WCDMA无线网络规划探讨

0、概述

　　在网络规划和工程设计中，需要规划无线系统的容量，然后根据系统容量确定所需要的设备数量(如信道板数、传输接口数等)，从而完成系统配置。

　　在2G无线网络中，特别是对于提供单一话音业务为主的网络(如GSM网络)，可以简单地认为单个基站提供的话音信道数是不变的。在给定呼损率的情况下，查Erlang表就可以得出单扇区在这一呼损率下可以提供的Erlang数。这样对于基于容量的规模估算，可以用总的话务除以单扇区提供的Erlang值得到所需扇区的个数，进而配置相应的设备。

　　当前3G正在逐步走向商用化阶段。WCDMA作为3G的主流技术标准之一，有如下技术特点：

　　a)频率复用率=1；

　　b)有软切换区域，不同于只有硬切换的GSM；

　　c)干扰受限：随着容量的增大干扰增加；

　　d)软容量：覆盖、容量和质量三者密切相关；

　　e)多业务环境：不同的数据速率(从Voice 12.2kbit/s到384kbit/s)，不同的服务质量(阻塞率、延时、流量、BLER)，不同的连接方式(实时和非实时)，不同的行为特点和话务不对称性；

　　f)小区呼吸效应：覆盖和容量相关，用户增多干扰增加，半径因负荷及业务速率而变化。

　　WCDMA移动通信系统需要支持多种类型的业务，而对多业务网络进行基于容量的规模估算时情况会变得非常复杂，给系统仿真也带来了难题。

1、无线网络规划目标

　　1.1　网络覆盖目标

　　a)根据运营商要求，确定网络完成连续覆盖的区域和面积，并将目标区域根据不同的地貌类型分类及区域面积统计。

　　b)明确各区域运营商所要达到的覆盖要求、区域覆盖概率和边缘覆盖概率。地铁、铁路和公路的覆盖需要采用大覆盖基站、直放站等特殊解决方案。

　　1.2　网络容量目标

　　针对市场策略和用户发展情况，确定网络容量目标。通常将业务目标划分为几个阶段，通过收集现网移动用户数，并采用适当的业务预测方法得到各阶段的用户数。

　　业务预测是确定移动通信网建设规模的重要依据，决定了工程建设的投资及建成投产后的经济效益。它既要反映客观需要，又要考虑现实条件的可能性。WCDMA网络建设初期，业务预测可采用渗透率法进行预测。

　　1.3　网络质量(QoS)目标

　　质量目标是指每种业务所要达到的质量要求。对于电路型(CS)业务衡量标准是阻塞率，对于分组数据(PS)业务衡量标准是最大延时时间和时延比例。

　　1.4　成本目标

　　在满足上述3个目标要求的情况下，应尽可能控制建设成本；或者在投资规模确定后，尽可能满足上述3个目标。

　　通常情况下上述4个目标是相互关联、相互制约的，确定目标时需要综合考虑。

2、规划前的关键问题

　　2.1　混合业务模型

　　业务模型预测是网络规划中不可缺少的环节，而混合业务模型预测是一个很复杂的问题，也是制约网络规划准确度的瓶颈。

　　根据3GPP规范定义，WCDMA网络提供的业务可以分为会话类业务、交互式业务、流业务、背景类业务4类。一般将会话类业务定义为电路型(CS)业务，该类业务上下行对称；交互式业务、流业务、背景类业务定义为分组数据(PS)业务。这些业务上下行不对称。

　　WCDMA目前承载业务有语音业务、视频电话、视频会议、移动电子商务、下载类游戏娱乐、WAP浏览、WWW浏览、音频流业务和视频流业务、电子邮件、短信业务、信息服务等业务，未来还会有许多目前不大可能预知的其他应用业务，承载业务的使用比例随时可变。承载的业务比例不同，混合业务模型就不同，因此网络规划和设计时要给出准确模型是不可能的，只能给出近似预测，随着网络的发展业务模型还要不断调整。

