（电磁场与微波技术专业论文）wcdma无线网络规划特点分析及规划过程仿真.pdf

摘要 在w c d m a 系统中，由于引入了不同的数据业务，加上w c d m a 系统本 身的特点使得在规划w c d m a 系统时有许多不同于g s m 系统规划的地方。其 中特别要注意的是在规划w c d m a 系统时，小区的覆盖和负荷要相互结合起来 考虑。由于限制了移动台的最大发射功率，这样在上行链路限制了小区的覆盖 范围：而在下行链路由于干扰而限制了小区的容量。另外在w c d m a 系统中， 功率控制( t p c ) 、软切换和更软切换产生的增益、平均功率上升等因素都要 加以考虑。本文对整个w c d m a 系统无线网络规划的特点做了详细的讨论，并 论述了整个规划过程，最后利用静态网络仿真器对网络规划整个过程进行了仿 真和分析说明。 a b s t r a c t t h ew c d m am d i on e t w o r kp l a n n i n gp r o c e s si sd i f f e r e mf r o mg s m n e t 、o r kd u et om ei m r o d u c t i o no fv a r i o u sb i tr a t es e r v i c e si nw c d m a s y s t e ma n dt 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so ft i l ew c d m at e c h n i q u e s p e c i a le m p h a s i s h a st ob eg i v e nt ot h ec o n s i d e r a t i o no fm em u t u a l i n n u e n c eo fc o v e r a g ea n d c 印a c 时s oi nt h ew c d m a t h ec o v e r a g ea 1 1 dc a p a c i t yp l a r u l i n gh a v et ob e m a d et o g e m e r w h i l et h ec o v e r a g ei sl i m i t e db yt h eu p l i n kb e c a u s eo ft h e m a x i m u ma v a i l a b l et r a n s m i t t i n gp o w e ro ft h em o b i l e ，t h ed o w n l i n ks e t s l i m i t a t i o n so nt h ec a p a c i t yd u et ot h ei n c r e a s i n gi n t e r f e r e n c e t h ei m p a c to f s p e c i f i cw c d m af j a t u r e sa sm ef a s tt r a l l s m i tp o w e rc o n t r o l ( t p c ) ，m eg a i l n d u et os o 氐a n ds o r e rh a n d o v e r ( s h 0 ) a n da v e r a g ep o w e rr i s es h o u l db e t a k e ni m oa c c o u n t i nt h i st h e s i sw ea n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i co fw c d m a r a d i on e t w o r kp l a n n i n gi nd e t a i la n dd i s c u s st l l ew c d m ar a d i on e t w o r k p l a n n i n g ，w h i c hi n c l u d i n gd i m e n s i o n i n g ，d e t a i l e dr a d i on e t w o r kp l a n n i n g a n dn e t w o r ko p e r a t i o na n do p t i m i z a t i o n f i n a l l y ，w eg i v eas i m u i a t i o no f n e t w o r kp l 咖i n gw i t ht h eh e l po fs t a t i cs i m u l a t o rb a s e do nm a t l a bs o f t w a r e a n dm er e s u n sa r ed i s c u s s e d 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线移动蜂窝网络规划方法的演进 当前移动通信发展非常迅速，这主要是由于移动通信除了给广大用户提供非 常灵活方便的通信手段外，给各个移动运营商带来了可观的利润回报。对于移动 运营商而言，建立一个最优移动网络的关键是首先对将要建立的移动网络进行非 常合理的规划布局。