（电磁场与微波技术专业论文）wcdma无线网络规划的关键技术及规划仿真.pdf

摘要 随着移动通信技术的不断发展，移动通信业务种类的不断丰富，全球进入了第三代移 动通信的研究和部分商业化运营。w c d m a 系统作为3 g 的三大主流标准之一，是目前商 用网络最多的标准，也是未来用户最多的标准，所以对w c d m a 无线网络规划的研究具有 重要的现实意义。 本文从w c d m a 的技术特点、网络结构的介绍入手，在此基础上总结出w c d m a 无 线网络规划的特点及流程，并对其网络规划的主要内容和关键性技术进行分析；然后通过 对w c d m a 网络规划中影响覆盖、容量和服务质量的多种因素进行仿真分析，包括对上、 下行链路平衡、小区呼吸效应、小区类型和基站天线的选择、极限容量及多种业务混合分 布对负荷和容量的影响等几个方面进行重点研究i 用图形仿真的形式得出了负荷因子与基 站发射功率、平均路径损耗和服务用户数等之间的关系；最后对w c d m a 系统与g s m 系 统共存时特别是共址时的干扰进行了分析，主要包括杂散干扰和阻塞干扰，采用天线隔离 的方案，用图形仿真的形式得出了共址干扰与收发天线隔离距离以及滤波器衰减特性之间 的关系。本文的分析为以后的w c d m a 网络建设规划做了有益的探索，具有一定的理论指 导性。 关键词w c d m a 网络规划覆盖容量负荷因子共址干扰 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n dt h er i c h n e s so fo fm o b i l e s e r v i c ec a t e g o r y ，r e s e a r c h e sa n dp a r t l yc o m m e r c i a lo p e r a t i o nf o r3ga r ee m e r g e di nt h ew o r l d w c d m a ，a so n eo ft h et h r e em a i ns t a n d a r d so f3g ，i sw i d e l ya d o p t e db ym o s to ft h e c o m m e r c i a ln e t w o r ki nt h ew o r l d ，a n di ss u p p o s e dt oa t t r a c tm o s tc u s t o m e r si nt h ef u t u r e ，s ot h e s t u d yo fw c d m a n e t w o r kp l a n n i n gi si m p o r t a n t i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y ，w es t a r tw i t ht h ei n t r o d u c t i o no ft h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n dt h e n e t w o r ks t r u c t u r eo fw c d m a ，a n ds u m m a r i z et h ec h a r a c t e r i s t i ca n df l o wo fw c d m ar a d i o n e t w o r kp l a n n i n g ，a n da n a l y s e st h em a j o rc o n t e n t sa n dt h ek e yt e c h n o l o g yo fw c d m ar a d i o n e t w o r kp l a n n i n g ；t h e n ，w i t ht h eh e l po ft h es i m u l a t i o n ，w ea n a l y s et h ef a c t o r so fe f f e c to n c o v e r a g e ，c a p a c i t ya n dq o s ，i n c l u d i n gt h eb a l a n c ei nu p l i n ka n dd o w l i n k ，c e l lb r e a t h i n g ，t y p e so f c e l la n ds e l e c t i o no fb a s es t a t i o na n t e n n a ，u l t i m a t ec a p a c i t ya n dt h ei m p a c t so fv a r i o u ss e r v i c e s d i s t r i b u t i o no nl o a d i n ga n dc a p a c i t yi nc e l l s ，a n do f f e rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n l o a d i n ga n db a s e s t a t i o nt r a n s m i t t e d p o w e r ，a v e r a g