（电磁场与微波技术专业论文）wcdma系统与phs系统间兼容和共存的理论分析.pdf

摘要 干扰直接影响了通话的质量，是评判一个网络好坏的重要依据，所以一直是 移动通讯系统中一个重要的课题。目前，中国广泛使用的p h s 系统，它是局部无 线接入制式，短期内将继续存在。而w c d m a 凭借其宽带，抗多径衰落等诸多优势 被运营商所青睐，3 g 发展呈加速势态。w c d m a 牌照发放后，两系统将在一定时间 内共存，因此，有关两个系统的共存问题是人们关注的重点。本文着重对这两种 系统间干扰与共存展开分析。 本文首先介绍了w c d m a 网络规划原理及流程，并利用网络仿真软件，对规划 区域进行了网络仿真。通过仿真，我们可以预先了解建成后网络的大致情况，对 实际组网有重要的指导和借鉴作用。 接着通过确定性方法，理论计算两系统之间的隔离度。根据3 g p p 协议中规 定的三种干扰的指标要求，分别计算了抑制两系统基站间三种干扰所需要的最小 隔离度，最后得出一个总的最小隔离度；同时，根据电波传播模型及得出的总的 最小隔离度，在p h s 外加衰减滤波器的情况下，计算得出满足基站共址要求最小 空间间隔距离，解决基站共址共存问题。 最后利用一个叠加了简化的p h s 仿真流程的w c d m a 仿真平台进行仿真。主要 是仿真p h s 系统对w c d m a 上行链路的干扰，通过仿真可以得到a c i r 、小区半径 变化与系统容量损耗的对应关系，并对仿真结果进行分析，给出了干扰解决建议。 对今后异系统混合组网及网络优化方面具有一定的参考价值。 关键词：w c d m a ，p h s ，隔离度，邻频干扰， 最小耦合损耗，蒙特卡罗仿真 南京邮电大学硕i ：t 伊f 究生学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i n t e r f e r e n c e ， w h i c hh a sas e v e r ei m p a c to nt h e q u a l i t yo f c o m m u n i c a t i o n s ，i sa ni m p o r t a n ts t a n d a r df o rt h ee v a u a t i o no fan e t w o r k t h e r e f o r ei t i si n v o l r e di nt h er e s e a r c ho ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a tp r e s e n t ，p h s ，m o d u l a t e db yl o c a lw i r e l e s sa c c e s s ，h a sb e e n w i d e l yu s e di nc h i n a ，a n dw i1 1s t i l lm a i n t a i nf o rat i m e o t h e r w i s ew c d m a i sb e i n ga t t r a c t i v eb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sb r o a db a n d w i d t ha n d t h ep e r f o r m a n c eo fr e s i s t i n gm u l t i p a t hf a d i n g t h e nt h ed e v e l o p m e n to f 3 gi sa c c e l e r a t i v e a f t e rt h ea u t h o r i z a t i o no fw c d m ai nc h i n a 。t h e s et w o s y s t e m sw i l l b ec o e x i s t e n ti nt h ep e r i o do fs o m et i m e ，t ow h i c hi t i s a t t a c h e di m p o r t a n c e t h ep a p e rf o c u s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec o e x i s t e n c e a n di n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h e s et w os y s t e m s t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n dd e s i g nf l o wo fw c d m a n e t w o r kp l a n n i n g ，a n da p p l i e dt h en e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r et ot h e s p e c i f i e da