由于移动网络所处的无线环境是在不断变化的，例如某个基 站周围新树立起一座高楼大厦，无线环境就发生了变化，有可能将原来的基站信 号给阻挡了。所以移动网络的规划和优化是一个长期的复杂工作。 对于移动网络的规划方法是随着移动网络的演进而不断变化的。在2 0 世纪 8 0 年代，第一代模拟移动通信系统以美国的先进移动电话a m p s ( 先进的移动 电话业务) 、欧洲的t a c s ( 全接入通信系统) 为代表开始商用。由于第一代模 拟系统主要采用频分多址( f d m a ) 方式，系统的容量比较低，所以对模拟系统 的规划主要考虑的是无线覆盖问题，系统中基站天线位置一般架设在高层建筑屋 顶上，采用全向高增益天线，而移动台通常处在城市建筑物屋顶平面以下，基站 和移动台之间的直达射线可能被遮挡捧。这样的规划方式一般称为宏蜂窝小区建 站。对于基站覆盖范围内的场强，一般采用经验模式如o k u m u r a h a t a 模型1 1 1 进行预测。这个经验模式是2 0 世纪6 0 年代，奥村等人在东京地区用最高频率为 1 9 2 0 m h z 的几种频率，不同的基站和移动台天线高度，以及在各种不规则地形 和环境地物条件下测量信号强度，然后把结果用曲线表示。h a t a 对曲线进行拟 合，形成了一个经验公式。在这个公式中，中值路径损耗被表示为频率、天线高 度、基站和移动台间距离、传播地形地物类型的函数。一般所得到的结果要加入 修正因子，例如要考虑街道的朝向、郊区、开阔地、不规则地形等。但是h a c a 公式被限制使用在1 0 0 1 5 0 0 m h z 频率范围内，距离在1 2 0 k m 之间，基站天 线高度在3 0 2 0 0 m 之间，移动台天线高度从l 1 0 m 。所以这个经验模式除了 用于宏小区场强预测外，对使用超出15 0 0 m h z 频率的情况下就无能为力了。为 此又提出了c o s t2 3 1 ，h a t a 模式，它的频率使用范围为1 5 g 2 g h z ，这个模式 限用于大区制蜂窝和小区制蜂窝移动通信系统。这样它可以用于第三代移动通信 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文第4 页 第一章绪论 系统的场强预测。 随着移动通信技术的发展，8 0 年代末，引入了利用数字传输方式的第二代 移动通信系统，提供更高的频谱利用率。更好的数据业务以及比第一代系统更先 进的漫游功能。这主要是以美国l s 9 5 c d m a 系统和欧洲的全球移动通信系统 ( g s m ) 。第二代系统g s m 由于采用时分多址( t d m a ) 的接八方式，系统的 容量得到了很大提高。网络规划是除了考虑到是宏蜂窝组网外，还开始采用微蜂 窝建网( 阶段2 ) 。小区采用扇区化，基站天线位置可能低于建筑物屋顶。对于 微蜂窝的规划，要采用适合于微蜂窝的场强预测模式。 w a m s c h - i k e g a m i 场强预测模式【1 2 】可以用于微小区场强预测，但该模式仍 要求发射天线在屋顶水平上方。 由于g s m 网络规划中对频率的规划非常重要，而频率规划的好坏主要取决 于场强的预测，所以传播模式的选取在规划中就特别重要。为此除了普遍采用的 经验模式外，还提出了精确预测场强的射线跟踪模式。文献f 1 3 1 给出了一个二维 ( 2 d ) 射线跟踪仿真器用于城市无线环境下的场强预测，而文献f 1 4 1 给出了三 维( 3 d ) 射线跟踪模型，通过两者的比较可以看出3 d 射线跟踪模型比2 d 射线 跟踪模型更精确，但它的代价是对所预测环境的精确建模和计算复杂度的增加。 为了对室内场强进行预测，文献【1 5 】和文献 1 6 】都给出了对室内进行场强预测 的射线跟踪方法，但两者又有所不同。文献1 5 1 中对室内墙面、物体等进行比较 精确的建模，然后结合2 d 和3 d 射线跟踪方法对室内进行了场强预测。而在文 献1 6 1 中场强预测方法相对简单些：室外场强预测使用3 d 射线跟踪方法，对室 内的场强预测仅仅简单地通过室外进入室内时减去电场穿透墙壁多少损耗 ( d b m ) 来估算。两种建模方法通过实测得到了很好的验证。另外在文献1 7 1 中 作者提出了一种新的用于预测微小区场强大小的射线跟踪计算模型，它的主要特 点是减少了计算射线的数目，从而使得计算机所用的计算时间减少，此算法计算 出的数值和实际网络规划时测出的值非常吻合，可用于规划微小区时预测场强的 大小。 对于第三代( 3 g ) 移动通信系统，例如w c d m a 系统，它采用码分多址 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文第5 页 第一章绪论 ( c d m a ) 的接入方式，所有用户同一时间工作在相同的频率信道中，是典型的干 扰受限系统，具有“呼吸效应”的特点，所以在规划时场强预测的准确性更为重 要。在文献f 1 8 1 中，简单地介绍了用于规划3 g 时的规划软件p l a t o n ，并用 一个具体示例说明了规划u m t s ( 通用移动通信业务) 网络时的场强预测方法， 并对各种方法作了比较。