ep a t h l o s sa n ds e r v i c eu e s e r s ；f i n a l l y ，w ei l l u s t r a t et h e c o l o c a t i o ni n t e r f e r e n c eb e t w e e nw c d m aa n dg s m ，m a i n l yi n c l u d i n gs p u r i o u si n t e r f e r e n c e a n db l o c k i n gi n t e r f e r e n c ea n dg i v et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o l o c a t i o ni n t e r f e r e n c ea n dt h e d i s t a n c eb e t w e e nt h et r a n s m i t t e ra n dt h er e c e i v e ra n dt h ef i l t e r sa r e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i cb a s e d o nu s i n gt h ea n t e n n as e p e r a t i o ns c h e m e t h es t u d yo ft h i st h e s i sw i l lm a k eb e n e f i c i a le x p l o r a t i o n f o rt h ef u t u r ec o n s t r u c t i o na n dp l a n n i n go fw c d m an e t w o r ka n dp r o v i d et h ea c a d e m i c i n s t r u c t i o n k e y w o r d sw c d m a ；n e t w o r kp l a n n i n g ；c o v e r a g e ；c a p a c i t y ；l o a d ；c o l o c a t i o ni n t e r f e r e n c e 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：莶绰日期：趔 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：蜱导师签名：- 三绁v - ( j 日期：蝴 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的、意义 第1 章绪论 随着人类社会经济的发展和技术的进步，人们越来越认识到移动通信在工作和生活中 的重要性。国内通信市场的巨大需求和利润空间，也加快了移动通信技术的发展。目前， 国内通信市场竞争激烈，传统固话业务优势不在，移动通信技术新业务、新技术层出不穷， 市场前景广阔，极大的刺激了各大运营商，特别是固话运营商，希望尽快进入移动通信市 场，目前最好的办法就是建设3 g 移动通信网络。 信息产业部电信研究院专家先后公布了3 g 外场测试的结果。中国的3 g 标准 t d s c d m a 商用化进程也取得了飞速的进步，国家信息管理部门宣称中国具备建设3 g 网 络的基本条件，相关运营商也在做一些3 g 牌照发放前的准备工作。随着第三代移动通信 技术的兴起，3 g 的商用已经迫在眉睫，而在网络建设的初期，网络规划尤为重要，对于运 营商而言，前期的网络规划是提高竞争力的关键因素。作为三大主流标准之一的w c d m a 具有明显优势，因此，对w c d m a 无线网络规划的研究具有重要的现实意义。 1 2w c d m a 研究现状分析 。在国外，部分运营商己经实现3 g 网络的实际应用。如欧洲、中东、中国香港等地。 w c d m a 作为3 g 的主要技术之一，其原理和技术已经比较成熟。在中国内地，3 g 运营一 直悬而未决，但其运营趋势不可逆转。由于w c d m a 技术和以往g s m 技术有本质区别， w c d m a 系统是自干扰系统，容量、覆盖、质量之间密切相关，且w c d m a 提供多种速 率与类型的业务，这些都增加了w c d m a 网络的复杂性。在市场激烈竞争的情况下，国内 各大电信运营商即将面临在较紧迫的时间内建设网络，并投入运营的考验。目前，国内各 大电信运营商都在进行3 g 网络规划建设的前期准备，进行网络规模预测和技术储备。为 摸索经验和培训人才，各运营商大都建立了试验网。 1 3 本文研究内容和章节安排 本文通过理论研究，基于w c d m a 技术特点及网络结构找出实现w c d m a 网络规划 的关键性技术，重点研究w c d m a 网络的覆盖和容量，找出影响覆盖、容量和服务质量的 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章绪论 多种因素并进行仿真分析，并对w c d m a 与g s m 系统共存情况下的干扰进行了仿真分析， 摸索w c d m a 网络的规划策略，为今后的实际网络规划做好理论准备。 