r e a a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n ，w ec a nr e a l i z et h eg e n e r a l c o n d i t i o no ft h en e t w o r kb e i n gb u ii ti na d v a n c e ，w h i c hc o u l db eag u i d a n c e o rr e f e r e n c ef o rt h ec o n s t r u c tio n0 ft h en e t w o r k s e c o n d ，i s o l a t i o no ft h et w os y s t e m si sr a t i o n a l l yc a l c u l a t e db yt h e f i x e dm e t h o d b a s eo nt h ed e m a n df o rt h et h r e ei n t e r f e r e n c e sd e f i n e di n 3 g p pp r o t o c o l ，w ec a l c u l a t e dt h em i n i m u mi s o l a t i o n sr e s t r a i nt h eb a s e s t a t i o n so ft h et w o s y s t e m sf r o mb e i n g i n t e r f e r e d b y t h e s e t h r e e i n t e r f e r e n c e sr e s p e c t i v e l yt oo b t a i nat o t a lm i n i m u mi s o l a t i o n ，b yw h i c h w ec a l c u l a t e dt h em i n i m u ms p a t i a ls e p a r a t i o nd i s t a n c ea l o n gw i t ht h e e l e c t r o m a g n e t i cw a v ep r o p a g a t i o nm o d e lw h e nt h ea t t e n u a t i o nd u p l e xf i l t e r i sa d d e dt os a t i s f yt h eb a s es t a t i o n sc o - s i t ea n dc o - e x i s t e n c e l a s t l ys i m u l a t i o ni st a k e np l a c ei naw c d m as y s t e mp l a t f o r mi n t e g r a t e d b yas i m p l i f i e dp h s i m i t a t i n gt h ep h s si n t e r f e r e n c et ot h ew c d m a s f o r w a r dli n k ，w ew o r ko u tt h ea c i r ，t h e1 0 s so fs y s t e mc a p a c it yc h a n g e d a c c o r d i n gt ot h es i t es e m i d i a m e t e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eu n d e r a n a l y s i st og i v es u g g e s t i o nt os o l v ei n t e r f e r e n c e a l s ot h e yh a v et h e i r r e f e r e n c ev a l u ef o rt h er e s e a r c ho fh y b r i dn e t w o r kp l a n n i n ga n d o p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：w c d m a ，p h s ，i s o l a t i o n ，a d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c em c l ， m o n t ec a r l os i m u l a t i o n n 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：垄金盎日期：翌z ：丝：! f 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：缉导师签名：剃日期：立竺! 尘 南京邮 l i 人学硕l j 研究生学位论义 第一章绪论 1 1 本文研究背景 第一章绪论 伴随着迅速发展的移动用户群和多样化的移动业务需求，第三代宽带数字移 动通信系统( 3 g ) 已经启动，移动通信系统正向着大系统容量，高服务质量和多业 务( 语音，图像，数据等) 的方向前进。 