文献1 9 1 利用射线跟踪模式和c o s t2 3 1 h a t a 两种场 强预测模式，对比两者预测模式算出的结果，说明利用经验预测模式c o s t 2 3 1 h a t a 做规划时得到比实际更为乐观的规划结果，而利用射线跟踪模式得出 的预测结果在规划网络时和实际结果更为吻合。另外在文献f 1 1 0 1 中详细地说明 了各种场强的预测方法。 在规划无线网络时，除了场强预测方法的演进外，对于第二代g s m 系统而 言，频率规划也是一个研究的热点问题，它涉及到一个信道分配问题的研究。在 文献1 1 1 中对信道分配法作了详细的说明。 除此以外，许多研究者对规划整个无线接入网的分析方法也做了深入的分析 研究。目前一些文献提出的规划方法基本上主要集中在说明设计规划软件上，例 如文献【1 1 2 】【1 1 3 ；另外一些文献主要讨论了规划网络的算法，例如文献 【1 1 4 】【1 1 5 】提出了利用费用约束条件自动产生基站站址的算法。至于规划方法详 细的说明在文献【1 1 6 1 1 7 】中作了详细的说明，在此文献中，通过对传统规划方 法( 图1 1 ) 的说明，提出了一种基于需求节点的综合无线网络规划方法( 如图 1 2 ) ，并用软件l c e p t 对此方法的正确性作了说明。 除了g s m 系统外，对第二代的窄带c d m a 系统的网络规划，文献 【1 1 8 】【1 1 9 】中给出了规划的具体方法，在这两个文献中，基本上考虑的是话音业 务，并且基于文献1 2 0 1 ，认为系统是典型的上行链路受限，所以一般只考虑上 行链路。此外，文献 1 1 8 】【1 1 9 】中主要是偏工程分析，而在第三代系统中就必须 考虑由于多媒体业务带来的上、下行链路的非对称性。对于w c d m a 系统的网 络规划，文献1 2 1 1 给出了具体的流程，本论文将在此基础上做具体的分析。 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文第6 页 第一章绪论 移动网络 图1 1 传统规划方法图1 2 综合规划方法 1 2 论文的提出及研究内容 对于3 g 标准之一的w c d m a 系统，由于它除了可以提供比第二代系统更 高的频谱利用率外，最主要的是可以为移动用户提供非对称的多媒体业务。另外 由于它采用的是宽带码分多址的接入方式，使得它的无线接口设计方面有许多新 的特点，例如它可以在上下行链路上支持频率为1 5 k h z 的快速功率控制，软更 软切换和正交下行链路信道等等。特别是在w c d m a 系统中，干扰分析特别重 要，基站的灵敏度要视特定的小区和业务而定。这些都使得在规划w c d m a 系 统时要考虑更多的方面。而目前为止，具体规划一个优良的w c d m a 网络是大 家研究的个热点。正是基于此，本论文在详细分析网络规划特点的基础上，利 用静态仿真器验证了这些特点。 本论文研究w c d m a 系统无线网络规划的特点，并给出了仿真，本文所做 的独立工作有： 分析了w c d m a 系统无线网络规划中要考虑的些参数，在此基础上 详细地分析了规划的特点。主要包括“呼吸效应”所带来的网络中的软容量和软 软覆盖：通过推导出下行链路质量方程，详细讨论了基站发射功率问题；规划时 的导频信道功率设置问题：软切换的最佳切换区域。 在对比分析w c d m a 系统和g s m 系统网络规划的基础上，详细论述 了w c d m a 无线网络规划的过程和方法，并给出了初始布局的一个具体示例。 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文第7 页 第一章绪论 利用已有的系统规划静态仿真器，通过修改仿真器中的具体参数，规划 了一个能提供多种业务的无线网络。并在此基础上验证了本文第二章中说明的一 些w c d m a 网络规划关键点。 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文 第8 页 第二章w c d m a 无线网络规划特点 第二章w c d m a 无线网络规划特点 2 1w c d m a 无线网络规划中的特殊参数 w c d m a 频分双工( f d d ) 模式在物理层上采用直接扩频c d m a ( d s - c d m a ) 的工作方式，系统的码元速率是3 8 4 m c h i p s 。在w c d m a 无线网络规划中，有 些用于表述w c d m a 无线系统的一些参数，这些参数值的确定是进行网络规 划和优化的关键，所以被称为关键性能参数( k p l ) 。这些参数是w c d m a 系统 所特有的，在以时分多址( t d m a ) 接入方式的g s m 系统中所没有的。由于这 些参数值大小的确定始终贯穿于无线网络规划的初始布局阶段、详细的规划阶段 和网络优化阶段，所以在本论文开始部分就予以介绍。 关键性能指示参数( k p i ) 一般通过链路级仿真得到，由于仿真的条件( 例 如无线信道的选取、基站数多少，移动台速度等) 不同，这些参数的值也就不一 样。在进行网络规划时，首先对要仿真的环境建模，然后根据不同的条件进行仿 真得到具体的数值，必要时通过对实际规划的环境进行实测，综合比较选取用于 网络规划时参数的具体取值。 