论文主要章节安排如下： 第l 章是绪论。介绍了课题研究的目的和意义，并阐述了国内外w c d m a 研究的现状。 第2 章是w c d m a 的技术特点及网络结构介绍，这是研究w c d m a 网络规划的基础 所在。 第3 章是w c d m a 无线网络规划的研究，包括规划内容、无线传播理论、重要的网络 规划设计概念、规划基本流程和w c d m a 网络规划的关键性技术。 第4 章是w c d m a 无线网络规划仿真，包括无线链路预算、覆盖和容量影响因子的仿 真曲线。 第5 章是w c d m a 系统与g s m 系统共存的研究和仿真，主要分析了w c d m a 系统 与g s m 系统共存( 特别是共站) 时，系统间的相互干扰。 第6 章是总结，对全文进行了归纳和总结。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章w c d m a 技术特点及网络结构 第2 章w c d m a 技术特点及网络结构 无线网络的规划与设计不是一个孤立的技术操作，它是和网络自身的技术特点密切相 关的。无线网络的规划必须遵守技术的基本原理，才能有效的发挥网络的性能。要规划一 个性能优良的w c d m a 网络，首先要正确理解w c d m a 的技术特点及符合该技术特点的 无线网络结构，这样才能够为网络规划的技术实践建立起一套清晰的指导原则。本章内容 的组织安排就是为了达到这样一个目的。 2 1w c d m a 技术特点 c d m a 技术频谱利用率高的优势使其成为第三代无线技术的核心技术，w c d m a 系统 是基于c d m a 的码分多址接入技术，只是在更宽的频谱上进行直接序列扩频【。 2 1 1 码分多址无线接入 w c d m a 技术使用正交可变长度扩频码( 0 v s f ) 进行扩频，对应多业务的不同承载有不 同的带宽要求，扩频后对应的处理增益就不同【1 1 。 下面分别来具体介绍上、下行扰码： ( 1 ) 下行主扰码、下行辅扰码及u e 同步 下行扰码如图2 1 所示。 扰码卜一 i 一竺? ! 一_ l c ， 一竺一j e 、 。v s rz i 一 - p ， 叭_ 卜6 j f l o v s f3 卜 用户3 ：一j 图2 1w c d m a 下行扩频加扰示意图 ， 、 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第2 章w c d m a 技术特点及网络结构 w c d m a 技术是用扰码来区分小区，每一个小区的多用户信号分别经过o v s f 码扩频 后合并，然后加扰发出，最后一步的加扰就等于给合并的信号打上了一个小区的标记，这 样移动台一旦知道了扰码，就可以区别出自己所在的小区。不同用户或信道的信号则是用 o v s f 码来区分的。和全网基站同步于g p s 的窄带c d m a 相比，w c d m a 采用网络同步 的方式。网络同步通过主、辅同步信道实现，w c d m a 小区识别和同步要复杂些，花费的 时间也要长一些。 ( 2 ) 上行扰码及u e 识别 上行扰码如图2 2 所示。 飞 一- 图2 2 上行扩频码是o v s f 码和扰码的叠加 上行的情形和下行不同。每一个小区所面对的是许多u e ，它们的位置不同，传播的 时延也不同，基站收到的信号是所有u e 发射的信号按不同时延抵达基站后的叠加。每一 个u e 的信号要用特定的扰码加扰，并通过上行公共信道消息告知小区其所使用的扰码， 这样小区才能分离出每一个u e 的信号。这和窄带c d m a 是十分相似的。由于每一个u e 的位置和时延不同，它们的上行信号到达的基站时间是不可能同步的，o v s f 的正交性无 法保持，因而不能像下行时那样用来区分用户信道，因而所有用户可以使用相同的o v s f 码【l l 。 2 1 2 功率控制 在w c d m a 系统中，功率是最终的无线资源，所以最有效地使用无线资源的手段就是 严格控制功率的使用。 功率控制的基本运作方式在图2 3 和图2 4 中给予了描述【1 1 ，常见的w c d m a 功率 4 黟 黟黟 南京邮电大学硕- j j 研究生学位论文第2 章w c d m a 技术特点及网络结构 控制技术可分为开环和闭环、内环和外环，内环快，仅涉及u e 和基站，外环慢，涉及u e 、 基站和无线网络控制器( r n c ) ；开环是移动台接入系统时的功率控制，闭环是系统建立连 接后的功率控制，是内环和外环的合称。 1 手机接入探针lp i n i g 2 p i n i + 增量芝s 开环功率控制 2 手机接入探针量 fl ； 基站 i r n c 设置内环功率控制的目标值 4 r n c 枪 贝| j b l e r 5 r n c 更新目标值 值继续功率控制 基站 r n c i - 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 内环功率控制 卜一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一：一一一 外环功率控制 图2 4 闭环功率控制的步骤 开环功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率之积为常数的原则，先行 测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开环功率控制用于确定用户的初始 发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。