第一代模拟移动通信系统的主流是北美a m p s 、欧洲t a c s 、以及同本n t t 等 系统。由于模拟系统的容量小、频谱利用率低、保密性能差等缺点，使得人们研 制出以欧洲的g s m 系统、美国i s - 5 4 和i s 一9 5 、同本p d c 等系统为代表的第二 代数字移动通信系统。以及在2 g 和3 g 交替时期分别构建在g s m 与t d m a 平台上 1 的g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e s ) 与e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t e sf o r g s me v o l u t i o n ) 系统。由于第二代移动通信只能提供传统的话音业务和低速率的 数据业务，不能满足人们对多媒体数据业务以及宽带化、智能化、个人化的综合 全球通信业务的需求，同时第二代移动通信系统全球漫游问题，容量问题等问题 日益突出，必将推动第三代移动通信系统的发展。 国际电信联盟( i t u ) 于1 9 8 5 年启动了第三代移动通信系统( i m t 一2 0 0 0 ) 的规 范工作。目前，w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 已成为i m t - 2 0 0 0 的三种主流制式。 3 g p p 是由来自欧洲、日本的标准化组织组成的一个联合标准化项目。3 g p p 组织 制定了基于g s mm a p 核心网的第三代移动通信标准一w c d m a 系统。w c d m a 包含两 种操作模式：u t r a ( u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s ) f d d 和u t r at d d 。 个人便携电话系统( p h s ) 是日本根据国情( 人口密度大，流动性小) 研制的， 主要用于解决固定电话终端在有限范围的移动性问题。p h s 采用微蜂窝技术、t d d 的工作模式和3 2 k a d p c m 的编码方式。p h s 业务作为固定电话的延伸和补充，具 有网络建设成本低、终端发射功率小，耗电低，收费低等优点。自1 9 9 8 年p h s 登陆中国市场，几年来p h s 在我国发展迅速，截至2 0 0 6 年底，中国的p h s 用户 数已达到9 3 0 0 万。 随着3 g 牌照发放的日益临近，w c d m a 系统可能会在中国运营使用。此外，再 考虑到目前已经存在的p h s 系统，这将导致在同一地理区域3 g 移动通信体制占用 南京邮电大学硕1 ：研究生学位论文第一章绪论 2 g 频段的情况。这些不同的系统之间将可能存在相互干扰，造成系统容量的损失。 所以研究不同系统间的干扰问题十分重要，对于3 g 网络的规划意义重大。本文基 于这种思想研究w c d m a 和p h s 系统的共存干扰问题。 1 2 论文的主要工作和结构 对于已经拥有庞大p h s 网络的固定运营商，在两个网络的共存阶段如何有效 地利用原有的网络资源来支撑未来的3 g 网络服务，是非常值得探讨的一个课题。 w c d m a 最高传输速度提高到2 m b p s ，并且具有较高的抗干扰和抗多径衰落特性， w c d m a 作为3 g 的主流制式之一，运营商很有可能选择其建网。这样运营商就存 在w c d m a 和p h s 两网如何协调发展、网络设备如何融合或重用的问题。本文主要 针对w c d m a 和p h s 两系统共存干扰问题进行研究。 全文主要工作包括： 1 对w c d m a 和p h s 系统的原理和关键技术进行阐述介绍，比较两者共存干 扰存在的可能性。 2 理论分析w c d m a 和p h s 共存产生干扰的原因、干扰的类型及其解决的方 法。 3 用确定性方法分析两系统之间的隔离度问题。 4 通过静态仿真对两系统互干扰进行研究，主要讨论p h s 系统对w c d m a 的 干扰。 本文共分六章，全文结构安排如下： 第一章：主要简单介绍研究的背景 第二章：分析w c d m a 和p h s 系统的原理和关键技术 第三章：对w c d m a 无线网络规划进行分析，主要包括网络规划流程，组 网概述，链路预算及容量估算并对w c d m a 进行网络仿真 第四章：分析共存干扰的原理，分析了p h s 系统与w c d m a 系统互干扰类 型，以及解决干扰的方法 第五章：理论计算出了要抑制p h s 基站与w c d m a 基站之间的互干扰所需 要的隔离度。