第三代3G移动通信中的网络规划.ppt

第三代 3G 移动通信中的网络规划 内容提要3G的基本要求与主要实现体制简介3G网络规划的基本要求与实现方法以兼容为主的WCDMA网络规划以革新为主的多层次 重迭式立体网络规划 一 的基本要求与主要实现体制简介 1 1 的基本要求 年欧洲首先提出 FuturepubliclandMobileTelecommunications 1996正式更名为 的目标包括 全球同一频段 统一标准 无缝隙覆盖 全球漫游 提供多媒体业务 车载环境 kb s 步行环境 kb s 室内环境 Mb s高服务质量 达到接近于固有网有线通信服务质量 高频谱利用率 达到二代 容量的三倍以上 易于从二代 过渡与演变高保密性能与安全性能 最突出的 比 严格多 使用频段 上行 下行 1 23G的主要实现体制 组于 年 月通过的 五类无线接口规范如下 含 与 即 含 与 含 含 提出的 无线接口参数要求如下 二 网络规划的基本要求与实现方法 1 对网络规划的基本要求 与网络规划有关的主要因素 一个移动通信体制的性能主要取决于三个层次特性 物理层 主要与传输技术中的物理实现有关 比如 信源与信道编码 调制技术与扩频技术等 网络层 主要取决于网络平台的性质 比如是电路交换 分组交换 以及 混合平台 网络规划层 主要取决于网络的拓扑结构 网络规划与上述三层特性中主要取决于网络平台的性质 特别是与网络拓扑结构密切相关 从网络平台看 的 平台 5 的 和 两个平台 全 平台 从网络拓扑结构看 单一业务 单一层次 蜂窝网 多种业务 单一层次 蜂窝网 多种业务 多层次 重迭式 立体蜂窝网决定网络规划另一个主要因素是 中的多种业务的动态需求 从 中的多种业务的动态需求看网络规划 中的不同业务有不同的 要求 话音 要求实时性 且误码率为 e 次方 数据 大部份不要求实时性 且误码率为 e 网络规划中决定小区边界 大小 主要因素 中 主要是以单一速率单一话音业务为依据进行网络规划 即小区边界是按 考虑的 中 则取决于多种业务 不同的 要求为依据 比如话音是按 考虑 数据则按 考虑 2 2 中网络规划的基本思路 第一类方案 改良性方案以兼容为主 主要考虑后向兼容 与 5 的网络平台与网络规划的拓扑结构 在基本不改变原有小区规划拓扑结构的基础上 采取一些补救措施 以保证对不同业务的 要求 第一类方案具体实现示意图 单小区为例 数据 话音 a b c d 图 中网络规划的改良性方案示意图 依据传统话音业务 小区应以 od为半径小区业务覆盖圆 依据数据业务 在相等功率条件下 小区应以 oa为半径小区业务覆盖圆 为了弥补两者在覆盖区上的差异 措施如下 在物理层 采用性能更优的调制与信道编码 可将覆盖区扩大至以的 b为半径的覆盖圆 在网络层上 首先采用 非实时性 适当将覆盖区扩大至以 oc为半径的覆盖圆 为了满足一定数据传输效率不宜重发次数太多 然后采用功控技术 数据需加大功率 将数据服务区最终扩大至R od话音覆盖区 2 第二类方案 以革新为主体 上述改良性方案是一种折衷性的过度方案 革新方案实质是仍在原有话音网络规划的基础上 对整个网络拓扑结构做较大的变动 为了适应多种业务 多种环境下Q0S的需求 将单层次网络拓扑结构改造或进行多层次 重迭式立体网络规划 下面分别介绍 中的两类网络规划方案以 例重点介绍第一类改良 兼容性方案 简要介绍第二类 以革新为主的多层次 重迭式立体网络规划的基本思路 三 以兼容性为主的 网络规划 引言根据覆盖进行的小区规划根据话务量进行的小区规划两类规划的综合平衡 3 1引言 与 的主要差异 在于 业务是多媒体业务小区规划的原则 在特定的环境条件下 指下列不同环境的某种组合 城市 郊区 室内 步行与车载 特定的业务类型下 电路交换 型 话音 kb s144kb s384kb s分组交换 型 kb s144kb s384kb s 在上述两种条件下 分别从覆盖与话务量进行规划 从覆盖角度出发计算最小基站数 从话务量角度出发计算最小基站数 