根据不同的条件，可以对这些参数进行分类，例如： 传输方向( 上行链路，下行链路) 移动台的速度( 典型的移动台速度分为3 k r r l m 和1 2 0 h l 1 1 ) 移动台所使用的业务类型( 话音8 k b p s ，数据业务1 2 2 k b p s ) 无线多径信道( 3 g p p 信道模型，i t u 信道模型) 小区环境( 密集的城市，郊区，农村) 小区布局( 宏小区，微小区，微微小区) 2 1 1 接收机的毛。 e 0 表示为每信息比特的接收能量除以噪声功率谱密度。从网络规划的 角度讲，此参数是最重要的，因为在多径无线条件下不同的用户业务类型所需的 巴0 是不同的，它取值的大小直接和业务的服务质量( q o s ) 有关。只要确定 所需的毛。大小，就可以得到为满足所需业务的q o s 所要求的最小发射功率。 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文 第9 页 第二章w c d m a 无线网络规划特点 在w c d m a 系统中，上、下行链路的b 。计算表达式分别为 1 ) 上行链路 旦：旦坐：堡丛 n o i f wri 2 ) 下行链路 鲁= 等，i 茬惫酉n o r j 一u a ) + i o t h + p n ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中，上行链路中p 。、，、和凡分别为基站接收到的信号功率、接收到 的干扰功率、信号带宽和用户的信息比特速率。 在下行链路中，口表示为下行链路中的正交系数。因为w c d m a 系统为区 分用户采用正交码字，没有多径传播时移动台接收到的基站信号将保持正交性。 然而，如果无线信道中具有足够大的延迟扩展，移动台会将部分基站信号视作多 址接入干扰。多径信道中口的典型值在0 4 o 9 之间。正交系数口对w c d m a 系 统性能的影响可参看文献2 1 1 。 下行链路中的，和，。分别为移动台收到服务小区基站的总功率和周围小 区基站的总功率，p 为热噪声功率。 2 1 2 快衰落储备( 功控余量) w c d m a 系统不同于第二代i s 9 5 c d m a 系统的显著特点是上、下行链路采 用了快速功率控制( t p c ) ，3 g p p 定义控制速度达到1 6 0 0 k h z ，这样做是为了 克服远近效应和深衰落。但为了保证快速功控，移动台发射功率要有一定的余量。 这特别适用于慢速移动的用户，此时快速功控能有效地补偿衰落。但对于快速移 动的用户，由于信干比( s i r ) 的非精确估计、功控信令错误以及功控环路中的 时延等因素将破坏功控余量的选取【2 2 】。文献 2 2 】中给出了功控余量的定义 t p c 余量= 眩厶 一阪，。l 。 其中，【毛，。】和【毛，。l 。分别表示无功率控制情况下和具有功率控制情况下 接收到的平均每比特能量除以总干扰能量( 毛，。) 的值。 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文第l o 页 第二章w c d m a 无线网络舰划特点 2 1 3 平均功率上升 对于慢速移动的用户，快速功率控制能够在功率控制的范围内对无线信道 的快衰落很好地补偿，使满足一定服务质量所需的毛。值较小。这样做可以 使发射功率尽可能小。但它带来的问题是，发射功率为补偿深衰落会有峰值出现， 使平均功率上升，如图2 1 所示。在上行链路中，平均功率上升仅仅有效地增加 了从周围小区接收到的干扰，此值在规划中被加到干扰计算中。在下行链路，平 均功率上升被包括在基本的e o 系数中。 号 v 料 雷 l 垂孰。i 。 一【 i 一 赫磊草 i 一 、- 1j - j lj | i k 卤i ：玉删1 - 强l i 谊、甩l i 矗乙k j 碡一 呵丌两卿_ 四哩甲艄”f r r n r 、p i 一 ， l - y f ， - 时间( i i i s ) 图2 1 慢速移动台在无线环境下的功率控制 在文献【2 2 】中对w c d m a 网络规划中快速功率控制对上行链路性能的影响 进行了仿真，其中毛。取值是在误码率( b e r ) 为1 0 。条件下，结果如表2 1 ： 表2 1 快速功控对功控余量和平均发射功率上升的影响 t p c 关t p c 开 最大d 0 p o l e r 频移平均接收到的平均接收到的功控余量平均发射功率上升 e b | l 轴b 、 eb flq q b 、 ) i t e 步行a 信道5 h z 1 3 14 98 22 1 i t u 步行a 信道2 0 h z 儿55 7582 o i t u 步行a 信道4 0 h z 9 76 03 7l6 i t u 步行a 信道1 0 0 h z 7 96 01 90 8 i t u 步行a 信道2 5 0 h z6 5 6 3 0 20 2 另外，该文献还详细说明了w c d m a 系统中快速功率控制对小区容量和覆 盖的影响。 2 1 4 软切换增益 软切换或更软切换可以通过减少所需的对数正态衰落储备，带来一个对抗慢 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文第1 l 页 第二章w c d m a 无线网络规划特点 衰落( 对数正态衰落) 的增益。这是因为基站间的慢衰落不是完全相关的，移动 台通过切换能选择一个更好的基站。