WCDMA无线网络规划的分析

要害词：宽带码分多址；网络规划；容量；覆盖

Abstract:Characteristics of the WCDMA system and its radio network planning, and the planning PRocess are introdUCed. Some key problems in WCDMA network planning are analyzed, including traffic analysis, system capacity, load factors, interference margin and cell coverage. Finally, essentiality of research in WCDMA network planning is pointed out.

Key Words:WCDMA; network planning; capacity; coverage

    WCDMA支持FDD和TDD两种基本的双工模式，采用直接序列扩频( DSSS)，基站同步采用异步或同步方式。其中WCDMA-FDD方式的优势在于码片速率高，有效地利用了频率选择性分集与空间的接收和发射分集，可以解决多径和衰落问题，同时这种方式采用Turbo信道编码，可以提供较高的传输速率，下行基站区分采用独有的小区搜索方法，无需基站间严格同步，而连续导频技术能够支持高速移动终端。WCDMA不仅提供了良好的性能，而且能够从GSM系统平滑过渡，为3G运营提供了良好的技术基础[1—3]。

1 WCDMA无线网络规划的一般步骤

1.1 WCDMA无线规划的特点
    第2代移动通信网的规划策略是基于两个分离的过程。这两个过程，一般称之为覆盖范围规划和频率规划，是由不同的方法完成，分别遵循覆盖范围准则和容量准则。规划的策略是从早期移动通信系统所处的典型环境得出的，覆盖范围是一个限制因素。然而，向第3代移动通信系统的进化，标准是容量需要和频谱效率的改善，在后续利用各种可用资源的优化阶段仍然要考虑简单性。因此，WCDMA无线规划的最初蜂窝设计(包括密度、大小和蜂窝类型)不能用纯覆盖范围准则。在其初始规划阶段就要考虑容量需求，由是否需要冗余保护蜂窝或使用提高容量技术(如自适应天线)来确定某一区域配置的蜂窝结构类型。

1.2 WCDMA移动通信系统无线网络规划的一般步骤
    无线工程设计通常包括确定设计目标及信息收集、初步设计、站址勘察和最终设计等几个阶段。
    在进行网络规划前，先要确定设计目标。主要包括所要覆盖的区域、每个区域所支持的业务类型、每个区域内每种业务所要达到的覆盖率等。此外，还要收集各种业务量的密度分布图、地形地貌数据资料、客户初选的站址信息和网络增长规划等信息。设计目标应综合考虑市场需求和成本因素，例如考虑是否需要在乡村实现各种高速数据业务的无缝覆盖，这些因素将极大地影响所需要的基站数目和配置。然后，根据所收集的信息进行初步设计。包括建立传播模型和制定链路预算表，评估客户站点并建议新站点，以及计算机辅助的网络覆盖及干扰分析等(如图1所示)。初步设计要根据各区域的具体情况制定出相应的业务量规划和链路预算，分别从容量和覆盖的角度估算基站数量，将两者平衡，并结合客户提供的初选站址信息，得出基站的初始布局。

2 业务量
    对于以往提供单一话音业务的移动通信网来说，业务指标包括用户密度、每用户爱尔兰数、阻塞率和通话质量要求(误码率和对应的信噪比)，描述及处理这种电路型业务的数学统计模型就是Erlang B模型及其公式。除了话音外，3G提供的业务还包括各种速率的实时和非实时数据业务。如何描述这些新的业务、业务需求量以及在多业务环境下的业务处理模型成为3G的一个难点。
    业务模型是通信系统性能评估的要害所在，假如想要获得对实际的系统设计有意义的结果，用于仿真的业务源就必须能够正确反映实际业务的统计特性。业务模型的建立是基于以下几个要素的折衷：拟合性、描述模型的参数数目、参数估计复杂度以及仿真执行时间。

