量2.5倍。智能天线（
也称为SDMA）定义为多波束或自适应阵列天线，波束间没有切换。和固定波束天线相比，
天线阵的优点是它提供了M重分集增益。
五、BTS信道单元的规划
    已知所提供的业务量、需要的控制信道和进行软切换的用户数，就可以计算信道单
元数。根据爱尔兰（Erlang）表来计算。此表给出了在给定阻塞率和提供的业务量条件
下所需的信道数。另外，可以根据容量，下行链路的公共控制信道和上行链路的接入信
道确定业务信道。每个宽带CDMA载波需要～个导频信道和至少一个公共控制信道。公共
控制信道包括寻呼信道，同步信道和广播信道。对于分组接入，在微蜂窝也需要公共控
制信道。软切换所需的附加信道单元数和软切换类型有关。进行软切换的用户数和无线
环境，切换门限以及天线结构有关，可以通过仿真和现场测量得到。
    另外，还要计算出BSC和交换机的数量，HLR和VLR的信令负载。最后进行传输网络的
优化。
六、结论
    我国对第三代系统的希望是频率利用率高，覆盖效率好，建网要经济有足够的灵活
性。要满足这些要求网络规划是关键。因此，一定要重视网络规划，更好地发挥通信在
经济建设中的巨大作用。