开环功率控制未考虑到上、下 行信道电波功率的不对称性，因而其精度性难以得到保证【2 1 。 闭环功率控制可以较好的解决开环功率控制中的问题，通过对接收功率的测量值及 与信干比门限值的对比，确定功率控制比特信息，然后通过信道把功率控制比特信息传 送到发射端，并据此调节发射功率的大小2 1 。 外环功率控制技术则是通过对接收误帧率的计算，确定闭环功率控制所需的信干比 门限。外环功率控制通常需要采用变步长方法，以加快上述信干比门限的调节速度【2 1 。 在w c d m a 系统中，上行信道采用了开环、闭环和外环功率控制技术，下行信道则采 用了闭环和外环功率控制技术。但两者的闭环功率控制速度有所不同，前者为每秒1 6 0 0 次，后者为每秒8 0 0 次。 s 答 i | 囵 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第2 章w c d m a 技术特点及网络结构 2 1 3 切换技术 在3 g p p 中，切换是指无线接入网改变提供承载业务的无线发射装置或无线接入模式 或无线系统，同时保证承载业务的q o s 达到一定的级别。c d m a 通信与g s m 系统在切换 上一个最大的不同是，c d m a 可以实现软切换。 w c d m a 系统将在使用相同载波频率的小区间实现软切换，即移动用户在越区时可以 与两个小区的基站同时接通，只相应改变扩频码，即可做到“先接通再断开”的交换功能， 从而大大改善了切换时的通话质量。软切换增益可以有效的增加系统的容量。切换典型过 程：测量控制。测量报告一 切换判决。切换执行一 新的测量控制。在测量控制阶段， 网络通过发送测量控制消息告诉u e 进行测量的参数。在测量报告阶段，u e 给网络发送测 量报告消息。在切换判决阶段，网络根据测量报告做出切换的判断。在切换执行阶段，u e 和网络走信令流程，并根据信令做出响应动作。 w c d m a 系统中包含了软切换( 包括更软切换) 和硬切换等切换方式【lj 。 2 1 4 多用户检测技术 多用户检测技术( m u d ) 是通过去除小区内干扰来改进系统性能，增加系统容量。多用 户检测技术还能有效缓解直扩c d m a 系统中的远近效应。由于信道的非正交性和不同用 户的扩频码字的非正交性，导致用户间存在相互干扰，多用户检测的作用就是去除多用户 之间的相互干扰。一般而言，对于上行的多用户检测，只能去除小区内各用户之间的干扰， 而小区间的干扰由于缺乏必要的信息( 比如相邻小区的用户情况) ，是难以消除的。对于下 行的多用户检测，只能去除公共信道( 比如导频、广播信道等) 的干扰。多用户检测的系统 模型可以用图2 5 来表示：每个用户发射数据比特，通过扩频码字进行频率扩展，在空 中经过非正交的衰落信道，并加入噪声，接收端接收的用户信号与同步的扩频码字相关， 相关由乘法器和积分清洗器组成，解扩后的结果通过多用户检测的算法去除用户之间的干 扰，得到用户的信号估计值。从下图可以看到，多用户检测的性能取决于相关器的同步扩 频码字跟踪、各个用户信号的检测性能，相对能量的大小，信道估计的准确性等传统接收 机的性能。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章w c d m a 技术特点及网络结构 b 1 b l a 躐、噪翼 一# 必+ 用 。一 u 弋u叫玉叵卜 户 检 i 扩频码字2 扩频码字2 ： 测 b k 二 算 法 趣卜一弋卜商卜 k a 图2 5 多用户检测的系统模型 从上行多用户检测来看，由于只能去除小区内干扰，假定小区间干扰占据了小区内干 扰能量的f 倍，那么去除小区内用户干扰，容量的增加是o + o f 。按照传播功率随距离4 次幂线性衰减，小区间的干扰是小区内干扰的5 5 。因此在理想情况下，多用户检测提高 减少干扰2 8 倍。但是实际情况下，多用户检测的有效性还不到1 0 0 ，多用户检测的有效 性取决于检测方法，和一些传统接收机估计精度，同时还受到小区内用户业务模型的影响。 例如，在小区内如果有一些高速数据用户，那么采用干扰消除的多用户检测方法去掉这些 高速数据用户对其他用户的较大的干扰功率，显然能够比较有效的提高系统的容量【4 1 。 2 1 5r a k e 接收机 在c d m a 扩频系统中，信道带宽远远大于信道平坦衰落带宽。c d m a 扩频码在选择 时就要求它有很好的白相关特性，这样，在无线信道中出现的时延扩展就可以被看作只是 被传信号的再次传送。r a k e 接收机通过多个相关检测器接收多径信号的各路信号，并把 它们合并在一起。r a k e 接收机的理论基础就是：当传播时延超过一个码片周期时，多径 信号实际上可被看作是互不相关的。 对于多个接收机天线分集接收而言，r a k e 接收机既可以接收来自同一天线的多径， 也可以接收来自不同天线的多径。可以把使用多个接收天线接收的信号当作从一个单一的 天线中收到的多径信号：只要给天线另外加上r a k e 指峰，这样就可以接收和利用来自多 径和多天线的全部能量。 