（通信与信息系统专业论文）wcdma系统无线网络规划方法研究.pdf

摘要 摘要 无线网络的建设质量对整个移动网的服务质量起到关键性作用，因此无线网 络的规划是整个移动通信网规划的关键及基础。由于移动通信网具有用户的分布 和无线信号不确定的特点，使移动通信的无线网规划变得相当具有挑战性。第3 代( 3 g ) 移动通信网对多种业务的引入和技术复杂程度的增加，又使其无线网络规 划的难度大大增加了。对3 g 系统无线网络规划方法的研究是目前第3 代移动通信 网研究的热点之一。 w c d m a 系统是3 g 系统制式之一，本文的主要工作就是对w c d m a 系统无线 网络规划出现新的问题、特点和方法进行探讨，在参考a l c a t e l 公司的业务处理 模型w 的基础上，对上行链路的分析采用了目前广泛认同的上行链路“小区负荷” 门限法；对下行链路的分析则主要参考了文献 6 】的研究成果，对下行链路的总发 射功率进行估算，通过以上三者的结合，开发出一套实用的无线网络规模预估的 方法和程序。另外，对无线网络规模预估中涉及的参数取值问题的研究，也是本 文的另一重点。 本文首先对无线网络规划的一般步骤和工作范围作了概括；第二、三两章对 w c d m a 系统的技术特点和无线网络规划中遇到的一些新问题作了说明；在接下 来的第四六章里，对业务指标和业务处理模型、w c d m a 系统上下行链路分析方 法、无线网络规模预估方法等一些w c d m a 无线网络规划的关键问题加以着重探 讨，然后对无线网络规划的工具和一些相关的参数取值进行了详细说明，最后举 了一个实际的例子来说明w c d m a 无线网络规划的业务数据处理和具体的过程。 本文系统地介绍了w c d m a 系统无线网络规划的理论、方法及步骤，提出了 一套的完整的无线网络规模预估的方法和程序，这套方法是在比较了几家主要设 备供应商提出的思路并深入研究了相关理论和近期国外有关文献后，经比较和综 合后开发出来的，可直接应用于w c d m a 系统实际网络的规划中，其思路对于象 c d m a 2 0 0 0 这样采用e d m a 技术的3 g 系统的无线网规划也有参考作用。 关键词：无线网络规划；无线网规模预估；业务模型；链路预算：小区负荷 兰旦翌王奎= i = 堡主：兰垡笙苎 a b s t r a c t t h e q u a l i t yo f r a d i on e t w o r kc o n s t r u c t i o nh a sac r u c i a li n f l u e n c eo nt h es e r v i c e q u a l i t yo ft h ew h o l em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，a n dt h er a d i on e t w o r kp l a n n i n g p l a y s a k e y r o l ei nt h ew h o l em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k p l a n n i n g t h e u n d e t e r m i n a b i l i t y o fu s e rd i s t r i b u t i o na n dr a d i o s i g n a ls t r e n g t h m a k et h er a d i o n e t w o r kp l a n n i n gac h a l l e n g i n gt h i n g d u et ot h ei n t r o d u c t i o no fm u l t i p l es e r v i c e ( v o i c e a n dd a t a ) a n dt h ei n c r e a s e c o m p l e x i t yo ft e c h n o l o g ye m p l o y e d ，t h er a d i o n e t w o r kp l a n n i n go f3gs y s t e mb e c o m e sm o r ed i f f i c u l t y ，a n dt h er e s e a r c ho nw h i c h i so n eo f h o t s p o to f 3 gs y s t e mr e s e a r c hf i e l d t h i sp a p e rf o c u s e so nt h en e wi s s u e s ，f e a t u r e sa n dm e t h o d so ft h er a d i on e t w o r k p l a n n i n g o fw c d m a ，w h i c hi so n eo f3 gs y s t e ms t a n d a r d s b a s e do na l c a t e l c o m p