根据对传播模型的选择，在p h s 有无外加衰减滤波器的情况下， 分别计算了抑制两系统基站间互干扰所需要的能够满足共址要求的空间间隔距 南京i 椎电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 离 第六章：静态仿真w c d m a 和p h s 系统之间的共存干扰，并对仿真结果进 行分析研究，与理论计算结果进行比较，并提出解决共存干扰的方法 自京 m 人 砸十研究学位论文第章w c d m a 和p h s 系统介* 第二章w c d m a 和p h s 系统介绍 2 1 第三代通信系统频谱的分配 2 0 0 2 年l o 月，国家信息产业部下发文件关于第三代公众移动通信系统频 率规划问题的通知( 信部无 2 0 0 2 1 4 7 9 号) 中规定：主要工作频段( f d d 方式： 1 9 2 0 1 9 8 0m h z ，2 1 1 0 2 1 7 0m h z ；t d d 方式；1 8 8 0 1 9 2 0 m h z 、2 0 1 0 2 0 2 5 m h z ) 。补充工作频段( f d d 方式：1 7 5 5 1 7 8 5 m h z 1 8 5 0 18 8 0 m h z t d d 方式：2 3 0 0 2 4 0 0 m h z ，与无线电定位业务共用) 。从图2 - 1 中可以看到 t d d 得到了1 5 5 m h z 的频段，而f d d ( 包括w c d m af d d 和c d m a 2 0 0 0 ) 共 得到了2 x 9 0 m h z 的频段。 1 7 蛄l 他51 8 5 0i 明01 9 2 01 9 8 b2 0 1 0 2 0 2 52 1 1 02 1 7 0 2 2 0 02 3 0 0 j ； 掣聪 “ $ m l t l l i h e m p q s a l e l l i t e 壤潮豳震黼 f d dt d d 1 5 5 m h z 酗2 - 1 中国3 g 频谱分配幽 而在中国，对于p h s 系统，无线管理委员会规定的其使用的频段是t d d 系统 1 9 0 0 1 9 2 0 q z 中的1 9 0 0 - - 1 9 1 5 m h z ，共1 5 m h z ，4 9 个可用频点，山此可以看出 在1 9 2 0 1 d h z 处，w c d m af d d 系统与? e s 系统存在干扰。 2 2w c d i a 的基本特点1 w c d m 技术指标支持：高速数据传输( 高速移动最高速率为3 8 4 k b i t s ，而室 内最高速率为2 枷o i t s ) 、异步b s 技术，同时也支持可变速传输，w c d b l a 每帧帧长 为1 0 m s ，码片速率38 4 m c h i o s 。 南京邮电大学硕l ：研究生学位论文第一二章w c d m a 和p h s 系统介绍 w c d m a 主要特点： ( 1 ) 基站同步方式支持异步和同步的基站运行方式，组网方便、灵活。 ( 2 ) 调制方式上行为b p s k ，下行为0 p s k 。 ( 3 ) 解调方式导频辅助的相干解调。 ( 4 ) 接入方式d s c d m a 直序列扩频码码分多址方式。 ( 5 ) 三种编码方式其在话音信道、数据信道、控制信道分别采用三种 不同形式的编解码方式，如在话音信道采用卷积码( r = l 3 ，k = 9 ) 进行内部编码和 v e t e r b i 解码，在数据信道采用r e e ds o l o m o n 编码，在控制信道采用卷积码 ( r = l 2 ，k = 9 ) 进行内部编码和v e t e r b i 解码：可适应多种速率的传输，可灵活地 提供多种业务，并根据不同的业务质量和业务速率分配不同的资源，同时对多速 率、多媒体的业务可通过改变扩频比( 对于低速率的3 2 k b i t s 、6 4 k b i t s 、 1 2 8 k b i t s 的业务) 和多码并行传送( 对于高于1 2 8 k b i t s 的业务) 的方式来实现。 2 3w c d m a 系统的关键技术 1 功率控制： 功率控制目的在于降低系统的远近效应，快速、准确的功率控制是保证 w c d m a 系统性能的基本要求。尤其是在上行链路中，快速功率控制的目的是使到 达基站的上行功率基本相同，如果没有它，超功率发射的移动台就会阻塞整个小 区。 功率控制带来的优点如下： ( 1 ) 克服阴影衰落和快衰落。 ( 2 ) 降低网络干扰，提高系统的质量和容量。 ( 3 ) 由于手机以最小的功率与n o d eb 保持联系，所以延长了手机电池的使 用时间。 功率控制的种类： ( 1 ) 开环功率控制 开环功率控制是根据上行链路的干扰情况估算下行链路，或是根据下行 链路的干扰情况估算上行链路，是单向不闭合的。 ( 2 ) 上行内环功率控制 南京邮电人学硕【? 矽究生学位论文第二章w c d m a 和p h s 系统介绍 上行内环功率控制的目的是使基站接收到每个u e 信号的比持能量相等。 n o d eb 测量接收到的上行信号的信干比( s i r ) ，并和设置的目标s i r ( 目标s i r 由 r n c 下发给n o d eb ) 相比较，如果s i r 的测量值小于目标s i r ，则n o d eb 在下行 的物理信道d p c h 中的t p c 标识通知u e 提高发射功率；反之，则通知u e 降低发 射功率。上行内坏功率控制的时间也是1 5 0 0 次s 。 ( 3 ) 上行外环功率控制 上行外环功率控制其目的是使每条链路的通信质量基本保持在设定值，使接 收到数据的b l e r 满足o o s 要求。 上行外环功率控制由r n c 执行。r n c 测量从n o d eb 送来数据的b l e r ( 误块 率) 并和目标b l e r 相比较( q o s 中的参数，由核心网下发) ，如果b l e r 的测量值 大于目标b l e r ，则r n c 重新设置目标t a r ( 调高t a r ) 并下发到n o d eb ；反之， r n c 调低t a r 并下发到n o d eb 。外环功率控制的周期一般在一个t t i ( 1 0 m s 、 2 0 m s 、4 0 m s 、8 0 m s ) 的量级，即1 0 l o o h z 。 ( 4 ) 下行闭环功率控制 下行内环功率控制由手机控制，目的是使手机接收到n o d eb 信号的b i t 能 量相等，以解决下行功率受限问题；下行外环功率控制由u e 的层3 控制，通过 测量下行数据的b l e r 值，进而调整u e 物理层的目标s i r 值，最终达到u e 接收 到数据的b l e r 值满足q o s 要求。 2 更软切换和软切换 软切换是指用户终端在开始与一个或几个新的基站联系时，并不立即中断与 原来基站的通信，直到业务信道完全转换到新基站后才断开与原基站的链路。软 切换只能用于具有相同频率的小区间的信道切换，其中更软切换是发生在同一基 站的具有相同频率的不同扇区之间。 软切换通常采用公共导频信道( c p c i h ) 的主导频信噪比( e 1 0 ) 作为切 换的测量，用户终端测量的互厶通过l 3 的测量报告消息通知无线网络控制器 ( r n c ) ：在r n c 中进行切换的判断与处理。软切换判断和处理的优劣是影响全 网性能的重要因素，涉及到网络容量、覆盖和业务的o o s 等，是影响全网质量和 用户满意度的关键指标。 评价软切换的性能的主要指标有：软切换成功率、软切换掉话率、软切换用 旦皇坠里奎! 受! ! ! 塑皇兰壁堡兰堡= ! ! ! ! 竺! 竺! ! ! 至堕尘塑 户比例( 包括c s 域和p s 域) 、激活集更新频率、切换时延等。 3 r a 障接收机 由于在多径信号中吉有可以利用的信息，所以，霄c d 姒接收机可以通过合并 多径信号来改善接收信号的信嗓比。r a k e 接收机就是通过多个相关检测器接收 多径信号中各路信号，井把它们合并在一起。r 蛐接收多径示意图如图2 - 2 所 月i ， r 一。丘一。 圈2 - 2r 髓接收多径示意图 在接收端，将m 条相互独立的支路进行合井后，可以得到分集增益。工作原 理如图2 3 所示。合并方式有三种：选择合并、最大比合并、等增益合并。w c d k a t 系统采用最大比合并方式，获得最佳分集增益。 圈2 - 3 啦接收机t 作原理 4 多用户检测 在直扩频码分多址( 1 c ts e q 啪c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l e 窿噍 南京邮电人学硕l ：研究生学位论文第一二章w c d m a 和p h s 系统介绍 a c c e s s ，d s 2 c d m a ) 系统中，多址干扰是影响系统性能和容量的主要因素。多址 干扰( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) 是由不同用户信号波形间的弱互相关性产生 的，m a i 抑制理论和技术的基本思想就是利用m a i 中包含的多用户互相关信息 来估计、降低或消除m a i 的影响。多用户检钡r j ( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 就是 为消除多址干扰而提出的一种从接收端设计入手的干扰抑制方法。一个典型的多 用户检测系统的模型如图2 - 4 所示。 b l b 2 叫匹配滤波器1 卜呻 多 户 - 匝巫 _ 叵习南一叫匹配滤波器2 卜+检 测 算 法 - 调制k 卜叫堡塑! 卜一 毒。叫匹配滤波器k 卜_ + b l b 2 图2 4 多用户检测系统模型 多用户检测器主要有以下三类：最优多用户检测器( 0 p t i m u mm u l t i u s e r d e t e c t o r ，o m d ) ，线性多用户检测器和非线性多用户检测器。最优多用户检测器 可以达到理论上的最小错误概率，但从联合最优的观点来看，最优多用户检测数 学模型是一个n p 完备的组合优化问题，其计算复杂度随用户数成指数增长，不 适合实际应用。因此研究者提出各种次优多用户检测方法，以实现性能和复杂度 之间的折中。线性多用户检测和非线性多用户检测均属于次优多用户检测。 2 4p h s 的基本特点 p h s 是一种基于t d d 方式的无线接入技术，采用丌4 q p s k 调制和3 2 k b i t s a d p c m 语音编码，并采用微蜂窝和信道动态分配技术，可以有效的提高频率利用率， 提高系统的通信容量。p h s 技术特点： 1 双工方式及帧结构【3 l p h s 采用t d m a t d d 多址和双工方式，其单帧结构如图2 - 5 所示。