WCDMA 无线网络规划

WCDMA 无线网络规划

第二代移动通信系统GSM主要采用时分/频分多址的无线接入方式，其无线网络规划基本上可以分为两步。规划的第一步主要是无线路径衰耗的预测，目的是使网络保证所需业务区域的无线覆盖；第二步是根据对业务区业务量的估计进行频率规划，以便确定系统的容量。通常在对GSM系统的无线规划中，主要考虑的是话音业务和少量的数据业务（例如SMS业务），这样对于给定信道数量，小区的容量是一个常数，因此，在GSM的无线规划中，覆盖和容量的规划可以分别独立地进行规划。
    在WCDMA系统中，由于引入了不同的数据业务，多业务环境和WCDMA系统本身的特点使得研究人员在规划WCDMA系统时有许多不同于GSM系统规划的地方。其中特别要注意的是，在规划WCDMA系统时，小区的覆盖和负荷要相互结合起来考虑（当移动台被限制了最大发射功率时，也就在上行链路上限制了小区的覆盖范围，而在下行链路，干扰情况而限制了小区的容量）。在WCDMA系统中，功率控制（TPC）、由于软切换和更软切换产生的增益、上下行链路的功率预算不同等因素都要加以考虑。
    GSM系统的无线网络规划是在小区的容量和覆盖两者间求得最佳点，而WCDMA系统无线网络规划要在容量、覆盖、不同服务质量三者间寻求最佳点，这就无形中增加了WCDMA系统无线网络规划的复杂度。

一、UMTS无线系统规划
    UMTS无线系统的规划过程和GSM系统规划有些类似，规划过程主要包括：
    初始化布局计算；
    配置规划（功率预算）；
    覆盖和容量规划；
    码片规划（包括频率规划）；
    参数规划；
    优化和监控管理。
    网络规划的目标是在覆盖、容量、质量三个方面找到最佳的解决方案。
    WCDMA系统的具体规划过程可以用图1表示。
    在图1中有两点要特别注意的是：WCDMA系统中覆盖和容量的规划即数据业务对系统规划的影响特别重要，每个小区的业务量（如话音和不同的数据业务）分布预先知道得越准确越好，另外移动台的位置或者说移动台的功率预算预测得越准确越好；在WCDMA无线系统的覆盖和容量规划中，热点业务地区对规划非常重要，这涉及到基站站址选定的问题，基站应选择在热点地区以确保为这些地区的移动台提供非常好的功率和覆盖，站址的合理选择可以减少无线网络的发射功率电平，从而减少干扰，增加网络容量。
    在初始化布局阶段，对于基站所覆盖的目标小区都假设采用一个固定的业务负荷值（这个值可以认为是在此小区整天最忙时所能承受的业务负荷，但这样的话就可能增加多余的基站以便满足业务要求，所以在初始化阶段最好采用预测业务负荷值），在详细的规划阶段，业务量分布应仔细考虑，以便符合实际情况。在初始化布局阶段，所有的小区的传播条件都认为是一样的，在详细规划阶段，应采用特定的场强预测方法，如双射线传播模式、一致性劈绕射法（UTD法）等对小区的覆盖范围加以调整，使其更加符合实际情况。

二、WCDMA无线链路配置规划
    WCDMA的覆盖规划从无线链路配置（功率预算）开始， WCDMA网络链路预算的计算基于以下几点：
    上行链路比特率为64kbit/s，下行链路比特率为144kbit/s；
    上行链路预测负荷为30%，下行链路负荷为50%；
    基站预留1W的输出功率用于保持和移动台的连接。
    WCDMA无线链路链路预算具体值如表1所示。
    1．接收端
    热噪声密度
    热噪声密度指接收机输入处每赫兹的噪声功率。从表1中我们可以得到WCDMA系统无线网络规划中上行链路的热噪声密度为 ；下行取值为 。
    接收机灵敏度
    接收机灵敏度是指接收机输入处正好满足所需要求的 时所需的信号电平，网络规划中上下链路的接收机的灵敏度如表1所示。
    2．发射端
    WCDMA系统中发射端的功率预算和GSM系统相似，两者的主要区别如下：
    在WCDMA中，发射机的总功率分配给每个移动台，不像在GSM中，每个移动台在每个时隙得到 的全部功率，在WCDMA系统中，每个小区的所有用户和控制信道共享发射机的输出功率；
    在WCDMA中，基站部分没有像GSM中那样的连接器，所以功率预算中不考虑连接器的损耗。
    3．点路径损耗（指的是发射机和接收机间最大路径损耗）
    点路径损耗的计算也像在GSM系统中的规划一样，但在WCDMA系统中，最明显的一点是上、下行链路的点路径损耗功率预算不一样，这主要是因为在WCDMA中业务的非对称性导致上、下行链路比特速率不同，特别是在进行分组数据的传输时，上、下行链路速率比可能达到1/10 (上行/下行) 或者更高情况出现，另外，在计算点路径损耗时还要考虑像天线高度、快衰落、慢衰落等因素。