a n y st r a f f i cm o d e l 3 1 ，t h ew i d e l ya d a p t e dc e l ll o a dt h r e s h o l da n a l y s i sm e t h o d f o ru p l i n ka n dt h ee s t i m a t i o nm e t h o do f r e q u i r e dt r a n s m i s s i o np o w e r f o rd o w n l i n k ap r a c t i c a lp r o c e d u r ea n dp r o g r a mo fr a d i on e t w o r kd i m e n s i o nh a sb e e nd e v e l o p e d a d d i t i o n a l l y ，t h e d i s c u s s i o no ft h ev a l u ea s s i g no fp a r a m e t e r si nr a d i on e t w o r k d i m e n s i o na l g o r i t h mi sa n o t h e re m p h a s i so ft h i sp a p e r t h i s p a p e rf i r s t s u m m a r i z e st h e g e n e r a lp r o c e d u r ea n dw o r ks c o p e o fr a d i o n e t w o r k p l a n n i n g i nt h e2 “4a n dt h e3 ”c h a p t e r ，t h et e c h n o l o g yf e a t u r ea n dt h en e w i s s u e so fr a d i on e t w o r kp l a n n i n go fw c d m a s y s t e ma r ed e s c r i b e d t h ef o l l o w i n g t h r e ec h a p t e r si nt h i sp a p e rp a r t i c u l a r l yd i s c u s st h ek e yp r o b l e m si nr a d i on e t w o r k p l a n n i n go f w c d m as u c ha ss e r v i c ed e f i n i t i o na n dt r a f f i cm o d e l s ，w c d m a s y s t e m r a d i o u p l i n k a n dd o w n l i n k a n a l y s i s m e t h o d sa n dt h ew c d m ar a d i on e t w o r k d i m e n s i o na l g o r i t h me t c a n dt h e n ，t h ei n t r o d u c t i o no fw c d m a r a d i on e t w o r kp l a n t o o l sa n dt h ed e t a i l e de x p l a n a t i o nf o rt h ev a l u ea s s i g no fp a r a m e t e r si nr a d i on e t w o r k d i m e n s i o na l g o r i t h ma r eg i v e n f i n a l l y ，ac a s eh a sb e e ng i v e nt oe x p l a i nt h et r a f f i c d a t ah a n d l i n ga n dt h ew h o l er a d i on e t w o r kd i m e n s i o n p r o c e d u r e t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c et h et h e o r y ，m e t h o d sa n dp r o c e d u r eo ft h e r a d i on e t w o r kp l a n n i n go fw c d m a s y s t e m ，a n d a ni n t e g r a t e d a p p r o a c ho fr a d i o n e t w o r kd i m e n s i o ni s p r e s e n t e dw h i c hi sd e v e l o p e da f t e rt h o r o u g hs t u d yo fr e l a t e d t h e o r i e s ，c o m p