　　CS域业务模型的主要参数有：忙时会话次数、承载速率、激活因子、平均呼叫持续时间、渗透率、平均忙时会话话务量。

　　PS域业务模型的主要参数有：业务的单用户忙时会话次数、承载速率、每会话包含的数据呼叫次数、每数据呼叫包含的分组包数、平均分组包大小、数据呼叫间的阅读时间、分组包到达时间间隔、每个会话平均通信时长、误块率、激活因子、平均呼叫持续时间、渗透率、平均忙时会话话务量。

　　混合业务模型预测，就是要预测出上述这些参数，并转化为规划软件的输入参数。

　　2.2　传播模型

　　2.2.1　传播模型公式

　　传播模型是移动通信无线网络规划的基础，用来预测无线电波在各种复杂传播路径上的路径损耗。移动通信无线传播环境极为复杂，采用合适的传播模型或校正过的传播模型，可以提高覆盖预测的准确度，可以针对特定市场的具体传播环境，设计出合理的无线网络建设方案。

　　a)考虑到各种现有传播模型的使用条件，建议密集市区采用标准宏蜂窝模型，见式(1)。

　　P_Loss=K₁=K₂lgd+K₃H_ms+K₄lgH_ms+K₅lgH_eff+K₆lgH_efflgd+K₇D_diffn+C_{_Loss}　　(1)

　　式中：

　　d——基站和手机间的距离(km)

　　H_ms——基于地面上的手机高度(m)，可指定一个惟一值或不同的地貌有不同的值

　　H_eff——基站的有效高度(m)

　　D_diffn——用Epstein，Peterson，Deygout或Bullin-gton等计算出的衍射损耗

　　K₁-K₇——分别为偏置常数、距离因子、手机有效高度因子、Okumura Hata对手机有效高度的因子、天线的有效高度因子、Okumura Hata对lgH_efflgd的因子、衍射因子

　　C_loss——地貌因子

　　b)该模型的使用条件如下：

　　(a)适用频率150MHz-2GHz；

　　(b)基站半径大于0.5km；

　　(c)基站高度30-200m；

　　(d)接收机高度1-10m；

　　(e)数字地图需要高度、地形信息，精度一般采用20-200m。

　　2.2.2　传播模型校正

　　上述传播模型是经验公式，在网络规划或设计时，一般都需要模型校正，以提高覆盖预测的准确度。模型校正的方法主要有以下两种方式：

　　1)CW测试

　　这种方式是选择具有代表性的基站站点，并架设CW测试发射机和天线，使用空白的频点进行发射；通过车载系统收集大量测试数据，然后通过数据后处理和分析，完成传播模型的校正。

　　2)现网导频功率车载测试

　　这种方式是针对典型地物区域选择代表性的基站，通过大量的车载测试，收集现有网络中代表性基站的导频接收功率数据，然后通过数据后处理，用于校正原始的传播模型公式。这种测试方式不需要额外的发射机，只需要接收系统和后台分析软件。WCDMA在国内尚无商用网络，目前还不能采用这种方法。

　　电子地图是覆盖预测和传播模型校正必需的数据，它的精度和采集时间也很关键，反映了地貌和建筑物的变化。

　　2.3　网络预设计

　　2.3.1　链路预算

　　链路预算是对一条上行或下行通信链路上的各种损耗和增益的核算，对系统的覆盖能力进行估计，获得保持一定呼叫质量下链路最大允许路径损耗。有了最大允许路径损耗，利用已知的传播模型就可以计算出小区的覆盖范围(半径)。

　　图1是链路预算模型，上下行链路分别进行迭代计算，最后平衡得到小区的覆盖半径。

图1　链路预算模型

　　对于WCDMA，不同业务的覆盖半径是不同的，需要对每种业务分别进行链路预算，得到每种业务的覆盖半径，然后根据运营商连续覆盖要求确定以哪种业务的覆盖范围作为小区的覆盖半径。