最后综合两类计算结果 并取两者之中最大者作为最终结果 2根据覆盖进行小区规划 由路径损耗确定小区覆盖范围 再由要求的总覆盖区域求得总基站数 这是根据覆盖进行小区规划的基本思路 基本参数与公式 最大路径损耗Lp Lp Pe Lpro Rsen Lr 1 其中 Pe为有效辐射功率 Lpro为传播损耗 Rsen为接收机灵敏度 即最小接收信号电平 Lr L1 Gr L1为馈线损耗 Gr接收为天线增益 有效辐射功率Pe上行链路 移动终端发射功率 如表 所示表 上行链路移动终端发射功率由表可知 发送数据的功率约比话音大一倍 下行链路 由于业务不同 发射功率也大不相同 小区负荷越大 在保证相同覆盖的条件下 发射功率也就越大 假设小区负荷为理论上最大值即容量值 则每个业务信道的平均发射功率为总发射功率除以容量值的商 若基站发射总功率为 控制信道占 为 2 话音业务信道占 为 0 8 w 其中每个话音业务信道的平均发射功率为 w 容量值 如表 所示 表 基站每信道的平均发射功率 基站发射信号经天线馈线后将产生一定的损耗 如表 所示 每业务信道的有效辐射功率为 e Pv L1 Gr 其中 Pv为平均发射功率 L1为馈线损耗 Gr为发射天线增益 传播损耗Lpro在计算无线路径损耗时 必须要考虑一些修正与余量 具体见表 对数正态衰落余量 它提供单一小区边界覆盖的具体计算 干扰余量 接收机灵敏度是指在无干扰信号下 能正确接收的最低信号强度 然而在同一小区内的用户接收系统会产生互相干扰 它相当于增加了系统的背景噪声 干扰余量 10lg 1 扇区负荷 10lg 1 0 5 3 0dB 3 表 传播损耗 系统设计时应考虑的传播损耗Lpro为Lpro 对数正态衰落余量 干扰余量 人体损耗 穿透损耗 切换增益 人体损耗 用户身体对无线电传播的影响 它与用户终端天线位置有关 若天线在用户肩部 则人体损耗约为 dB 切换增益 切换时维持边界特定可靠性带来的增益 一般当小区优化时约 dB 穿透损耗 在基础小区规划中 其值除采用表 中的数据外 还应根据建筑物具体大小和位置做调整 接收机损耗Lr接收天线输出与接收机输入之间的综合损耗 如表 所示 接收机损耗可用下列公式表示 r L1 Gr 5 其中 L1为馈线损耗 Gr为接收机天线增益 接收机灵敏度 sen Rsen 热噪声级别 数据速率 噪声系数 要求的Eb N0 I0 6 Rsen表示输入正好满足所要求的Eb N0 I0时信号电平 Eb N0 I0为每比特信号能量与总的噪声 干扰功率密度之比 热噪声级别为在接收处每 的噪声功率 它等于波尔兹曼常数 与温度 的乖积 数据速率是以dB Hz为单位的信道比特率 它越高接收机灵敏度也越高 噪声系数是以接接收机输入为基准的噪声指标 比如上行链路若采用了塔顶功放 则噪声系数可降低至 dB 如果运用话音激活 则计算Rsen时还应加入一个激活因素 这时假设为连续接收 灵敏度相关参数的取值可参见表 表 估算结果参见表 表 接收机灵敏度Rsen的相关参数取值 表 要求的Eb N0 I0 表 接收机灵敏度Rsen 无线覆盖估算 路径损耗与小区覆盖半径的计算 在宏小区中 经常引用 Okumura Hata 模型 作为覆盖估算的依据 具体计算公式为 Lp 69 55 26 16lgf 13 82lgHb a Hm 44 9 6 55lgHb lgR B F 7 其中 Lp为最大允许路径损耗 dB 为基站有效天线高度 m 为移动台天线高度 m 为频率 MHz 为距离 km 为城市地形 m的矫正因子 B F 为地物干扰矫正因子 B F 0 城市 lgF 28 2 5 4 近郊 78 lgF 2 18 33lgF 40 94 远郊 假设 Hb 30M Hm 1 5 a Hm 0 则 可简化为 Lp 139 65 37 2lgR B F Hb 15m 135 49 35 22lgR B F Hb 30m 8 矫正因子 B F 0 城市 12 27 郊区 32 52 农村 Lp B F 139 65 37 20 Hb 