a r i s o no ft h em e t h o d so fs e v e r a lm a j o rs y s t e mp r o v i d e r s a n dr e c e n t i i r e l a t e dr e s e a r c ha r t i c l e s t h ep r o g r a mi m p l e m e n t e dw i t ht h i sa l g o r i t h mc a nb eu s e d i np r a c t i c a lw c d m as y s t e mn e t w o r kp l a n n i n g t h em e a n so ft h i sp a p e ra l s o h a s u s e f u lr e f e r e n c et or a d i on e t w o r kp l a n n i n go fo t h e r3 gs y s t e m st h a t u s e dc d m a t e c h n o l o g yi nt h e i rr a d i oi n t e r f a c e ，s u c h a st h ec d m a 2 0 0 0s y s t e m - k e y w o r d s ：r a d i o n e t w o r kp l a n n i n g ；r a d i on e t w o r kd i m e n s i o n ；t r a f f i cm o d e l l i n kb u d g e t c e l ll o a d i i l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：己圆年i 月f 岁臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 1 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：扫d 以年j 工月f 岁日 日期州年朋舯 第一章绪论 第一章绪论 1 1 蜂窝移动通信系统无线网络规划方法的简介 蜂窝移动通信技术在近二十年来一直以惊人的速度发展着。8 0 年代初期， 以欧洲的t a c s 系统和北美a m p s 系统为代表的第一代移动通信系统得到了广泛 应用，也开创了国际漫游和开放标准的概念，这两种制式均采用模拟调制。第二 代蜂窝移动通信主要以g s m 、d a m p s 和i s9 5 为代表，均采用了数字调制，其中 i s9 5 采用了频谱利用率较高的c d m a 技术，区别于以往的第一代系统和g s m 、 d a m p s 系统的频分时分多址技术。为了满足容量及高速移动数据业务的需求， 近年来发展起来的第三代移动通信( 以下简称3 g ) 技术以w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 为代表，这三种制式均采用了宽带的c d m a 技术。随着蜂窝移动 通信技术制式的发展，与之相应的网络规划方法也一直是研究的热点之一。 蜂窝移动通信系统的规划，简单来说，就是要解决如何最有效地利用系统性 能和资源来满足呈动态变化的用户需求，使系统的投资效益最高并且符合运营商 提出的服务质量指标要求。它是联系蜂窝移动通信系统性能和实际网络建设之间 的纽带。由于蜂窝移动通信网具有用户的分布和无线信号不确定的特点，使移动 通信系统的规划变得相当具有挑战性；另外多种业务的引入和系统复杂程度的增 加也使网络规划的难度相应地增加了。 由于蜂窝移动通信系统很大一部分的工程投资是在无线网络部分( 在g s m 系 统中称为“基菇子系统”，在3 g 系统中称为“无线接入网( r a n ) ”，在本文中 统称为“无线网络”) ，由于无线网络对整个网络服务质量起到关键性作用，使 无线网络的规划成为整个移动通信网规划的关键及基础。 不同的蜂窝移动通信系统的无线网络规划都有其共同点和不同点。其共同点 是无论哪一种制式，无线网络规划的总体步骤都是一样的( 见本文1 3 节的描述) ； 只要频段一样，电波传播的预测模型是通用的；在移动通信系统中由于用户的流 动性及无线信号的不确定性，均大量采用了概率统计的方法进行描述，因此无论 是哪种移动通信系统必然会使用到一些相同的概念和方法，例如：衰落余量、面 积覆盖率、最大允许路径损耗计算等等。但根据不同的制式所采用的具体技术和 开展的业务不同，各个系统又有各自的特点，例如：频分多址系统的小区覆盖跟 小区的业务负荷是两个独立的变量，而在码分多址系统里两者却密切相关；还有， 华南理上大学工学硕士学位论文 相对于第二代移动通信系统来说，在第三代移动系统里面增加了大量的数据业务 使用户业务量处理的复杂性增加了。 1 2 蜂窝移动通信系统无线网络规划的工作范围及本文内容 蜂窝移动通信系统无线网络主要组成部分包括：无线网络控制器( 基站控制 器) 、基站以及无线网络控制器基站核心网三者之间的接口链路。 