由于宏分集合并( m d c ) 的作用，软切换 减少了相对于单个无线链路所需的玩，厶值，带来个对抗衰落的附加宏分集增 益。其中文献2 3 1 详细地分析了软切换增益对w c d m a 网络上行链路的影响。 以上介绍的这些关键性能参数( k p i ) 除了用于无线链路预算和覆盖预算外， 更重要的是将用于w c d m a 无线网络规划中的链路级性能建模和系统级仿真中 去，具体实现方案，本论文将在第三章予以介绍。 2 2w c d m a 系统无线网络规划的关键点 本节分析了w c d m a 系统无线网络规划中非常重要的一些关键点，包括“小 区呼吸效应”、小区覆盖和容量相互依赖关系、导频功率分配等，这些概念与理 论是后面对w c d m a 系统网络规划和系统级仿真的理论基础。 2 2 1 小区呼吸( c e l lb r e a t h i n g ) w c d m a 系统采用码分多址( c d m a ) 的无线接入方式，它的特点是所有 用户在同一时间工作在相同的频率信道中，这导致了每个用户都在产生同频干 扰。为了克服这种同频干扰采用了扩频和解扩技术，其中扩频增益g 。可以用来 说明克服同频干扰的能力。为了能成功地解调用户的信号，接收机应满足一定的 条件。也就是瓦( 。+ j 。) 要大于给定的门限值。其中& 为每信息比特接收能量， 。为热噪声功率谱密度，。为接收机的干扰。通常给定的门限值是一个很复杂 的参数，它主要取决于无线信道的特征、移动台移动速率、接收机的性能等因素。 一般对于这个值可以从链路级仿真和测量中得到。 为了了解w c d m a 系统性能，可以简单地从一些系统变量推导出既，。的 表达式。对于w c d m a 而言，系统上行链路范围可基于链路级e ，。值来计算， 我们假设系统处于理想的功率控制情况下，邑，。的具体表达式如下【2 4 】： 墨：可乓而 ( 2 3 ) 厶o + 啦学 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文第1 2 页 第二章w c d m a 无线网络规划特点 其中：s 为基站从移动台接收到的功率，r 为用户数据速率，为小区中 激活的用户数，v 为激活因子，肜为w c d m a 信号的码片速率，允为其他小区 相对于本( 服务) 小区的干扰比。 解以上方程可以得到接收功率s 为 ( 2 4 ) 从式( 2 4 ) 中我们可以看到基站所接收到的功率取决于r 、v 等参量。 如果我们假设鲁- 7 d b ，v _ o 5 ，z n - 0 - 5 5 ，矽_ 3 8 4 m c p s ，0 - 1 7 0 d b m ，h z ， 就可以得出s 随用户数据速率凡和小区中激活的用户数j v 之间的关系。图2 2 中给出了基站接收功率与用户数据速率随着小区中用户数增加之间的关系。 每小匡用户数” 图2 2 用户数据速率对所需功率的影响 同理，通过设定用户数据速率，可以看出激活因子v 对所需功率的影响，图 2 3 中假定用户的数据速率为9 6 k b ，s 。 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文 第1 3 页 心一m 盈扯 云 拈 ep)斟霄一m替荨f著搠 第二章w c d m a 无线网络规划特点 专5 1 1 0 5 1 1 0 ”5 1 2 。 1 2 5 一f 0 2 + v = 03 一f 05 。 ， 。“# ：o二绢籀氯础删删 图2 3 用户激活因子对所需功率的影响 从图2 2 和2 3 中我们可以看出小区中用户数、用户数据速率和话音激活因 子对所需功率的影响。如果我们假定移动台的发射功率固定，那么可以认为改变 基站接收的功率相当于改变了移动台和基站间的路径损耗，这也就意味着基站覆 盖的有效范围一小区大小是随着小区中激活的用户数、用户数据速率见、激 活因子v 在不断变化的。这种变化就被称为“小区呼吸”，这也是c d m a 系统特 有的特点。 2 2 2w c d m a 网络规划中的软容量和软覆盖 w c d m a 系统是一个干扰受限系统，由上面的“小区呼吸”效应也知道在 进行网络规划的时候，容量和覆盖的规划要联合起来考虑，不像g s m 系统网络 规划时容量和覆盖是分开来考虑的。这主要是由于小区的负荷会对小区允许的最 大传播损耗产生影响，也就是对覆盖产生影响，同时小区负荷又是小区容量的决 定因素。 由文献2 5 1 我们可以知道，当负荷比较小时w c d m a 系统是上行链路覆盖 受限，当负荷比较大时下行链路容量受限。因此在网络规划时覆盖和容量的规划 对于上、下行链路是不同的。特别是3 g 系统提供多媒体业务，每种业务的服务 质量( q o s ) 不同，所以准确地规划覆盖和容量就更为重要。 1 上行链路覆盖 在w c d m a 无线网络规划的初始化布局中，上行链路功率预算一般基于链 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文第1 4 页 e粤v斟营冒鹫辅着搠 第二章w c d m a 无线网络规划特点 路质量方程 2 6 】 辟锗 其中，叩。，为上行链路负荷因子 = ；宰( ，+ 血) ( 2 6 ) 鼻、p 、q 、只，、三，、和孟分别为第f 个移动台的发射功率、热噪声功 率、基站接收信号所需e 0 、用户信息比特速率、路径损耗、w c d m a 码片 速率和基站处接收到的其他小区对本小区的干扰比。 