　　2.3.2　规模估算

　　规模估算是无线网络规划和设计的重要环节，规模估算的目标是估算出要求覆盖区域的基站(Node B)数和站点配置要求。

　　根据链路预算确定的小区覆盖半径和式(2)，可以得到单个Node B的覆盖面积。

　　S=Kd²　　(2)

　　式中：

　　S——小区的覆盖面积

　　d——小区的覆盖半径

　　K——与扇区数相关的常数，其取值见表1

表1　K值表

站点配置	全向	2扇区	3扇区	6扇区
K值	2.6	1.3	1.95	2.6

 

　　根据式(3)可得到Node B数。

　　Node B数=要求的覆盖面积/单个Node B的覆盖面积　　(3)

　　2.3.3　宏蜂窝基站设置和站址勘查

　　由于WCDMA是同频自干扰系统，确定宏蜂窝基站布点方案应遵循以下原则：

　　a)在WCDMA覆盖区内，应保证WCDMA的连续覆盖，避免与GSM网络的频繁切换；

　　b)尽量避免WCDMA不同频率间、WCDMA与GSM网络间的硬切换，WCDMA网络与GSM网络的切换边界应设置在话务量、数据流量较小，且切换量小的地区；

　　c)充分利用现有通信网络资源(如机房和传输设备等)，尽量与现有通信机房同站址；

　　d)考虑与其他移动通信网络(如GSM1800、PHS网)的干扰隔离，天线设置应保证必要的垂直或水平空间隔离：

　　e)根据具体地域情况设置天线高度，原则上密集市区、市区的天线挂高为30-40m，郊区为30-50m，农村视具体情况而定：

　　f)基站新站址宜选在安全、交通便利、供电可靠的地方，不宜设在大功率无线电发射台、大功率电视发射台、大功率雷达站等附近。

　　g)在地图上选出基站位置，再到现场勘查。通过勘查得到基站的经纬度，天线的挂高、方位和下倾角等第一手现场资料。

　　2.4　话务分布及终端数预测

　　2.4.1　话务分布预测

　　话务分布预测的方法有3种：

　　a)根据覆盖区域类型划分(一般分为密集市区、市区、郊区、乡村、特殊地区(如热点地区、山区、铁路、公路等))，按比例分配总话务；

　　b)根据人口分布分配总话务；

　　c)通过运营商的OMC-R统计得到现网话务(如GSM、CDMA、PHS)，利用现网(如话音用GSM、数据用GPRS)的忙时话务作为话务分布依据。如首先在Aircom规划软件的GSM模块中生成话务密度图；再将这些密度图导入到规划软件的WCDMA模块中，乘以一定的比例因子得到UMTS话务密度图。显然，利用现网话务分布密度预测网络规划的话务分布更接近实际。

　　2.4.2　终端数预测

　　用Aircom仿真规划时需要输入每种业务的终端数，无论对CS域还是PS域，该数都是一个平均数。在Monte Carlo仿真的每次snapshot中，软件实际生成的终端数都是不同的，它们是设定的终端数按照泊松分布产生的随机数。根据统计学的观点，同时打电话的人数是一个按照泊松分布产生的随机数，这样软件输入的终端数就不需要查Erlang B表，而是将每种业务的话务量作为终端数的输入值。

　　每种业务的话务量为预测用户数与每用户每业务的忙时话务量的乘积。

3、网络规划

　　3.1　网络规划流程

　　网络规划是设计流程中的一个环节，就是用无线规划软件进行模拟仿真。通信系统的仿真一般分为两个层次：第一层是链路级仿真，主要进行物理链路性能仿真与评估；第二层是系统级仿真，主要进行整个通信网络的系统建模、分析、评估与网络规划。