蜂窝移动通信无线网络规划主要包括以下内容：具体用户密度的分布预测、 链路预算、基站布点规划、频率规划、网络质量预测和分析、设备规模、传输接 口估算、网络主要参数没置、网络发展策略等。 在本章剩下的内容里，将首先对无线网络规划的一般步骤和工作范围作一个 概括性介绍；二、三两章对w c d m a 系统的技术特点和无线网络规划中遇到的新 问题作了说明：在接下来的第四六章垦，对业务指标和处理模型、w c d m a 系统 上下行链路分析方法、无线网络规模预估方法等一些w c d m a 无线网络规划的关 键问题加以着重探讨，在七、八两章，对无线网络规划的工具和一些相关的参数 取值和其他涉及的问题进行了详细说明，最后举了一个实际的例子来说明 w c d m a 无线网络规划的数据处理和具体过程。 1 3 蜂窝移动通信系统无线网络规划的一般步骤 蜂窝移动通信系统无线网络的规划是属于工程建设规划，一般是在整个网络 的采用制式、大致的规模和发展策略制定之后，在进入实际工程实施前的具体建 设规划，可作为设备合同签订的依据和具体工程设计的指导。 无论是哪一种制式的蜂窝系统，我们均可将其完整的无线网络规划过程归纳 为以下7 个步骤，这里每个步骤的方法根据不同的系统有不同的特点和要求。 第一章绪论 1 、业务数据收集、质量指标的确定和网络 总体发展规划的制定 2 、无线网络规模预估( 包括基站设备量、载 频数、无线网络控制器规模、数量及接口传输 电路数量的预估) 3 、收集已有基站资料、制定基站初步的布 点计划 4 、进行计算机模拟预测，验证覆盖、容量 和各项质量指标 5 、基站布点、高度调整及优化，必要时进 行实测及参数调整 6 、各种设备的数量、规模计算及初步规划 方案输出 7 、根据工程的实际情况，进行方案的进一 步调整 图1 1 ：完整的无线网络规划过程 在下来的两章里，将主要介绍w c d m a 系统的技术要点及其无线网规划的特 殊之处。 华南理工大学硕士学位论文 第二章w c d m a 系统主要技术特点 w c d m a 技术，或称i m t 2 0 0 0 c d m a d s ，由欧洲和同本最早提出，其核心 网基于演进的g s m 网络，空中接口采用直接扩频( d s ) 的宽带c d m a 。w c d m a 系统规范目前由3 g p p 标准化组织制定，3 g p p 组织成立于1 9 9 8 年1 2 月，目前由 a r i b ( 日本) 、c w t s ( 中国) 、e t s i ( 欧洲) 、t 1 ( 北美) 、t t a ( 韩国) 、t t c ( f 1 本) 等6 个成员组成。该组织以欧洲e t s iu t r a 提案和日本a r i bw c d m a 提案为蓝本， 以g s m 核心网络为基础制定下一代的移动通信体制标准w c d m a 。3 g p p 于2 0 0 0 年6 月形成了较为成熟的w c m a 标准一r e i e a s e 9 9 ( r e l e a s e3 ) 版本，浚标准采用 直接序列扩频方式及异步小区工作模式( 无需g p s ) ，并具有频分双t ( f d d ) 及时 分双i ( t d d ) 两种方式。t d d 方式的技术目前尚不成熟，本文仅就f d d 方式进行 讨论。 在这里我们主要介绍与无线规划有关的w c d m a 的技术特点和空中接口技 术。 2 1 主要技术特点 一核心工作频段：f d d ) 2 行链路使用：1 9 2 0 1 9 8 0 m h z 频段；f d d 下行链路 使用：2 11 0 2 1 7 0 m h z 频段 一基本标称带宽5 m h z ； 一基本扩频码速率3 8 4 m c h i p s ； 一短帧长1 0 m s ，每帧包含1 5 个时隙，每时隙6 6 6 6 7 bs ，2 5 6 0 c h i p s ，代表一 个功控周期； 一可变扩频因子：4 - 5 1 2 ； 一语音编码：a m r ，可变速率，最高1 2 2 k b i t s 一数据速率：单码道：6 4 1 4 4 3 8 4 k b i t s ，单用户可用多码道同时传输，室 内可达2 m b w s 一高速率业务使用r i 检测；低速率业务使用盲检测 一纠错码；对不同q 0 s 要求的业务进行不同的信道编码的策略。标准业务 仅采用卷积编码( r = l 2 ，1 3 ，k = 9 ) ，高质量业务在卷积编码的基础上增加 r s 编码或采用t u r b oc o d e 的编码方法； 4 第二章w c d m a 系统主要技术特点 调制方式：上行q p s k ，下行h p s k 扩频：下行：可变长o v s f 码( 信道化)+ g o l d 序列2 1 8 ( 区分小区) ；下行 可变长o v s f 码( 信道化) + g o l d 序列2 4 l ( 区分用户) 一相干解调：下行：公用导频或专用导频信道( t d m ) ；下行：专用导频信 道( t d m l 一功率控制：内环：开环+ 外环：快速闭环( 1 5 k h z ) 基站间同步：无需g p s 的异步方式，同步( 需g p s ，可选) 2 2 空中接口协议结构 空中接口是指用户设备( u e ) 和u m t s 地面无线接入网( u t r a n ) 之间的 接口，简称u u 接口。