由表达式2 5 可以得到第f 个移动台和基站间允许最大传播损耗的表达式 = 警( 1 _ ) ( 2 7 ) 从表达式2 5 可知，当叩。斗1 时小区达到它的极点容量，或者渐进小区容量， 从表达式2 7 可以看出，对于上行链路小区的负荷因子和小区的覆盖几乎是线性 关系，但这仅仅当用户的数据速率不太高的时候( 此时处理增益冠比较高) 。 两者间关系可参见图2 4 。 2 下行链路覆盖 w c d m a 下行链路和上行链路具有明显的不同，主要表现在： 基站的发射功率是由它所服务的所有移动台共享； 不同移动台遭受到相邻小区的干扰，取决于移动台在小区中的位置 下行链路的负荷因子与正交系数有很大关系。 对于下行链路，我们首先定义第f 个移动台所需的巴0 值a ： 届= 用户t 的处理增益恧疆硒习蔼募篆芸警詈( 2 8 ) 这样我们可以写出下行链路质量方程表达式： 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文 ( 2 9 ) 第1 5 页 矿一r | | n 第二章w c d m a 无线网络规划特点 其中，b 、上。、厶f 、口、p 和分别为用于移动台f 和基站建立无线链 路所需的基站发生功翠、移动台f 与服务基站m1 日j 的路径损耗、移动台f 与干扰 基站七间的路径损耗、下行链路正交系数、基站的总发射功率和周围干扰基站数 目。 解上述方程，可得到下行链路质量方程表达式如下： 只= 彘 ( 1 _ 蛳。煮皇+ ， 亿柳 其中：竽为其他小区和本服务小区的功率干扰比如一这样上式可写成如下 h 表达式： n = 鼎 ( 1 1 ) p + r 工。， ( 2 1 1 ) 当服务小区基站和移动台之间的无线链路连接数为，时，这个链路的功率 相加，再考虑用户在物理层的激活因子v ，则可得到基站的总发射功率： p ：坚 l 一叩m 其中，叩。为下行链路负荷因子： 一科字1 ) + 乜) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 同上行链路一样，当下行链路负荷因子刁。斗1 时，下行链路容量也达到它 的最大值，即极点容量，此时所需的基站功率达到无限。所以在做网络规划时， 小区的负荷一般不能太大，负荷因子应该保持在一个比l 小的值，以便使整个网 络达到稳定状态。 假设移动台总数为，且所有移动台使用相同的业务速率，具有相同的激活 因子v 和相同的服务质量( q o s ) ，则和表达式( 2 7 ) 相似，可以得到下行链路移动 台和基站问允许最大传播损耗表达式 。笔笋( 1 - ) 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文 ( 2 1 4 ) 第1 6 页 第二章w c d m a 无线网络规划特点 通过下行链路负荷因子表达式( 2 1 3 ) ，可以得到如下表达式 罢；出幽 ( 2 1 5 ) 偿 叩d l 。 把( 2 1 5 ) 式代入到( 2 1 4 ) 式，可得到最终表达式 。半b - l 一5 f 一i i 。1 1 ，d l ( 2 1 6 ) 3 两者间比较 我们可以得到w c d m a 系统无线网络规划时的上、下行链路覆盖和容量之 间关系，如图2 4 所示。我们选取网络规划时的典型参数如下： 表2 2 上、下行链路覆盖与容量仿真参数 码片速率 移动台发射 用户比特率 所需 噪声功率 参数激活因子 p s )功率( d 啪( i c b p s ) e h nn u ( d b i i i ) 上行链路3 8 4 2 4 1 4 415数据1 01 0 3 2 基站发射功其他小区与本小区基站功率噪声功率 参数正交系数激活因子 率( d b m )平均比值( d b 而 下行链路 o 64 00 5 5 数据1 0 一1 0 3 2 从图2 4 可以看出下行链路覆盖范围随小区负荷因子的增加迅速减小，而上 行链路仅当小区的负荷因子接近1 时，小区的覆盖范围才减小得比较明显，由此 可见下行链路的覆盖比上行链路的覆盖更依赖于负荷。其中的原因是：在下行链 路中不管用户数为多少，最大发射功率同样为4 0 扣m ，它被下行链路的所有用 户共享；而在上行链路中每个额外用户有自己的功率放大器。因此，在下行链路 中，即使下行链路的负荷很低时，作为用户函数的覆盖仍然随负荷的增加在减少。 由此我们可以知道：当负荷较低时，覆盖明显受限于上行链路，而容量受限 于下行链路。因此我们在进行网络规划时，对覆盖规划时集中于上行链路，采用 许多成熟的技术来提高上行链路的覆盖，如通过增加天线增益，减小基站射频部 分的基站噪声系数，减小天线和基站低噪声放大器间的电缆损耗( 使用塔顶放大 器m h a ) 等方式来实现。而对容量规划时主要针对下行链路，这可以通过使用 更多的载频，发射分集和基站扇区化等方式来实现。具体的实现方案说明可以参 加文献2 5 1 。 南京邮电学院= 零零一缓硕士研究生论文第1 7 页 l 丰截臻i 巨盖上特受艰 、：i 一 k 二二 + 懈h 懈 “嘲咖“j 添 一番量下行受嚷_ 、 i 图2 4 上行链路和下行链路中覆盖与容量关系 2 工3 ，篓：兰兰蚴悯始布局慨估计每个小区基站所需的总发 篓罴冀嚣辜焉恭茹算 篓景冀纛：黧篡篡篡茱蒌群茹芸荔磊磊 要指! 