2.1 语音业务的建模
    移动通信系统中最典型的业务是语音业务，而传统的分析模型都是采用泊松(Poisson)过程的两状态Markov ON/OFF模型。
    在两种状态的ON/OFF模型中，当模型处于通话状态(ON)时，产生话音数据；当处于停顿状态(OFF)时，不产生数据。两种状态的时间均服从指数分布。但实际通话中，既有长时间倾听对方的停顿，也有说话时字节间的短暂停顿，故停顿状态并不只是一种，而应根据时间尺度有所不同。另外，WCDMA系统采用AMR声码器和话音激活技术，不仅利用了话音活动的不同周期，而且考虑了不同的背景噪声。显然，在WCDMA系统中仅使用ON/OFF两种状态并不能准确描述话音业务。
    文献[4]中提出了一个时间离散、基于Markov链的随机过程SBBP(Switched Batch Bernoulli Process)模型，此模型可以采用不同状态数的SBBP模型模拟可变速率码激励线性猜测(VR－CELP)声码器。
    SBBP模型的状态数目越多，与实际的声码器输出越接近，但代价是计算的复杂度越高。

2.2 数据业务的建模
    将来WCDMA最重要的应用是由无线上网带来的大量的数据业务，但传统的网络业务模型假设(如Poisson过程)并不适用于互联网业务。互联网业务表现为极强的突发性，这种统计特性称为自相似特性。
    WWW业务的到达过程不仅由用户的行为决定，而且与WWW业务本身的特点有关。根据统计分析，WWW业务到达过程大致可以分为3个状态：用户对网页的点击(即ON状态)将自动发出多个请求来下载该网页链接，这些请求以间隔很小的突发(burst)形式到达；用户进行简短的网页浏览寻找感爱好的信息，此间隔持续时间较短，可以称为OFF Short状态；用户对感爱好的信息进行仔细阅读，此间隔持续时间较长，可以称为OFF Long状态。此外，还需考虑上述过程中每个请求的文件大小分布组成。其中ON、Burst和OFF Short周期概率分布服从Weibull分布，OFF Long周期概率分布服从Pareto分布，文件大小分布近似服从Pareto分布。WWW业务模型的用户持续时间的概率分布大致服从指数分布，因为WWW业务的持续时间完全由用户的自然行为决定，与其他因素无关。
    此外，具体的数据业务还包括FTP、WAP、视频业务等。它们各有各的特点，需要分别建模，又考虑到在前向链路和反向链路中各种业务的不同特点，要分别建立上下行链路模型。因此业务建模是很复杂的，只有在实践中不断摸索完善。

2.3 混合业务的建模
    WWW数据业务具有自相似性，进而表现出长期相关性，与传统可用Poisson模型或其变形模型描述的话音业务所表现出的短期相关性有很大差异，故这两种业务源相互独立。而对于基于流的数据业务，其特性与话音业务非常接近。为简化分析可以假设：系统中典型业务源是话音和WWW数据业务；两种业务的请求发起彼此相互独立；一个用户在一次通话过程中只进行一种业务。那么，混合业务模型就可直接采用前面所述的模型直接叠加后建模。
    预期数据业务的模型将涉及服务内容及不同业务的特点、地区类型、用户数、用户增长、忙时每用户话务量、所在地区最小承载速率、所在地区最大承载速率及运营策略等因素，因此建立能准确猜测不同业务的模型是比较困难的。中国移动GPRS业务在全国的开展，将为今后升级到WCDMA网络时建立数据业务分析模型打下一定基础。