空口接口技术是w c d m a 技术的关键所在，也是w c d m a 与 其它3 g 系统：c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 的主要区别所在。 在w c d m a 空中接口协议分为三层：最底层是物理层( l 1 ) ，在其上面依次 是数据链路层( l 2 ) 和网络层( l 3 ) ，如图2 1 所示。网络层负责网络到用户设 备的业务连接，数据链路层又由两个主要的功能块组成：无线链路控制( r l c ) 和 媒体接入控f h i j ( m a c ) 。r l c 协议主要负责用户数据传送、误码检测、流量控制、 协议错误检测和恢复、加密等功能；m a c 协议负责逻辑信道和传输信道之间的映 射，不同的逻辑信道通过它的复用或解复用可以映射进同一条传输信道。物理层 ( l 1 ) 则负责把传输信道映射到物理信道中，执行所有必须的射频功能使系统能 够运作，例如：同步和调频、码率匹配、扩频与调制、功率控制、软切换的执行 等。 从图2 1 中还可看到物理层通过传输信道向m a c 提供业务接入，m a c 又通过 传输信道向r l c 提供业务接入。逻辑信道直接承载用户业务，根据承载的信息分 为：控制信道和业务信道两类；传输信道则定义了数据在空中的传输形式，通常 分为专用和公用两类。w c d m a 系统在逻辑信道和物理信道之间引入传输信道的 作用主要是为了对系统容量进行优化，使多种业务能够共享相同的物理资源。每 一种业务，例如：数据、传真、话音等，传输信道根据每种业务的优先级将各种 业务组合复用进一个或多个物理信道，在这个复用映射的过程中使得物理信道的 空中传输速率率得到最有效的利用；物理信道以空中传输时的不同物理形式来区 分，区分方式包括：载频、码( 扩频码或扰码) 、相位和相对时间。详细描述请 华南理t 大学硕士学位论文 参考标准文件：r e l e a s e 9 9 的3 gt s2 5 3 2 1 、3 gt s2 5 3 2 2 、3 gt s2 5 3 3 1 、3 gt s 2 5 j 3 0 l 。 图2 1w c d m a 空中接口协议结构 2 3 物理信道及物理层技术特点 物理信道也可分为专用与公用两类，顾名思义，专用是指只被一个用户专用 的信道，公用是被整个小区或一组用户公用的信道。 主要的下行物理信道有：公共导频信道( c p i c h ) 、主公共控制物理信道 ( p c c p c h ) 、辅公共控制物理信道( s - c c p c h ) 、专用物理数据和控制信道 ( d p d c h d p c c h ) 、同步信道( s c h ) 等。主要的上行物理信道有：专用物理 数据和控制信道( d p d c h d p c c h ) 、公用物理随机接入信道( p r a c h ) 等。 w c d m a 上下行链路的专用物理信道有很大不同，上行链路专用数据信道和 专用控制信道是并行发送的，可允许多达6 个d p d c h 信道和一个d p c c h 信道同时 传输，而下行链路专用数据信道和专用控制信道是时分复用的。上行链路的i q 支 路映射发生在扩频之后，每个信道都完整地映射进同个i q 支路；而下行链路i q 支路映射发生在扩频之前，信道是每两个连续比特并行地分别映射进i q 支路，然 后与同一个实值扩频码( o v s f ) 相乘，再合并为一个复序列，由一个复扰码对 其进行加扰。 另外，无论是上行链路还是下行链路，用户信息数据发送的基本处理步骤是 一样的，但顺序并不一样，f 行链路信息发送的处理过程为：c r c 校验和尾比特 的加入、纠错编码、码率匹配( 打孔或重复) 、第一次交织、帧分段、传输信道 复用、物理信道分段、第二次交织、物理信道映射( 与专用控制信道比特进行复 第二章w c d m a 系统主要技术特点 用) 、i q 支路映射、扩频、复加扰、增益因子调幅、调制、发射。上行链路信息 发送的处理过程为：c r c 校验和尾比特的加入、纠错编码、第一次交织、帧分段、 码率匹配( 打孑l 或重复) 、传输信道复用、物理信道分段、第二次交织、物理信 道映射( 不用与专用控制信道比特进行复用) 、扩频、增益因子调幅、i q 支路映 射、复加扰、调制、发射。 还有一点还需要了解的是，同步信道与( 包括主同步信道p s c h 和辅同步信 道s s c h ) 是不进行扩频和加扰的，它所用的码不是g o l d 码，与其他下行信道 的扰码是不正交的，对其他下行信道形成一定的干扰。实际上同步信道与主公共 控制信道( p c c p c h ) 是时分复用的，它在p c c p c h 的时隙的前十分之一的时间 ( 即2 5 6 个c h i p ) 里发射，这时p c c p c h 是不发射的。它们之间的时序关系如图2 - 2 所示。 s c h 、p - c c p c h 和c p i c h 的功率都是不进行功率控制的，而且它们都占用了 下行发射功率的一部分，它们的功率设置的合理性对网络质量和容量都有重要影 响。 