15m 9 Lp B F 135 49 35 22 Hb 30m 覆盖面积的计算 以384kb s分组交换上行链路例 设小区负荷为 城市室内环境 每信道辐射功率 设平均发身功率为24dBm 馈线损耗为0dB 发射天线增益为 dB 则由公式 可求得每信道有效辐射功率为 dBm 传播损耗 设对数正态衰落余量为5 4dB 穿透损耗为15dB 则由公式 可求得传播损耗为 4dB 即 4 4 接收机损耗 设接收机馈线损耗为 dB 接收机天线增闪为17dBi 则根据公式 5 可求得接收机损耗为 17dBi 接收机灵敏度 设热噪声级别为 174dBm 数据速率为53 9dB 噪声系数为3dB 要求Eb N0 I0 0 2dB 则由公式 可求得 Rsen 116 9dB最大路径损耗 p Pe Lpro Lr Rsen 24 18 4 17 116 9 139 5dB最大辐射半径 城市环境 R 10Lp B F 135 49 35 22 1 3km Hb 30m 小区覆盖面积 A 3 3 R 2 2 开根号 2 3 29km2表 表 分别给出城市热点地区 城区 郊区农村四种环境下的具体计算结果 表 表 请分别参见第三代移动通信中的网络规划 表格 pdf 欲覆盖地区的基站数 计算覆盖区所需基站数目时 将该地区各业务中最小的小区覆盖面积作为该地式的小区覆盖面积 为简化 暂讨论无城市与近郊区两种环境 设某城市市区欲覆盖100km2 近 逆区欲覆盖900km2则欲覆盖地区基站数目 总覆盖面积 小区覆盖面积本例中各业务中最小的小区覆盖面积选作384kb s分组交换业务 城市室内 步行 环境下 上行链路的小区覆盖面积 具体计算结果如表 所示 注 基站数取大的值 表 根据覆盖得到的最少所需要基站数目 3 3根据话务量进行小区规划 业务是竟单一话音拓广到多媒体业务 它主要包括电路交换 CS 话音 数据业务与分组交换 ps 的数据业务 不同业务的用户以及不同时段话务量与数据量是不相同的 为了统一考虑 可以将各种业务数据速率的总和 即总数据速率作为话务量的衡量标准 基站处理多种业务的能力可通过频谱效率 即单扇区在 MHz频谱上所能提供数据速率的大小来体现 在 G中各种业务频谱郊率是不一样的 根据各业务的数据量在总数据量中所占的比重及各业务的频谱效率可以进一步计算出平均频谱效率 再由基站配置情况求得该基站的频谱效率 即模拟频谱效率 最后用总数据速率除以基站模拟频谱效率 即可求得所需的基站数目 业务模型 在建网初期 必须根据估算建立一个业务模型 暂仅讨论声调和郊区两类环境 比如设某城市市区欲覆盖100km2 郊区欲覆盖900km2 且 用户分布在城市 用户分布在郊区 用户总数为 万 总数据速率 业务类型话音 12 2kb sAMR混合编码话音业务 电路交换 cs 数据 含64kb s与144kb s业务 分组交换 ps 数据 含64kb s 144kb s与384kb s业务 计算总数据速率时要考虑的因素 各业务用户的数目 用户数目大的业务占的比重大各业务使用的频度 用户忙时呼叫次数BHCA和持续使用时间来衡量 用于承载信令的数据速率 假设占总速率 分组交换时 因数据包丢失而重发所需的系率开销 假设占总速率的 总数据速率St为St Ns Nb t Ss 1 S1 100 RS 100 3600 9 其中 Ns为用户数 Nb为忙时呼叫次数BHCAt持续时间 Ss为业务数据速率 S1为承载信令的数据速率 RS为重发所需的系统开销 总数据速率 当总用户数为 万时 计算结果用表 13表示表 13参见 第三代移动通信中的网络规划 表格 pdf 平均功率谱效率 这一部分计算参照日本ARIB在IMT2000上的建议 采用了Turbo码对WCDMAFDD在步行和车载环境下进行的测试 码片速率为4 096MHz 得到表 所示每扇区每MHz支持的数据速率 表 参见 第三代移动通信中的网络规划 表格 pdf 设在该小区环境下有 种业务 要据据各务数据量在总数据量中所占比例以及各业务的频谱效率 