r a k e 分集接收与多个接收机天线分集接收，两种分集并没有本质的不同。但是在实 现上由于多个天线的数据要进行分路的控制处理，增加了基带处理的复杂性【1 1 。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章w c d m a 技术特点及网络结构 2 1 6 分集接收原理 无线信道是随机时变信道，其中的衰落特性会降低通信系统的性能。为了对抗衰落， 可以采用多种措施，分集接收技术被认为是有经济有效的抗衰落技术。分集的字面含义就 是分散得到几个合成信号并合并这些信号。只要几个信号之间是统计独立的，那么经适当 合并后就能是系统性能大为改善。互相独立或者基本独立的一些接收信号，一般可以利用 不同路径或者不同频率、不同角度、不同极化等接收手段来获取： 空间分集：在接收或者发射端架设几副天线，各天线的位置间要求有足够的间距( 一般 在1 0 个信号波长以上) ，以保证各天线上发射或者获得的信号基本相互独立。 频率分集：用多个不同的载频传送同样的信息，如果各载频的频差间隔比较远，其频 差超过信道相关带宽，则各载频传输的信号也相互不相关。 角度分集：利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集方法。 ， 极化分集：分别接收水平极化和垂直极化波形成的分集方法。 其他的分集方法还有时间分集，是利用不同时间上传播的信号的不相关性进行合并。 分集方法相互是不排斥的，实际使用中可以组合。 分集信号的合并可以采用不同的方法： 最佳选取：从几个分散信号中选取信噪比最好的一个作为接收信号。 等增益相加：将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相加，相加后信号作为接收 信号。 最大比值相d n ：控制各合并支路增益，使它们分别与本支路的信噪比成正比，然后再 相加获得接收信号【3 1 。 上面方法对合并后的信噪l l ( r ) 的改善各不相同，但总的说来，分集接收对无线信道接 收效果的改善非常明显。图2 - 6 中给出了不同合并方法接收效果改善情况，可以看出当分 集数k 较大时，选择合并的改善效果比较差，而等增益合并和最大比值合并效果相差不大。 图2 6 不同合并方式的增益比较 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章w c d m a 技术特点及网络结构 2 1 7 智能天线 智能天线采用空分复用( s d m a ) 方式，基站智能天线是一种有多个天线单元组成的阵 列天线，通过调节各单元信号的加权幅度和相位，改变阵列的方向图，从而抑制干扰，提 高信噪比，它可以自动测出用户方向，将波束指向用户，实现波束跟用户走。智能天线通 过调节从每一个天线收到的信号的相位与幅度，结合使得形成所需要的波束，此过程称为 波束形成。根据方向图，智能天线被分成两类：固定形状方向图智能天线和自适应方向图 智能天线。 固定形状方向图智能天线( 波束切换智能天线系统) ：波束切换系统由多个窄波束( 1 5 3 0 度水平波束宽度) 构成，其中质量最好的波束用于为小区内移动用户服务。自适应系统 可以为了追踪移动用户，调整出多个不同方向图。波束切换系统实现比较经济，只需要静 态波束形成网络、射频切换控制。对每一个在小区覆盖面内的移动用户，进行独立的波束 挑选，实际应用显示容量提高。 自适应方向图智能天线( 自适应智能天线系统) ：比波束转换系统性能更高。采用天线阵 信号处理，让天线系统接收相干多径信号，从传播路径的多样化获得增益。自适应天线方 向图，增强有用信号，同时抑制干扰信号。自适应系统理论上增益较高，但是实施中复杂， 性能受到影响。下行波束取决于上行信号的测量值，上下行信号特征是不同的，将造成下 行波束成型的不准确。 智能天线在2 g 网络中的成功应用，表明智能天线对于抑制干扰有明显改善作用，3 g 标准指出智能天线应用要求，改善网络容量与性能，技术上考虑“聚集波束”、“自适应波束 形成”以及“波束切换”。3 g 中对智能天线的应用是灵活的，可以有多种选择，波束切换型 智能天线是初始阶段的选择。对于网络规划而言，选用智能天线，相对不用智能天线，减 少网络外部引入干扰( 同频干扰、邻频干扰、其他系统干扰) ，也减少网络自身干扰，改善 的数量级取决于波束的数量，提高网络的容量【5 】。 2 2w c d m a 无线网络结构 u m t s 是采用w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系统，包括无线接入网络r a n 和核心网络c n 。其中无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，而c n 处理u m t s 系统内所有的语音呼n q s n 数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。c n 从逻辑上 分为电路交换域c s 分组交换域p s 。u t r a n 、c n 与用户设备u e 一起构成了整个u m t s 9 南京邮电大学硕上研究生学位论文第2 章w c d m a 技术特点及网络结构 系统。其系统结构如图2 7 所示【3 1 。 