h 一o n e t i m e $ 1 0 t = 8 6 7 h s e o 2 s g 8c h i p s 攀型! ； 一一堡坠业l 一 p 。i 瓣“囝二 = 二二二二二二至= = 二二二二二二 p - s c h s - s c h 卜一w c o m a f m m 4 1 0 m 针 图2 2c p i c h 、p - c c p c h 和s c h 时隙和帧结构 华南理t = 大学硕卜学位论文 第三章w c d m a 无线网络规划的特点及与g s m 系统无 线网络规划的比较 与我们熟知的g s m 系统等频分多址，时分多址的移动通信系统相比，w c d m a 的无线网络的规划主要有以下几个特点： 1 在w c d m a 系统里，引入了多速率、多质量级别( q o s ) 的数据业务。在不 同速率的、电路型业务与包交换业务共用一种系统资源( 例如：带宽) 的情况下， 如何衡量小区( 系统) 的负荷成为一个非常复杂的问题；同时大多数的数据业务 上、下行的容量是不对称的，因此对每一种业务，上、下行必须分开考虑，这也 给业务量处理增加了难度。相对于单一电路型话音业务的g s m 系统来说，w c d m a 的业务处理模型的的复杂程度大大提高。 2 小区覆盖与负荷的密切相关性是c d m a 的特点，造成了所谓“小区呼吸” 效应，使无线网络的覆盖预测必须与小区负荷结合考虑，从而使小区的链路预算 必须运用迭代算法来求得覆盖与容量的平衡。在下面的章节里，我们可以看到在 w c d m a 系统的上行最大允许路径衰耗一m a p l 的计算中，有所谓“噪声上升” 这一项，这项代表的就是由于小区所承担的业务负荷而造成的干扰噪声增加。 这一项的出现，使w c d m a 系统的覆盖直接与小区负荷相关。而在g s m 系统里， 由于m a p l 只是与最大发射功率、接收灵敏度、器件损耗、天线增益等因素有关， 而与小区负荷无关，从而使g s m 的覆盖预测与容量要求可以分开考虑。也正是由 于这一原因，使g s m 系统的无线网络规模预估这一步骤比w c d m a 系统简单得多： 只需分别计算出根据容量要求的基站数和根据覆盖要求的基站数，然后取两者中 较大者即为所求，这是一个简单的线性过程。而在w c d m a 系统中则要将电波传 播特性与小区容量特性结合考虑，使用迭代算法、分上、下行链路分别计算。在 下面的章节里，我们将详细介绍其算法。 3 w c d m a 系统的上、下行链路预算考虑的出发点是不一样的。对于上行链 路主要是考虑每个移动台以最大功率发射时，在基站接收端，其信干扰比是否可 以达到门限值；而对于下行链路，由于每个移动台都占用基站发射机的一部分功 率，而基站发射机的总功率是有限的，这里要考虑的问题是：基站是否还有足够 的功率可分配给新的移动台使用? 因此在w c d m a 系统罩下行链路预算的计算方 法与上行是有区别的。而在g s m 系统里，由于上、下行链路使用的是一条封闭的 第三章w c d m a 无线网络规划的特点及与g s m 系统无线网络规划的比较 固定信道，上、下行的链路预算都只需考虑上、下行的发射功率在到达对端接收 机时是否大于一定接收灵敏度要求就行了，其上、下行考虑的方法是一样的。 4 w c d m a 系统所有小区可使用相同的频率，频率复用率为1 ；不需要频率规 划。而在g s m 系统无线网络规划中则需要复杂费时的频率规划来保证网络质量和 容量。w c d m a 系统的容量取决于系统内的干扰噪声水平，小区的容量不但与其 它小区的干扰有关，主要还决定于本小区用户的干扰，因此在w c d m a 系统罩， 对每个用户的功率控制及功率分配是关键所在。而g s m 系统的容量决定于频率的 复用率，用户的干扰来源于其它同频小区的用户干扰，因此在g s m 系统里，频率 规划是关键所在。 5 对w c d m a 系统，软切换、快速功率控制等新特性的对系统容量产生的影 响在规划中必须加以考虑； 6 w c d m a 无线网络的网元间的中继链路采用a t m 方式进行连接，因此其传 输接口的规划与g s m 系统采用的e 1 链路接口规划有所不同。 可以形象地说，g s m 系统无线网络规划是在覆盖和容量的二维关系中求解， 而w c d m a 系统无线网络规划是在覆盖、容量和质量这样一个三维关系中求解， 其复杂度也就相应地提高了。 本文虽然集中讨论的是w c d m a 系统无线网络的规划方法，实际上本文讨论 的算法适用于所有宽带的、以c d m a 技术为核心的系统，例如：c d m a 2 0 0 0 系统， 有些算法只是系统参数的不同而已。 华南理t 大学硕十学位论文 第四章业务指标及业务处理模型 4 1 业务指标及模型概述 在规划一个通信网络时，首先我们想到的f q 题是：用户到底有多少? 他们怎 么使用网络提供的业务? 每用户提供的业务量是多少? 对于用户的服务需求，网 络需要多大的容量和怎样的质量才能让用户满意? 