由图可见， 每帧长度为5 m s ，分为8 个时隙，前4 个为下行时隙，即为基站向手机发送信息 的时间，后4 个时隙供上行使用，也就是手机向基站发送信息的时间。每时隙既 可以用来传送控制信息，也可以用柬传输用户数据。p h s 的复帧由2 0 个单帧组 南京邮电入学硕i ：研究生学位论义 第一二章w c d m a 和p h s 系统介绍 成，复帧长度为1 0 0m s ，控制信息每复帧下发一次，1 2 个复帧组成超帧，每个 超帧的周期为1 2 s 。 li 上lfff f 陌。脱， 一 c m o一 图2 5p h s 单帧结构图 2 工作载频 p h s 工作频段为1 9 0 0 - - 1 9 2 0m h z ，载频间隔为3 0 0k h z ，控制载频为第2 6 号 载频，2 5 号及2 7 号载频作为保护载频，其余为业务载频。p h s 系统分配载频的 方式为动态分配，当有信息需要发送时，基站选择可用时隙，选择该时隙上的干 扰最小的频点来进行传送。时间上的时隙排列和载频间隔形成了p h s 的信道。 2 5p h s 系统特有的问题 p h s 的空中接口结构、技术参数决定了p h s 系统与g s m 、c d m a 等宏蜂窝系 统有很大不同，带来了一些系统特有的问题： 1 工作频段较高，无线电波绕射能力较差，基站设备发射功率较小而路径 损耗大，。网络覆盖效果受所处环境影响较大，室内覆盖效果不够理想。 2 采用t d d t d m a 工作方式，对信号的同步要求较高，当系统同步状况较差 时，会引发较为严重的控制载频干扰，导致通话障碍。由于c s k 的同步与全网同 步时间错开，导致c s 2 与c s k 的控制时隙有部分重叠。同时、同频发送时，会增 加控制信息错误的几率，在系统干扰程度比较严重时，会出现控制信息连续出错 的现象，导致手机在建链、切换等环节因为与基站失去联系而发生呼叫失败因而 产生呼叫时延长、起呼困难、甚至掉话等故障现象。 3 由于控制信息每复帧下发一次，因此在控制载频的1 0 0m s 的帧周期罩， 下行链路共有4x2 0 = 8 0 个时隙，理论上最大可分配给8 0 个基站作为各自的控制 时隙。也就是说，由于控制时隙数量的限制，导致基站密度具有单位面积的数量 南京邮电人学硕l ：研究生学位论文 第_ 二章w c d m a 和p h s 系统介绍 限制，根据工程经验，当基站密度超过4 0 个k m 2 时，会导致一定数量的基站因 无法分配控制时隙而工作失败。 4 基站采用动态分配载频方式，具有两个方面的效果：一方面基站自身可 以控制一定程度的干扰，无需频率规划，降低了网络规划的难度；另一方面，动 态时隙分布的随机性，也会带来一些问题。由于p h s 系统采用动态时隙分布机 制，p h s 网络用户经常会出现在非移动的通信状况下手机发生切换的情况( t c h s w i t c h i n g ) 。 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文第三章w c d m a 无线网络规划和仿真 第三章w c d m a 网络规划和仿真 3 1 网络规划概述 随着国际上3 g 商用网络推出的增多，以及中国3 g 执照发行的临近，3 g 网 络规划已经被越来越多的中国移动通信运营商提到议事日程上来。因为前期网络 规划在很大程度上决定了网络的结构，对网络投资以及质量起着决定性作用，是 将来网络发展的基础，而第三代移动通信网络的规划和优化与g s m 有很大的不 同，故越来越多的人开始关心3 g 网络的规划与设计。 3 1 1 网络规划的概念 无线网络规划指的是根据运营商对网络建设的整体要求，设计无线质量、覆 盖、容量和成本目标，以及根据该目标并借助仪器软件所进行的一系列无线侧网 络的配置和设计的系统工程。 3 1 2 网络规划的种类 主要包括无线接入网的网络规划，核心网的网络规划以及承载网的网络规 划，各项紧密联系在一起。而其中的无线网络规划的重要性尤为突出，本章主要 考虑w c d m a 的无线网络规划。 3 1 3 网络规划的重要性 由于第三代通信系统技术的复杂性，相比第二代g s m 网络规划，w c d m a 网络规划是一个新课题。作为第三代移动通信标准之一的w c d m a 由于其良好的兼 容性及可发展性，是目前g s m 网络的自然演进。其所提供的可变速率，多业务能 力，为运营商提供了坚实的技术平台以及广阔的市场空间，但同时也为网络规划 及优化带来了很大的挑战。由于w c d m a 要提供可变速率的多业务能力，又要考虑 网络的兼容性和可扩展性，故和g s m 相比，其网络复杂程度大为增加。特别是在 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文第三章w c d m a 无线网络规划和仿真 无线接口方面，业务的不同对空中接口提出了许多新的要求。因此，为了更好地 管理和使用网络，w c d m a 系统引入了许多新的技术及特性，这些都和g s m 大不相 同，使得在w c d m a 网络规划中要考虑更多、更复杂的问题，例如导频污染、软切 换增益、容量和覆盖的迭代预测等。 