竺黧纂黧耄翥淼嚣鬻：盖嚣二柔茹磊菇 率：黧芝黧戮黧蓄淼。；黼菜荔夏j 2 氅黧辇篓。篙蠹篇篇翟器篆，募磊矗对 黧l 慧量，鬻嚣嚣黧茹。“ w c d m a 系统网络规划时基站的功率规划县相l r 对“。箩勺8 “。 p ( 2 1 7 ) f _ 1 ，j 上述表达式中，p ，为基站朋和移动台建立无线连接f 所需功率，其中，为小 区内的所有无线连接数，p 、r ，、矽和p 分别为热噪声功率、用户信息比特率 系统码片速率和基站的总发射功率，工州和工。分别为移动台f 与服务基站坍和另 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文 第1 8 页 第二章w c d m a 无线网络规划特点 一个基站胛之间的路径损耗，n 为移动台所需的e 。，o ，它包括了软切换( s h 0 ) 合并增益和快速功率控制引起的平均功率上升，为服务小区周围的小区数，口 为小区的正交系数。 解上述方程得到表达式： 胪等【( 1 _ 珈 。羔。每+ 晶 偿嘞 考虑到v 为移动台f 的物理层激活因子，并且对所有的服务小区无线链路加 权，就得到服务小区基站的总发射功率表达式： 射学卜卜。煮皇肛喜华k ， 聊 整理以上方程得到表达式： 。唾字k ， p = f 生二一 一妻 警卜卜。差。剀 ( 2 2 0 ) 由表达式( 2 2 0 ) 和( 2 1 2 ) 对比可以得到下行链路负荷因子吁d ，。的表达式，再将 其与表达式( 2 1 3 ) 对比就可得到移动台收到的其他小区与本小区基站功率的平均 比值厶。的表达式： ， 丘，。= 毒坚 ( 2 2 1 ) n = l m 厶n 上述表达式在假设基站的发射功率相同的条件下，则有下列表达式 血“专，d l ，。 ( 2 2 2 ) l = l 由表达式( 2 2 0 ) 我们可以看出：每个用户所需的最小基站发射功率由没有多 址干扰( 小区内或小区间) 时的基站发射机和移动台接收机间的衰减三。及移动 台接收机的灵敏度决定，然后将干扰引起的噪声恶化量( n o i s er i s e ) 影响叠加 到这个功率上，所得到的总和代表了处于小区内“平均位置”处的用户所需的发 射功率。其中噪声恶化量为： 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文 第1 9 页 第二章w c d m a 无线网络规划特点 工= 一l o l o g ( 1 一叩n l )( 2 2 3 ) 一个特殊的情形是当所有的无线链路具有相同的比特率和相同的服务质量 ( q o s ) 时，表达式( 2 1 6 ) 可以简化如下： p 。坐i l p ：五竺巴一 ( 2 _ 2 4 ) 1 1 一害，【( 1 一口) + 允】 ”一 其中，口“ 圭q“ 圭l ， 1 f = i 1 f = l 在w c d m a 网络规划初始布局阶段确定基站所需发射功率时，不可能根据 每个无线链路的参数来确定。为此可以根据小区内用户特性( 如使用的业务类型、 所处的无线移动环境、是否处于软切换状态等) ，将用户进行分组，然后将这些 分类的无线链路绍所需功率进行叠加，最后得到基站所需功率，即： p = 只，生型型p ) p ) “1 厂一。 l 一兰掣一，o 圳+ 删) 智 矿 、 7 只，坐坐坐；) ；) + + 毒孳瓦砑 鲁 、“ 其中，) ，f = 1 。为每个用户组中的无线链路数，。为用户组数。 带上标的参数是每个组内单个参数的统计平均值。由于基站功率是由公共信 道功率和专用业务信道功率组成，而公麸信道是没有动态功率控制的，所以对公 共信道的建模可以看作增加一部分常数功率到表达式( 2 2 5 ) 中去，或者把公共信 道功率看作是一个用户组。 基于以上讨论，我们可以得出基站发射功率与小区隔离度厶。的关系，从中 可以得出进行网络规划时，选取的基站功率和小区类型( 建模成不同的小区隔离 度) 的关系。在进行网络规划时，小区的类型和无线传播环境和小区基站天线的 选取等因素有关。 首先，对宏小区情况进行仿真，得出基站总的发射功率与小区类型的关系和 允许最大无线链路损耗的关系，分别如图2 5 ( a ) 和2 5 ( b ) 。 对于图2 5 ( a ) ，仿真参数的选取遵从网络规划时的典型参数。其中用户的话 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文第2 0 页 第二章w c d m a 无线网络规划特点 音速率为1 2 2 k i t ，s ；小区的隔离度厶。的选取和无线传播条件及小区网络规划有 关，仿真中取o 5 0 8 ；所需的毛0 为8 d b ，正交系数口为o 5 ，这两个参数从 链路级仿真中得出：用户物理层激活因子v 取o 6 7 ( 这里假设5 0 的话音激活加 上考虑d t x 期间公共信道的开销) ；噪声功率p 为1 0 0 d b ；最大允许无线链路 损耗为1 5 0 d b 。 图2 5 ( b ) 中，小区的隔离度厂d 。取为0 6 ，最大允许链路损耗1 4 0 1 5 5 d b 。其 他参数同图2 5 ( a ) 。 从这两个图可以清楚地得到基站所需功率取决于整个网络的干扰条件和小 区的半径，也可以看出如果基站的发射功率相同的话，它既可以考虑用于更大小 区的覆盖也可以用于更高的小区负荷。 