以上提到的问题都是业务量指 标所要描述的，从以前的通信网络规划知道，对于提供单一话音业务的通信网来 说，业务指标就是：用户数、每用户爱尔兰数、阻塞率和通话质量要求( 信号强 度、信噪比或误码率) ；描述及处理这种电路型业务的统计数学模型就是e r l a n gb 公式。除了话音外，第三代移动通信网所要提供的业务包括了各种速率的实时和 非实时数据业务，这是3 g 网络与2 g 网络的一个最主要的不同之处。如何描述这些 新的业务及在多业务环境下的业务处理模型成为3 g 网规划的一个难点。 我们可以把各种业务划分为两类：电路型业务( 下面简称c s 业务，包括话音 和实时数据) 和包交换型业务( 下面简称p s 业务，即非实时数据) 来进行描述。 当然可以有其他的分类方法，这里的分类只是为了使用不同类型的模型进行描述。 对每一类业务的定义性描述参数如表4 1 和表4 2 所示 表4 1 电路型业务的描述参数 每用户忙时业务量每用户忙时e r l 用户数据速率连接的传输速率( k b i t s 1 上行b e r 和相应的e b n o ( d b ) q o s 和无线质量指标 下行b e r 和相应的e b n o ( d b ) 服务等级( g o s ) 最大允许阻塞率 上行活动因子 下行活动因子 微观话务模型参数 接续到达间隔( s ) ，指数分布 接续持续时间( s ) ，指数分布 1 0 第四章业务指标及业务处理模犁 表4 2 包交换型业务的描述参数 上行：每用户忙时数据量( k b i t 忙时) 每用户忙时业务量 下行：每用户忙时数据量( k b i t 忙时) 平均数据比特率 上行：峰值数据比特率 最小数据比特率 用户数据速率 平均数据比特率 下行：峰值数据比特率 最小数据比特率 q o s 和无线质量指 上行： b l e r 和相应的e b n o ( d b ) 杯 下行： b l e r 和相应的e b n o ( d b ) 上行：最大允许延时和相应的延时比例 服务等级( g o s ) 下行：最大允许延时和相应的延时比例 根据不同的应用有不同的模型， 例如：w e b 应用的p o m 模型， 微观话务模型参数 e t s i 模型等。不同模型有不同 的描述参数。 总体上来说，对业务的描述理论上可分为两个层次：第一个层次：微观话务 模型( 或称用户级模型) ，它描述了每一个用户如何使用每一种特定的服务。第二 个层次：宏观话务模型( 或称为系统级的业务模型) ，这个话务模型描述了在多 用户、多种业务类型和有限系统资源情况下的业务统计特性，这个层次的模型涉 及到系统本身的资源分配策略和系统性能，主要解决的问题是多业务的中继效率 问题。下面我们将按这种层次划分方法对业务处理模型进行讨论。 4 2 微观业务模型 微观业务模型( 或称用户级模型) ，它描述了用户如何使用某一种特定的业务 和业务生成的统计特征，这一层次的模型不涉及系统的性能和资源分配特性，只 反映用户的行为和业务本身的特征。也就是说，微观业务模型不因为使用的系统 制式不同而不同，它仅与用户的行为及业务本身的特点有关，因此不同类型的业 务有不同的微观业务模型。 对于电路型的业务( 如话音) ，传统上使用熟知的e r l a n gb 的模型来描述，这 实际上是一个生灭过程，它包含两个假设：呼叫发起的间隔时间符合指数分布； 每个呼叫的持续时间也符合指数分布。该模型的统计特征参数有：呼叫的平均间 华南理工大学硕士学位论文 隔时间和呼叫平均持续时问，另外，为了表征语音的不连续现象和系统与之相适 应的不连续发射，还加入了话音激活因子。这就是电路型业务的微观业务模型。 对于数据业务，不同的应用有不同的模型，例如：对于w w w 业务的统计模型 早期的有e t s i 模型( 参考文献 1 】) 和稍后提出的p o m p a g eo r i e n t e dm o d e l 模型( 参 考文献 2 】) ：另外还有关于e m a i l 业务的p o m 模型等。 业务种类和实际应用如此之多，使人们倾向于探索按类型划分的多种业务 应用混合的模型。在本文介绍的方法里，对包交换业务主要是参考p o m 模型。 4 3 宏观业务模型 宏观业务模型要解决的问题就是：在确定了一定的业务总量的情况下，需要 多少的系统资源去满足这个业务总量的需求，并且其g o s 和q o s 都符合预定的指 标? 或者我们换一个角度，在一定的系统资源和业务总量下，各种业务的g o s 和 q o s 是否都合符我们提出的要求呢? 宏观业务模型实际上结合了系统的资源管理 性能和特性进行考虑。 在多种业务环境旱，各种业务有不同的数码率，需要的e b n o 不同，对系统 资源( 在w c d m a 无线接入系统里，这种资源就是带宽) 的需求不同，而且每种 业务的统计特性又都是不一样的，同时由于w c d m a 上下行链路的容量特性并不 一样，对上、下行容量的需求可能是非对称的，因此w c d m a 系统的业务处理模 型的上、下行必须分别考虑。严格来说。这就要求我们对各种业务的上、下行容 量需求结合各自的g o s 年1 q o s 分别进行分析统计，然后对各种业务的总带宽需求的 统计特征进行分析，得出对系统的总带宽要求。