3 小区容量与覆盖半径

3.1 系统容量
    假设在单一小区、同一载频上有K个用户(业务类型相同，信号功率相同)，可得理论用户数为：

3.2 负载因子
    考虑到其他小区的干扰，上行链路总负载因子可以定义为：

    其中：N为本小区用户数, Vj为第j个用户话音激活因子, Rj为第j个用户比特速率, α为其他小区干扰与本小区干扰的比。
下行链路负载因子平均值为：

3.3 干扰电平容限
    假设小区有N个用户，用户发射功率相同, 则： 
    系统干扰电平容限＝10lg[1/(1-η)]=-10lg(1-η)，
    由上式可见，干扰电平容限与负载因子成正比，干扰电平容限值越高，负载因子越大，实际网络容量越接近饱和态；干扰电平容限值越低，负载因子越小，实际网络容量越接近空载状态，系统容量储备越足。
    链路预算样本表中干扰电平容限值直接影响整个链路的最大路径衰耗值计算，影响小区覆盖。干扰电平容限值越高，最大路径衰耗值越小，小区覆盖范围越窄；反之，干扰电平容限值越低，最大路径衰耗值越大，小区覆盖范围越广；干扰电平容限与覆盖成反比关系，二者紧密相联。
    可见干扰电平容限是架起系统容量和覆盖的桥梁。容量、覆盖是相互制约的，实际网络容量越接近饱和态，干扰电平容限值越大，覆盖范围越窄；实际网络容量越接近空载，干扰电平容限值越小，覆盖范围越广。上、下行干扰电平容限值的不同，是决定上、下行覆盖范围非平衡性的原因之一。容量的充分利用，覆盖范围的最大化，上、下行容量和覆盖的平衡是网络设计目的。

3.4 小区覆盖半径与链路预算
    WCDMA系统的链路预算不是一个单纯的线性过程，它和小区的负荷估算是结合进行的。首先，必须根据在不同移动台速度下每种业务的质量要求，获得相应的上、下行的Eb/N0指标值(一般由设备厂家给出)，由此计算出各种业务的参考接收灵敏度。参考接收灵敏度与系统热噪声、业务速率和Eb/N0有关。然后，在设定或者已知小区负荷的情况下，上行最大答应路径损耗的计算就变成一个简单的与GSM系统上行链路预算相似的计算过程。而下行链路的预算问题要复杂些，面对的是如何把有限的总发射功率分配给各个活动终端的问题。鉴于终端位置分布、终端软切换状态等不确定性，必须建立一个模型，作一些简化性的假设，然后才能计算出一个统计性的结果。

    小区最大半径是针对具体实施情况来计算的，由最大路径损耗给出。如基站天线高度30 m，移动台天线高度1.5 m，载波频率1 950 MHz的大城市宏小区采用Okumura-Hata模型时的小区最大半径为：
dmax=10(Lmax-137.4)/35.2。
    结合上面提到的业务处理模型、小区容量估算和链路预算方法，就可以对无线网络的载波数、基站数等进行预估。上、下行小区的覆盖范围需要通过迭代算法来求得。对于上行链路首先要设定上行小区负荷的上限值，然后根据用户密度求出与之对应的小区覆盖半径。对于下行链路，可以用下行功率预算法或下行小区负荷门限法求出下行的覆盖半径。最后，还要对上、下行链路进行平烩，然后根据算出的小区覆盖半径，就可以算出需要的基站数。
    举一个典型的WCDMA业务为例说明链路预算的方法。在城市宏小区环境中的144 Kb/s的实时数据业务(室外基站覆盖室内用户，可软切换)的上行链路预算如表1所示。

4 结束语
    WCDMA数字蜂窝移动通信网的网络规划涉及无线通信、交换、信令、同步、计费、网管等多种通信技术，是一个系统工程。一个好的网络规划，可以为运营者的投资建设提供很好的决策依据，为建设优质、高效的移动通信网提供科学的先期指导，从而为经营者在市场竟争中占领先机提供有力的技术支撑。不论今后移动通信将如何发展，网络规划都是一个永恒的研究课题。

5 参考文献
    [1] 胡捍英，杨峰义. 第三代移动通信系统[M]. 北京：人民邮电出版社，2001.
    [2] Ojanpera T, Prasad R.宽带CDMA：第三代移动通信系统技术[M]. 朱旭红,卢学军 译. 北京：人民邮电出版社,2000. 
    [3] Harri Holma，Antti Toskala.  WCDMA for UMTS[M].  New York：John Wiley Sons, 2001.
    [4] Zhou Sheng, Wan Peng, Liu Xiao-yu, et al. Traffic Modeling in WCDMA System Level Simulations[J].  CHUPT, 2002, 9 (1).

罗文茂，南京邮电学院通信工程系在读硕士研究生。主要研究方向为无线通信和微波技术。
梅辉，南京邮电学院通信工程系在读硕士研究生。主要研究方向为移动通信。