罨柏 嚣 雷 蠢 雠 整 磐 蝴 3 5 - 3 0 - 二 ：隧 1 5 卜寸 m h 5嚣3 5 每小区话音用户擞 j j 一h = 05 ；l 卜h = 06 j | _ “h 2 07 i 一铲b 4 55 05 5 2 5 ( a ) 不同小区隔离度情况下宏小区基站功率和服务用户数之间关系 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文第2 1 页 第二章w c d m a 无线网络规划特点 f煮z _ 曩y ； 。，书一：， 。，女， 杉一 r 斗一， p r，。 ，。 ，：j _ ， ，_ ，7。 - ，f ， 一 7 产 ， 氅， l 、a x ：o 。l = 0 r 一、a x 2 1 ”1 旋雾 誓一 毋 掰梦 j f ；黑【 7 = 睇：引 每小区话音用户披 2 5 ( c ) 不同小区隔离度情况下微小区基站功率和服务用户数之间关系 南京邮电学院= 零零一级硕士研究生论文第2 2 页 ：f ； 卯 坫 帕 乌 弼 荔 加 e 日p v n碍嚣絮越槌龌督埔 第二章w c d m a 无线网络规划特点 ；害 2 矿 ， 彩 ；+ 。 参 矽7 麦 矿 - h = 0 1 + h = 0 2l z 。 一d l ：。3 1 * - ”o4 每小区数据业务吞吐量( k b 口s ) 2 5 ( d ) 不同小区隔离度情况下微小区基站功率和小区吞吐量之间关系 2 基站功率的分配 w c d m a 系统基站的功率一般是由业务信道( 如专用信道d c h ) 和公共信 道所共享( 如公共导频信道c p i c h ) 的，他们之间的功率分配是动态的，这使 得在进行网络规划时，最优地配置基站功率对于达到最大网络容量和所需覆盖非 常重要。另外，网络中的无线环境和移动用户位置的不确定性，使得为满足用户 的服务达到一定的q o s ，基站的一部分功率必须作为储备预留出来，这包括软切 换余量、快衰落余量、干扰储备等。 文献2 5 1 中给出了下行链路公共信道的典型功率值，值得注意的是s c h 和 c c p c h 信道是彼此时分复用的。 表2 3 下行链路公共信道的典型功率值 下行链路公共信道激活状态( ) 占最大基站功率的最大功率为2 0 w 时 百分比数( )的功率分配值 公共导频信道 1 0 01 02 c p i c h 主同步信道 1 061 ，2 p s 翻 辅同步信道 1 040 8 s s c h 主公共控制物理 9 051 信道( 嘞i ) 总的公共信道 1 53 功率 为了使整个网络的容量达到最优化，基站的导频信道功率和业务信道功率在 做网络规划时应取最优值，文献【2 7 】中用系统仿真方法说明了最优值的选取。 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文第2 3 页 第= 章w c d m a 无线网络规划特点 除了以上关于功率的分配外，在做网络规划时，小区下行链路功率的分配中 还要考虑一些储备，这主要基于以下几点考虑： 正交系数余量 前面提到w c d m a 下行链路为区分用户采用正交码字，这种正交码在多径 环境下将损失部分正交性，这种影响主要取决于多径环境和基站与移动台之间的 路径损耗。在进行网络规划时，通常把正交系数取为一个常数，实际上它是个 依赖于环境变化的变量，从表达式( 2 2 0 ) 中我们也可以看出它对基站发射功率的 影响。所以在进行网络规划时要给一个功率余量，以补偿这种变化对接收信号的 影响。 功控余量 w c d m a 系统功率控制的特点是上、下行链路采用了快速功率控制。在下 行链路基站发给移动台的功率只要满足移动台接收机在达到服务质量的条件下 能解调出有用信号的最小发射功率，以便使网络的干扰达到最小，从而最大化网 络容量。但时间上由于功率控制的误差或移动台的移动性，快速功率控制不可能 使移动台在小区的任何位置都收到相同的最小功率，这样接收功率总是在最佳值 附近偏移。另外功控环路中的时延和功控信令错误等因素都会影响功控的精确 度，所以在进行网络规划时要考虑一个功控余量。功控余量的确定一般根据无线 传播环境，从仿真中得到。 阴影和软切换余量 在网络规划的链路预算中一般要考虑由于阻挡引起的衰落余量，具体余量取 多少和规划中区域覆盖率多少有关，例如对于x 的区域覆盖概率，所需的干扰 余量应满足下列表达式： p r d 6 忸 8 巴8 一。一m 。一m ，) r ( 2 2 6 ) 其中，为移动台接收机灵敏度：为基站发射功率；工一为移动台和 基站问允许最大路径损耗；m 。为阴影引起的衰落余量；m 。为其他因素引起的 损耗，如穿透损耗、电缆损耗等。具体衰落余量的取值可参加文献【1 1 0 】。 由于软切换作用可以带来软切换增益，用于对抗慢衰落和快衰落的影响。所 以阴影引起的衰落余量和软切换结合起来对移动台和基站间允许的路径损耗产 南京邮电学院二零零一级硕士研究生论文第2 4 页 第二章w c d m a 无线网络规划特点 生影响，也就对影响了基站的发射功率。在对网络进行规划时，对基站的功率分 配可以考虑一个余量。 功率阻塞 在规划网络基站的功率时，要考虑到基站允许发射的最大功率，如果小区移 动台所需的功率超出基站允许