核心网 外网 接入网 、 t ， 3 g c s (茎 7 j u 2 2 1w c d m a 网络单元 图2 7u m t s 系统结构 u m t s 网络单元构成如图2 8 所示【3 1 。 图2 8u m t s 系统网络单元构成 从图2 8 的u m t s 系统网络单元构成图中可以看出，u m t s 系统包括以下几个部分： 用户终端设备u e ( u s e re q u i p m e n t ) ：u e 主要处理包括射频处理单元、基带处理单元、 协议栈模块及应用层软件模块等；u e 通过u u 接口与网络设备进行数据交互，为用户提供 电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通语音、数据通信、移动多媒体、i n t e r n e t 应用。 u e 包括两部分：m e ( t h em o b i l ee q u i p m e n t ) ，提供应用和服务；u s i m ( t h eu m t s s u b s c r i b e rm o d u l e ) ，提供用户身份识别。 陆地无线接入网u t r a n ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) ：u t r a n 包含一个或 几个无线网络子系统( r n s ) ，一个r n s 由一个无线网络控制器和一个或多个基站组成。 n o d eb 是w c d m a 系统的基站( 即无线收发信机) ，包括无线收发信机和基带处理部 件。通过标准的i u b 接口和r n c 互连，主要完成u u 接口物理层协议的处理。它的主要功 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章w c d m a 技术特点及网络结构 能是扩频、调制、信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互 转换等功能。n o d eb 由下列几个逻辑功能模块组成：r f 收发放大、射频收发系统( t r x ) 、 基带部分( b b ) 、传输接口单元、基站控制部分。 r n c 是无线网络控制器，主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、无线资源管 理控制等功能。具体如下： ( 1 ) 执行系统信息广播与系统接入控制功能； ( 2 ) 切换和r n c 迁移等移动性管理功能； ( 3 ) 宏分集合并、功率控制、无线承载分配等无线资源管理和控制功能。 核心网络c n ：负责与其它网络的连接和对u e 的通信和管理。主要功能实体如下： ( 1 ) m s c v l r ( m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ) ：m s c v l r 是 w c d m a 核心网c s 域功能节点，它通过i uc s 接口与u t r a n 相连，通过p s t n i s d n 接口与外部网络相连，通过c d 接口与h l p u a u c 相连，通过e 接口与其它m s c v l r 、 g m s c 或s m c 相连，通过c a p 接口与s c p 相连，通过g s 接口与s g s n 相连。m s c v l r 的主要功能是提供c s 域的呼叫控制、移动性管理、鉴权和加密等功能。 ( 2 ) g m s c ( g a t e w a ym o b i l e s e r v i c e ss w i t c h i n gc e n t e r ) ：g m s c ( 关口局) 是w c d m a 移 动网c s 域与外部网络之间的网关节点，是可选功能节点，它通过p s t n i s d n 接口与外 部网络相连，通过c 接口与h l r 相连，通过c a p 接口与s c p 相连。它的主要功能是完 成v m s c 功能中的呼入呼叫的路由功能及与固定网等外部网络的网间结算功能。 ( 3 ) s g s n ( s e r v i c e sg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) ：s g s n ( 服务g p r s 支持节点) 是w c d m a 核心网p s 域功能节点，它通过i up s 接口与u t r a n 相连，通过g n g p 接口与g g s n 相连，通过g r 接口与h l r a u c 相连，通过g s 接口与m s c v l r 相连，通过c a p 接口 与s c p 相连，通过g d 接口与s m c 相连，通过g a 接口与c g 相连。s g s n 的主要功能 是提供p s 域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密等功能。 ( 4 ) g g s n ( g m e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) ：g g s n ( 网j 关g p r s 支持节点) 是w c d m a 核心网p s 域功能节点，通过g n g p 接口与s g s n 相连，通过g i 接口与外部数据网络 ( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 相连。