由于业务种类可能相当多，如果 逐一进行分析的话，就使这一问题显得相当复杂。因此我们只能对业务根据其统 计特性进行一个明智的分类，从而简化其分析过程。 下面我们将介绍一个较为复杂的两阶段模型的思路，然后在此基础上试图作 一些简化。 这个模型是a l c a t e l 公司提出来的( 参见文献【3 】) ，分为两个阶段，每个阶 段的模型均产生一定的阻塞率，各个业务的g o s f l q 整个模型的阻塞率决定。 4 3 1 第一阶段模型： 称为接纳阶段，其目的是要算出系统为了满足各种业务g o s ( 路型业务是 阻塞率，包交换型业务是最大延时和相应的延时比例) 需要为每种业务“预留”的 第四章业务指标及业务处理模型 发射“信道”数，在这一阶段没有考虑各种业务的“预留信道”叠加在一起的中 继效率问题，也没有把w c d m a 的资源管理性能考虑进去。 1 ) 电路型业务：( 运用e r l a n gb 公式) 输入： 每用户忙时话务量t k ( e r l s ) ； 阻塞率p 6 ，女； 用户数帆 则业务流强度：p 女= 疋 输出：业务k 需要预留的信道数： c k = e r l a n g b e h s ( pbp b _ l i )( 4 1 ) 注意：即使对于电路型的话音业务，w c d m a 系统的无线网络对它的处理也 是不连续发送的，因此还有一个激活因子的问题没有在这里考虑。另外，由于业 务k 的g o s 由整个模型的阻塞率决定，因此p bik 并不等于该业务的阻塞率指标，在 本章的4 3 3 节再详细说明这个问题。 2 1 包交换型业务： ( 在页( p a g e ) 的水平上运用e r l a n gc 公式) 由于包交换业务的上、下行业务流一般不对称，因此对于包交换业务的预留 信道数必须分上、下行计算两次。 为了运用e r l a n gc 公式( m m c o o ) ，我们作以下简化性假设：包交换业 务在页水平上是连续的，就好象是电路型业务的个呼叫一样，页的到达间隔及 长度服从指数分布( 泊松分布) ，队列可为无限长。 已知以下参数： 每用户忙时数掘量：慨( k b i t 忙时) 允许最大延时：w ， ( s ) 及相应的延时比例：局k 业务k 的用户数：肌 用户信道数据速率：r ( k b i t s ) 为了运用e r l a n g c 模型，我们还必须作以下转换： 业务流强度： p = n k + 地( 3 6 0 0 + r ) ( e r l ) ( 4 - 2 ) 兰壹墨：! 查：| = 堡主兰焦笙茎 平均页时长：1 , u = z k r( s ) 其中：厶为页的大小，单位为k b i t ，若根据e t s i 的模型：l k = 2 5 k b y t e = 2 0 4 8 k b i t 。 当然根据不同的业务也可有不同的取值。 根据逆e r l a n gc 公式，业务k 的保留信道数为： c f i n v e r l a n g c e h s ( p6 a ；w l b x t 一心 媾- 3 、 3 ) 每种业务的发射信道数 上面我们已经求出了每种业务的预留信道数，实际上这些预留的信道不是总 是在发射，每种业务的发射信道数是一个随机变量。 预留信道正在通信的概率是： p o e t _ 2pk c k( 4 - 4 ) 一个信道正在发射的概率是： p 。i = p 。户玩( 4 - 5 ) 上式中：是激活因子，对于话音来说是0 5 一- 0 6 ，对于数据业务，若不考虑 页中每个数据包之问的间隔，可设为1 。 因此，每种业务的发射信道数为： 其中z ：是一个服从b e r n o u l l i 分布的随机变量 肛r ： i t h i t h ，p e m _ k 因此b 。服从二项分布。 4 3 2 第二阶段模型： ( 4 7 ) 称为排除阶段，这一阶段涉及到w c d m a 系统的容量特性，其目的就是要得 出各种业务的发射信道数与系统资源特性的关系，并且反映各种业务综合的中继 效率。由于上、下行的业务流量并不对称，而且w c d m a 系统的上、f 行容量特 性也不一样，因此上、下行必须分开讨论。 先分析上行的情况： 石 h e j x q 一 = b 第四章业务指标及业务处理模型 在第一阶段模型中我们已经得出了每种业务的发射信道数b ，则w c d m a i 抟 上行链路小区负荷( 小区负荷的定义见5 3 节) 公式可表示为； 叩卅7 j 酗丽( e b n o ) ；t ( 4 s ) 其中：f “：基站收到其它小区用户发出的干扰功率与收到本小区用户的功率 之比： b 。：业务的正在发射的信道数，随机变量； ( e b n o ) 。：业务k 的上行所需的占柏：； u l r ：业务k 的比特率； 血：码片速率：因此：嗥= 每为处理增益； k ：业务种类的总数 我们可以看到口是随机变量b ，、b ? 、巩的函数，因此_ 也是一个随机 变量，现在我们只要求出满足以下条件的詈就可以了： u l p ( _ ”：) = 圩 的值由运营者定，一般为9 9 ，：的上限标准一般设为6 0 左右，这个 值过大将使系统的工作不稳