三、WCDMA中覆盖和容量的规划
    在WCDMA系统中所有用户在空中接口享有相同的干扰资源，每个用户影响其他用户并引起它们发射功率的变化，因此在进行规划时，覆盖和容量必须进行迭代计算。通常，规划人员可以利用规划工具分别对上、下行链路进行仿真，使干扰电平和基站的灵敏度值收敛。
    1．WCDMA传播预测和覆盖规划
    规划人员应首先确定基站配置和功率预算，以便确定有效的天线高度，进一步确定所需服务区的覆盖范围。这其中，主要是确定好覆盖门限，以实现既满足所需的服务质量，又能具备良好覆盖状况的效果。在规划阶段，容量的确定非常重要，这将对基站覆盖范围有很大的影响。
    在这里我们看看如何确定WCDMA的覆盖门限。
    先利用传播预测模型确定大致的覆盖范围，这里可以采用的模型如： 、 等，对于实际的情况传播预测还要加以修正，修正的方法可以采用上面提到的双射线传播模式、一致性劈绕射法（UTD法）等，当然对于宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝等还要区别对待。
    覆盖门限（ ）的确定主要是移动台的接收灵敏度（ ）加上一些电平储备，在WCDMA系统中的储备主要如下：
    慢衰落储备（阴影衰落）（ ）；
    宏分集或软切换增益（ ）；
    功率控制余量（ ）；
    人体损耗，天线方向性损耗（ ）；
    车辆或房屋穿透损耗（ ）；
    干扰储备（ ）。
    覆盖门限计算公式如下：
    ＝ ＋ － ＋ ＋ ＋ ＋      （式1）
    2．WCDMA容量规划
    WCDMA系统的容量规划直接和功率预算、基站的覆盖有关，功率预算针对的是一种典型的业务（64/144kbit/s数据业务），实际中可能存在的业务类型包括话音业务和高达到2Mb/s的数据业务，这意味着对于不同的用户，基站的覆盖范围在上行链路和下行链路是不同的。在下行链路，由于要增加功率用于和移动台连接，小区的覆盖范围就少；在上行链路，由于干扰因素，同样也会减少覆盖范围。
    上行链路方向容量增加的规划方法是限制从别的小区到达本小区的干扰，公式2给出了上行链路的负载因子。
                  （式2）
    其中：
     ：基站接收处的其它小区对本小区的干扰比；
     ：每个小区的用户数；
     ：带宽；
     ：用户比特数；
     ：每比特信号能量除以噪声谱密度；
     ：激活因子。
    网络规划中可以通过减少 值以达到增大上行链路的负载因子继而增大系统容量的目的， 值是小区环境或小区隔离（如宏/微，城市/农村）和天线模式（如全向，三扇区或六扇区）的函数，利用建筑物，障碍物等可以达到减少干扰小区的目的，另外也可以通过天线下倾等手段减少干扰。
    下行链路方向上有两个问题要加以考虑：（1）下行链路的负载因子中引入了新的参数 ，它表示下行链路中的正交系数，WCDMA下行链路为区分用户采用正交码字，没有多径传播时移动台接收的基站信号将保持正交性（ 为1表示用于完全正交），多径信道中 的典型值在0.4和0.9之间；（2）基站的输出功率由小区的所有用户共享，所以基站的发射功率限制了下行链路的容量。
    下行链路负载因子如式3所示：
                        （式3）
    基站所需的发射功率可用如下数学式表示：
                            （式6）
    式3中， 为基站发射机和移动台接收机间的平均衰落， 为移动台接收机前端的噪声功率谱密度。
    在下行链路方向，影响容量的因素有：基站接收处的其它小区对本小区的干扰比 ；基站发射机和移动台接收机间的平均衰落 。减少 值可以通过尽可能设计合理的基站站址而实现，减少 值可以通过选择合理的天线位置，或者使用中继器等方案来实现。

四、WCDMA码片和频率的规划
    从网络规划的角度看，WCDMA系统中的码片和频率规划相对比较简单，主要任务是为下行链路分配扰码。扰码组的码序列限制在512个，扰码在网络规划中被分配给扇区，因为扰码的数目太多，扰码分配这一繁琐的工作通常由网络规划工具自动完成。
    频率规划相对于GSM系统规划而言是比较简单的，因为WCDMA系统的频率重用因子为1，为典型的空中接口干扰受限系统。如果UMTS运营商有两个或三个载频，那么还是要对频率进行好好规划，例如要考虑到哪些载频分别用于宏蜂窝、微蜂窝和室内覆盖，另外还要考虑到本运营商内部宽带系统和窄带系统间的干扰和运营商之间的干扰。

五、WCDMA系统的优化和管理
    网络优化是改善移动用户所享有的整个网络质量且确保有效利用网络资源的过程。因为在WCDMA系统中移动用户的位置和业务量行为是随时变化的，用户的业务量变化很大，而这种变化又直接对无线网络的质量影响很大，所以优化和管理在WCDMA系统中是非常重要的，能否准确而更好地建立业务量模型将关系到是否能设计出一个良好的无线网络。
    网络优化的过程是定义关键性能指示，由网络管理系统中的测量和实地测量数据或其他可用于决定网络质量的信息组成，这些关键性能指示包括业务质量、掉话统计、切换、功率控制、比特误码率、误帧率等。
    由于WCDMA系统中引入了新的业务需求以及在系统无线接口等方面不同于第二代系统GSM，所以在无线网络的规划设计方面不同于GSM系统。本文对WCDMA系统无线规划中的一些基础问题进行了探讨，其中的功率预算和容量规划是无线规划中的关键。现在许多运营公司都在基本无线规划原理的基础上开发了许多规划工具和动态仿真器，这将进一步使规划人员能够更合理地对实际系统性能建模，以便更好地规划无线网络。