3 1 4 网络规划的主要目标 网络规划是覆盖、服务、质量和成本四要素的一个整合过程，如何做到这四 要素的和谐统一，是我们网络规划必须面对的问题。一个出色的组网方案应该是 在网络建设的各个时期以最低代价来满足运营要求。网络规划必须符合国家和当 地的实际情况；必须适应网络规模滚动发展，系统容量以满足用户增长为衡量； 要充分利用已有资源，应平滑过度；注重网络质量的控制，保证网络安全、可靠； 综合考虑网络规模、技术手段的未来发展和演进方向。 3 2w c d m a 组网技术 w c ) m a 系统的网络结构如图3 1 【1 2 】。组网技术研究的内容涉及广泛，从研 究的对象上来分主要包括核心网组网和无线接入网组网。 m s c v l r 雕型 、鲤一 幽3 一lw c d m a 系统网络结构 1 核心网组网 做好核心网规划，从而建设一个高质量、具有长远发展潜力的3 g 核心网络。 在核心网组网时需要考虑如下几个问题： ( 1 ) 核心网综合成本最优原则 对于3 g 网络的建设，我们认为应该从长期、全局的角度进行规划，规划的网 一 南京邮【乜火学硕j ：研究生学位论文第三常w c d m a 无线嗍络煳划和仿真 络应该满足大容量、少局所、广覆盖的原则，具有清晰的全i p 演进路线，避免 后续网络频繁调整：能够进一步融合移动固定业务能力，便于i h n g n 演进。 ( 2 ) 建设3 g 网的版本选择 随着3 g 牌照进一步后续，3 g p pr 4 版本标准已经成熟，根据目前网络情况， 核心网的结构又有3 g p pr 9 9 、类3 g p pr 4 、全t d m 3 g p pr 4 结构、全i p3 g p pr 4 结构和混合3 g p pr 4 结构等多种选择。采用3 g p pr 9 9 还是3 g p pr 4 进行组网， 主要取决于网络建设时间、多厂家供货环境的形成和网络功能定位等多种因素。 ( 3 ) 现网资源的整合 3 g 核心网建设应保证对现有网络的影响最小，对传统移动运营商应能保证 g s m g p r s 设备的再利用，并考虑现有电路传输网络、分组数据网络和信令网的共 享。 2 无线接入网组网 移动通信系统工作的环境复杂多样，满足用户随时随地的自由接入、提供可 靠的服务是至关重要的。由于用户分布、业务的需求的多样化、地理环境的差异 使得网络的规划和设计变得尤为复杂，我们不可能只用一种模式来满足不同环境 的应用需求。 我们在进行接入网组网规划时，应仔细研究实际电波传播环境、用户的分布 情况和业务需求，提出相应的解决方案，以达到覆盖目标、系统容量、服务质量 和建设成本的合理折中，快速经济地实现优质网络建设，同时保证网络的可持续 发展。为了达到以上要求，这里我们主要介绍分布式覆盖技术。 分布式覆盖技术是通过光纤将基站的射频部分拉远，实现基站射频部分和基 带部分的分离。采用分布式覆盖技术可将射频单元拉远，实现灵活配置，适用于 多种场合。它既能满足覆盖要求，又能满足容量需求，可实现宏蜂窝或微蜂窝。 分布式覆盖技术主要组网方式有三种： ( 1 ) 完全星型组网 所有的r r u 直接使用光纤和基带资源池连接，如图3 - 2 所示。其升级性能 好，但需要大量的光纤资源，适用于那些光纤资源丰富的地方。 南京邮电大学硕，仁研究生学位论文 第三章w c d m a 无线网络规划和仿真 基 融m1 带 - 一 资 一 7 li 础2 i 源 池 ，l r r un l 一团 一固 ： 一日 图3 - 2 完全星型组网 图3 - 3 星型和l 链型混合组网 ( 2 ) 星型和链型混合组网 每个站点使用1 对光纤与基带池设备相连接，站点内部的3 个射频远端模块 采用链型组网方式，如图3 3 所示。与完全星型方式相比，可以节约2 3 的光 纤。但是如果基带池和站点之间的光纤短路，则会造成整个站点无法提供服务。 ( 3 ) 光环型组网。 每个站点使用2 对光纤和基带池设备相连接，站点内部的连接方式如图3 4 所示。在布置上述2 对光纤时应使用不同物理路径，以便保证在同一时刻2 对 光纤不会同时出问题。 3 3w c d m a 网络规划 图3 - 4 光环形组网 w c d m a 系统的覆盖、容量和通信质量是相互关联的，彼此循环制约。w c d b l a 网 络规划的过程就是在找一个理想的平衡点，使得不仅能满足业务的各项需求，而 且可以降低网络成本，所以规划工作是十分重要的，w c d m a 无线网络规划流程图 如图3 - 5 所示。 南京邮l 乜人学顺i t i j f j 。l 生学位论文 第三章w c d m a 尤线i 叫络j ! i ! 划和仿真 l 无线网络估算 上 l 无线网络预规划 上 i 站址选择勘测 l 小区参数配置 图3 5w c d m a 网络规划流程 而初步规划( 图3 - 6 ) 在整个规划过程中首当其冲，其作用不言而喻。所以下 面我们主要分析w c d m a 初步规划中的覆盖和容量预算。 