　　链路级仿真的结果反映了业务的QoS性能：系统级仿真基于特定的蜂窝网拓扑结构，考察一定数量的基站和移动台之间的交互业务性能。目前在网络规划和工程设计时，一般采用系统级仿真的静态仿真，如Monte Carlo方法。设计工程师能够根据仿真结果及时调整设计方案，网络的各种性能指标也能够直观形象地呈现出来。

　　网络规划流程见图2，本文以Aircom为例介绍规划的流程、输入输出、硬件容量配置等。

图2　网络规划流程

　　模拟仿真基于Monte Carlo算法，移动用户根据预先输入的话务被随机地分布在指定的区域里。每个用户被指派了随机的位置、随机的业务类型和移动性、移动终端类型、上下行速率、业务状态。

　　3.2　网络规划的输入参数

　　a)频率参数。载波中心频率，上下行成对出现，一对或多对频率。

　　b)承载参数。业务速率、FER、硬件资源消耗(与厂家设备有关)、Eb/No(各种业务和车速)、功率控制、TXP增益、处理增益。

　　c)业务参数。载波中心频率、激活因子、分组数据参数(平均包大小、每次会话包呼叫次数、每次呼叫数据包个数、两次呼叫之间的阅读时间、包间到达时间、BLER工作点等)。

　　d)基站与小区参数。Node B名称、Node B ID、Cell ID、基站的经纬度、天线类型、天线的挂高、方位、下倾角、馈线长度、噪声升高限制、正交因子、导频功率、最大发射功率、主公共导频信道功率、次公共导频信道功率、主同步信道功率、次同步信道功率、软切换窗口、噪声系数、激活集大小。

　　e)终端参数(话音和数据)。移动台最大功率、发射功率动态范围、功率步长、需要的Ec/Io、天线增益、人体损耗、噪声系数。

　　f)传播模型参数。载波中心频率、终端高度、方差、各K值和clutter值。

　　g)室内穿透损耗参数(各种地貌)。室外衰落方差、室内衰落方差、室内损耗。

　　h)Node B类型定义。根据厂家设备定义。

　　3.3　网络规划的输出

　　a)Aircom可以输出Ec/Io、软切换、导频污染等几十个关键参数的仿真图，参见图3；

图3　Ec/Io仿真图

　　b)以Excel表的形式给出仿真统计结果；

　　c)以Excel表的形式给出邻小区规划表；

　　d)以Excel表的形式给出扰码规划表；

　　e)以Excel表的形式给出基站布局、小区参数和每个基站每种业务每次会话的话务量等。

　　3.4　Node B信道板数计算

　　Node B信道板数计算步骤如下：

　　a)在用Aircom规划软件做完Monte Carlo后，选择TOOLSSim Traffic Node B，将话务量写入每个Node B；

　　b)将Node B的业务类型和话务量输出到Excel中；

　　c)在Excel中统计每个Node B、每种业务的平均Erlang数；

　　d)利用折算的方法，将所有数据业务折算为话音业务，或将所有业务折算为某种数据业务，得到总的话务量，反查Erlang B表，得到每个Node B的总业务信道数；或者根据Campbell定理计算总业务信道数；

　　e)业务信道数+控制信道数(包括信令和控制)=总信道数；

　　f)根据厂家设备配置原则，可算出每个Node B所需的信道板数，如某厂家设备一个信道板支持48个CE，那么

　　信道板数/Node B=max(roundup(CE/48))　　(4)

4、结束语

　　无线网络规划是一个不断调整最终达到满意结果的动态过程。由于WCDMA是自干扰和支持多业务的技术特点，导致网络规划更加复杂化，有很多技术细节需要进一步探讨。

　　本文以Aircom规划软件为例，给出无线网络规划流程和输入输出参数，提出了利用现网话务预测话务分布密度，使话务分布更接近实际。本文也做出了新的尝试，用网络规划指导工程设计，将Monte Carlo分析结果输出到Excel表中进行统计处理，进而计算出基站信道板数，减少了设计的盲目性，提高了网络的投资效益。

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