g g s n 提供数据包在w c d m a 移动网和外部数据网之间的路由 和封装。g g s n 主要功能是同外部i p 分组网络的接口功能，g g s n 需要提供u e 接入外 部分组网络的关口功能，从外部网的观点来看，g g s n 就好像是可寻址w c d m a 移动网 络中所有用户i p 的路由器，需要同外部网络交换路由信息。 ( 5 ) h l r ( h o m el c a t i o nr e g i s t e r ) ：h l r ( 归属位置寄存器) 是w c d m a 核心网c s 域和 p s 域共有的功能节点，它通过c 接口与m s c v l r 或g m s c 相连，通过g r 接口与s g s n 1 1 南京0 邝电大学硕士研究生学位论文 第2 章w c d m a 技术特点及网络结构 相连，通过g e 接口与g g s n 相连。h l r 的主要功能是提供用户的签约信息存放、新业 务支持、增强的鉴权等功能。 外部网络( e x t e m a ln e t w o r k s ) ：外部网络可以分为两类：电路交换网络，提供电路交换 的连接，如通话服务。i s d n 和p s t n 均属于电路交换网络。分组交换网络p s n ，提供数 据报的连接服务，i n t e m e t 属于分组数据交换网络。 2 2 2w c d m a 系统接口 从图2 8 的u m t s 系统网络单元构成图可以看出，w c d m a 系统主要有以下几种接 口【1 】【3 】： c u 接口：c u 接口是u s i m 卡和m e 之间的电气接口，c u 接口采用标准接口。 u u 接口：u u 接口是w c d m a 的无线接口。u e 通过u u 接口接入到u m t s 系统的固 定网络部分，可以说u u 接口是u m t s 系统中最重要的开放接口。 i u 接口：i u 接口是连接u t r a n 和c n 的接口。类似于g s m 系统的a 接口和g b 接口。 i u 接口是一个开放的标准接口。这也使通过i u 接口相连接的u t r a n 与c n 可以分别由不 同的设备制造商提供。 i u r 接口：i u r 接口是连接r n c 之间的接口，i u r 接口是u m t s 系统特有的接口，用于 对r a n 中移动台的移动管理。i u r 是开放的标准接口。 i u b 接口：i u b 接口是连接n o d eb 与r n c 的接口，i u b 接口也是一个开放的标准接口。 这也使通过i u b 接口相连接的r n c 与n o d eb 可以分别由不同的设备制造商提供。 2 2 3w c d m a 空中无线接口 在u m t s 系统中，移动用户终端u e 与系统固定网络之间通过无线接口上的无线信道 相连，无线接口定义无线信道的信号特点、性能，在第三代移动通信w c d m a 系统中无线 接口称为u u 接口，该接口在w c d m a 系统中是最重要的接口。 无线接口从纵向分为接入层( a s ) 和非接入层( n a s ) ，接入层通过如下业务接入点( s a p ) 向非接入层提供服务：一般控制s a p s 、通知控制s a p s 、专用控制s a p s 等。这里对无线 接口的介绍主要是接入层的内容。 无线接口特性主要为接入方式、信道结构、通信协议、性能特性、业务特性等。它具 有三个特点： 开放性 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章w c d m a 技术特点及网络结构 无线网络层与传输层分开 控制面和用户面分离 从以上的三个特点我们可以看出，u u 接口的协议结构是按照一个通用的协议模型设计 的。其设计原则是层与面在逻辑上相互独立，如果需要，可以修改协议结构的一部分而无 需改变其它部分，如图2 - - 9 所示【3 1 。 无线网 络层 传输口 络层 控制平而 应用协议 传输网络 用户平面 信令承载 传输网络 控制平面 a l a l p 信令承载 用户平面 数据流 传铡网络 用户怿面 数据承载 物理层 图2 9 接口协议结构 从水平平面来看，协议结构主要分为两层：无线网络层和传输网络层。所有与无线接 入网有关的协议都包含在无线网络层，而传输网络层是指被u t r a n 所选定的传输技术标 准。 从垂直层面来看，协议结构主要分为控制面和用户面两部分。控制面中为应用协议和 用于传输这些应用协议的信令承载。应用协议是用来建立到u e 承载的，而这些应用协议 的信令承载与接入链路控制协议的信令承载可以一样也可以不一样，它们是通过o & m 建 立的。用户面中为数据流和承载这些数据流的数据承载。用户发送和接收的所有信息是通 过用户面来进行传输的。就在控制面和用户面之间有一个传输网络控制面，它只存在于传 输层中，不包括任何无线网络控制面的信息，它主要包括接入链路控制协议( a l c a p ) ，用 于建立用户面的传输承载，之所以引入它，主要是使在无线网络层控制面应用协议的完成 于用户面的数据承载所选用的技术无关。