南京邮电火学顾士研究生学位论文 第三章w c d m a 无线网络规划和仿真 3 3 1 无线网络初步规划流程图 网络预规划任务 计算无线链路预算 计算小区的大小 计算容量 估算b s s 设备 r n c 需求每个l h x i c 上 业务总量 图3 - 6 w c d m a 网络规划流程 3 3 2 链路预算删 无线网络覆盖规划的一个非常重要的工作就是进行链路规划，通过链路预 算，可以估算出各种环境下的最大允许路径损耗，我们将这损耗带入预先预定的 模型中，可以估算出各种环境下小区的覆盖半径和覆盖面积。基于这数据可以估 算出在预先设好的环境下所需的基站数目。覆盖估算小区的流程如图3 7 所示： 南京邮电大学硕上研究生学位论文第三章w c d m a 无线嘲络规划和仿真 图3 - 7 覆盖规划流程图 由于w c d m a 系统是上行受限的系统，所以我们在进行初步规划的链路预算时 主要考虑上行链路，下面我们主要针对上行链路进行分析。 3 3 2 1 链路预算中的一些参数 ( 1 ) u e 的特性 u e 的特性 最大发射功率，d b m 天线增益，d b i 人傩损耗d b 目前的终端一般支持u e 的最大发射功率为2 1 d b m ，部分数据终端可能会使用 更高的发射功率( 2 4 d b m 、2 7 d b m ) 。 对于语音终端天线增益为0 ，人体损耗为3 d b m 。对于数据终端天线增益为 2 d b i ，人体损耗计为0 。 ( 2 ) 基站的特性 基站特性 基站天线增益扭i 基站中的电缆损耗d b 基站的天线增益通常取值范围在1 3 - - - 2 1 d b i 之间。一般情况下定向天线的取 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章w c d m a 无线网络规划和仿真 值为1 8 d b i ，全向天线的取值为1 l d b i 。 ( 3 ) 基站接收机性能 基站接收机特性表 扩频带宽m i - i z 接收信道带宽m h z d b h z 基站的有效噪声系数西 热噪声d t s m 处理增益奶 g b n 0 目标值d b 基站接收机灵敏度毋m 1 w c d m a 的扩频带宽为3 8 4 m h z 。 2 基站的有效噪声系数通常定义为网络输入端的s n 与网络输出端的 s n 的关系，3 g p p 对此没有特殊的要求，一般厂家设备的噪声系数，在 2 2 2 5 d b 之间。 3 在大多数的通信系统中，热噪声功率谱密度在所讨论的频点上都是一样的 ( 因为噪声的带宽大于系统带宽) ，热噪声源在每单位带宽上产生的噪声功率相 等。它的功率最大值可以表示为： 只= k t b ( 3 1 ) k ：波尔兹常数1 3 8 1 0 2 3 ( j k ) t ：绝对温度b ：信号带宽 接收机噪声功率表示为： ( d b ) = ( 拈) + ，( d e ) ( 3 2 ) 4 处理增益p g p g 的大小是随着业务速率的变化而变化的，处理增益p g 的计算公式表示 为： 南京邮电火学硕i 二研究生学位论文第三章w c d m a 无线网络规划和仿真 p g = 1 0 1 9 ( w r ) ( 3 3 ) 其中：形：扩频后的速率r ：基带速率业务速率 5 e o 目标值 对于扩频系统的w c d m a 网络，有用信号永远是“淹没 在噪声中的，即有用 信号的s n 永远小于0 ，不能充分反映信号的质量，因此对于扩频系统，一般采 用瓦o 作为信号质量的参考，其中毛表示空中传输i b i t 的能量，o 表示空 中干扰的总和。计算公式表示为： 墨= 羔堡 “ r ( 3 4 ) 6 基站接收灵敏度 基站接收灵敏度s 实际上就是为满足业务毛o 要求，即在基站端要求的最 小信号到达功率，由 毛o = s ( d b m ) 一n ( d b m ) + p g ( 3 5 ) 得知基站接收灵敏度s ： s = n ( 热噪声+ 噪声系数+ 干扰) + 厶0 - p g ( 3 6 ) ( 4 ) w c d m a 的一些特定参数 1 干扰余量：因为w c d m a 是覆盖受限系统，所以在链路预算中需要干扰余 量，在覆盖受限的情况下建议使用较小的干扰余量，干扰余量的典型值 是1 0 3 0 d b ，对应的负荷因子r 为2 0 5 0 ，两者的关系表示为： 1 干扰余量= 1 0 l g ( 一) ( 3 7 ) l 一7 7 2 快衰落余量( = 功率控制预留量) ：在3 g 中可以采用快速功率控制来 克服由多径效应引起的快衰落。这就要求移动台发射功率中需要留一定 的预留量，即所谓的快衰落余量。3 g 中的快速功控是1 5 0 0 次秒，意味 着对低速移动的用户起到很好的作用，快衰落余量的典型值是2 5 d b ， 而对于快速移动的用户( 1 0 0 k m h ) ，快速功率控制将因为跟不上多径 衰落的快速变化而无法相应的调节移动台的发射功率，应此，在高速语 音业务中，快衰落余量设为o d b 。 南京邮| 乜大学颀f ：研究生学位论文 第二章w c d m a 无线m 络舰划和仿真 3 软切换增益：切换一通过减少所需的对数正态衰落余量来得到对抗慢衰 落( 对数正态衰落) 的增益。这是因为慢衰落在基站之间是部分不相关 的，通过切换，移动台可以找到一个更好的基站，软切换增益一般在 2 3 d b 之间。 3