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第3 章w c d m a 无线网络规划研究 第3 章w c d m a 无线网络规划研究 本章在上一章w c d m a 技术特点及网络结构分析的基础上，介绍与w c d m a 无线网 络规划相关的研究。 3 1w c d m a 无线网络规划特点 w c d m a 是本世纪开始逐步商用的第三代移动通信技术。与第二代无线网络相比， w c d m a 无线网络的规划更加复杂。首先，网络的覆盖设计需要以高速率，多业务的服务 质量作为设计目标。 w c d m a 与c d m a 规划相似，其覆盖一般是上行链路受限，链路预算一般是基于上 行链路。规划仿真输入已不再是传统的基于话音的话务模型及话务密度，而是基于多种业 务混合的业务模型和能够发起多用户密度分布。通过w c d m a 分析，最终确定网络性能要 求的小区覆盖范围和基站定位。w c d m a 网络的复杂性同样体现在多业务的质量、容量、 覆盖的相互关联，要找出它们之间的最佳平衡点。w c d m a 中的上下行覆盖分析，容量分 析，质量分析，软切换分析，导频污染及干扰分析等，是通过仿真从各个角度分析预测它 们的相互作用结果，不断的进行站址，站距，站高，天线角度，基站及频率配置等优化调 整，最终产生一个优化的规划【i 】。 3 2w c d m a 无线网络规划流程 基于上述w c d m a 无线网络规划特点的描述，可知w c d m a 无线网络的规划和建设 是一个“规划建设一优化一再规划建设”的过程，也就是说整个过程是一个需要反复调整 和优化的过程，特别是在基站站址选择过程中需要进行反复的网络仿真和模拟，以便对网 络质量进行充分的预优化，以使网络规划的结果尽量贴近实际情况，网络质量达到满意的 效果。w c d m a 无线网络规划的主要工作流程如图3 1 所示【6 】。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第3 章w c d m a 无线网络规划研究 图3 1w c d m a 规划流程 无线网络规划的核心部分应按照以下步骤进行： 在规划目标定义及需求分析阶段，结合该区域的业务预测分析，获取给出的覆盖、 容量和质量等方面的目标要求，进行相关数据的收集工作，获得无线网络规划设计所需 要的各种数据，同时对需求进行分析，提供给后面规划设计作为依据。 在初始布局阶段，设计人员根据获得的各种数据，从覆盖角度进行链路和覆盖范围 预算、需要基站数目的计算；从容量角度进行规模预算，计算需要的基站数目和信道板 数量，然后综合覆盖和容量的分析极端，进行预规划仿真，获得初步的规划方案。 结合对初始布局确定的站址和现有g s m 网络站址的勘察，利用规划工具仿真调整规 划方案，进行无线网络的详细规划，其规划结果作为无线网络建设依据。然后结合蜂窝 网络中的传输网、核心网等其它部分的规划，最终给出施工图设计方案。 根据这个方案进行蜂窝网络的建设后，还需要通过开局优化，结合相应的仿真，调 整各个基站的参数，使整体网络运行达到设计目标。整个过程都可能需要进行循环迭代。 3 3 无线传播理论 无线传播中的很多重要的概念都会出现在网络规划中的传播模型、链路预算、天线系 统等领域中。下面论述的几种规划中的重要的概念帮助我们合理选择网络基准参数，设计 网络的质量是通过合适的网络基准参数的设置来保障的7 1 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第3 章w c d m a 无线网络规划研究 3 3 1 无线传播环境的简介 ( 1 ) 大尺度衰落 大尺度衰落发生在电磁波经过长距离传播或遭遇到大型物体( 比电磁波的波长大几百 倍以上或更多) 后所产生的平均衰落情况。 大尺度衰落具有以下的特性： 发生范围在1 0 0 m - - 几k m 的距离间； 表现为随着距离的增加平均接收场强的减弱； 通常每十倍频程的衰耗在2 0 - 4 0 d b 之间； 产生的主要原因是传播损耗，以及符合对数正态分布的阴影效应。 大尺度衰落对网络规划的影响表现在由于大尺度衰落的存在，在网络设计中，为满足 一定的覆盖可靠度要求( 如覆盖目标在室内，则还需保留一定量的建筑物穿透损耗) ，需保 留一定的余量一阴影余量。 ( 2 ) 小尺度衰落 电磁波除了在传播中要经历大尺度衰落以外，同时也会经历小尺度衰落，即在短距离 内( 几个或几十个波长) 或短时间内电场强度发生快速的波动，这一波动是由于两种独立而 又同时相关的效应造成的，即多径效应和多普勒频移。小尺度衰落又称被称为瑞利衰落， 这是由于当直接视距传播信号在多径信号中占的比例很少时，多径信号总和的包络( 印振幅) 的概率密度分布符合瑞利或瑞斯分布概率密度函数。 小尺度衰落具有以下的特征： 发生范围在几个或几十个波长的距离间； 信号衰落的幅度通常在1 0 - - - 3 0 d b 之间； 统计上符合瑞利或瑞斯分布。 小尺度衰落对网络规划的影响体现在由于小尺度衰落的存在，因此在w c d m a 的无线 网络规划中，对各种业务的e b n 0 目标值仿真时，需要考虑小尺度衰落( 快衰落) 对信号解 调造成的影响。 在实际环境中传播信号往往受到以上两种衰落现象的共同作用【1 】【7 1 。 3 3 2 无线传播模型 在无线网络中，无线传播损耗是一个关键参数。在网络规划中，通过理论研究和实际 1 6 南京邮电大学硕士研究生学