可以得到该小区环境的平均频谱效率 f f f S1 St f S2 St fN SN St 10 其中 fi为业务i 1 2 3 N频谱效率 Si为业务i 1 2 3 N数据速率 St为总数据速率 以 万用户为例 查表 表 求得该例 种业务数据速率及频谱效率如表 所示 参见第三代移动通信中的网络规划 表格 pdf 则有St 169 428kb s f 1151 05kb s MHZ 模拟频谱效率 设有一个 载频 扇区的基站 其小区负载为满负荷时的 处于城市环境 在WCDMA中使用的宽带为5MHz 码片速率为 8 Mbps 它有别于日本的ARIB测试的码片速率4 096Mbps 因此需要进一频换算 此外扇区间重叠部分的用户只能属于一个扇区 即重叠部分频率资源只利用了一半 因此在计算多扇区频谱效率时 必须考虑扇区因子 扇区因子为 扇区重叠部分面积占总总积的百分比取 7 该基站模拟频谱效率 M为 M f B Le Sc Sc0 Nc Vc 5932 kb s 11 其中 B为WCDMA使用的带宽 5M Lc为小区负载 Sc为目前采用的码片速率 3 84M Sc0为原来老式的码片速率 0 Nc为扇区数目 Vc为扇区因子 7 该环境下所需的最小基站数目 min min St M 169428 5932 29 个 依次计算其它环境及配置下所需最小基站数目见表 参见第三代移动通信中的网络规划 表格 pdf 4两类规划的综合平衡 设所有基站均为 载波 扇区配置 将根据两类方案的话务量和覆盖分别计算得出的结果相比较 并取其中大值作为最终计算结果 如表 所示 实际上 要根据具体情况做调整 话务量较大地区可采用大配置基站 话务量小的地区可采用小配置基站 本计算方法在建网初期有一定指导意义 实际应用时还可以借用一些网络规划工具做一些调整 表 综合计算结果 四 以革新为主的多层次 重迭式立体网络规划 1引言以改良型为主体的上述网络规划存在缺点如下 这类方法不改变网络的拓扑结构 仅从物理层和网络层采用一些相应补救措施 比如ARQ技术与功率控制技术 若主要依靠ARQ技术 为了保证原有网络拓扑结构和不同业务的Q0S 对数据业务就有可能增大重传次数 这将大为降低数据业务的传输效率 若主要依靠功率控制技术 虽然可以提高数据业务的传输效率 但是要对不同速率数据业务 含话音 分配不同的功率 才能保持在原有网络拓扑结构中不同速率不同性质业务的Q0S要求 但是它也会带来下列新问题 这类不同速率不同类型业务的不等功率功控方案 将大大增加了功控实现时的难度 增大了数据业务对话音业务由于功率上差异所带来的干扰 以上分析表明 改良型方案是一类过渡型非理想方案 只有进一步改网络拓扑结构才能进一步适应需求 中最大特色之一是增加了业务需求的动态随机性 是针对多速率 多业务和多媒体业务 且对每个用户何时使用何种类型业务是动态的 是随机的 在 中要满足在不同的通信环境下 高速车载 低速步行准静止的室内 以及不同媒体的不同速率业务 话音 数据和图像的不同Q0S要求 在 中 只有逐步从简单 单层次蜂窝小区逐步演进到多层次 重迭式立体网络规划才能适应需求 2多层次 重迭式立体网络结构 多层次 重迭式立体网络结构示意图如下 在这一多层次 重迭式立体网络中包含有 宏小区 一般指郊区与农村地区 适合于高速移动性的车载环境下通信 适合于低速率话音与低速率数据业务 其基站功率较大 以满足较大范围覆盖 一般小区 指近郊区与市区 适合于低速移动车载和步行环境下通信 适合于低速率话间与较低速率数据业务 其基站功率比宏小区稍小些 以满足较大范围覆盖 微小区 指繁华市区 适合于步行和慢速车载环境下通信 既适合于低速话音与数据 也适合于中速率数据业务 其基站功率比前两类小一些 以满足小范围覆盖 微微小区 指室内小区 适合于准静态室内环境下通信 既适合于低速话音与数据 更适合于较高速率的数据业务 其基站功率最小 仅需满足指定范围的室内覆盖 3多层次 重迭式立体网络功能 两类不同类型的多层次小区 第一类是工作于同一频段多层次小区 不同层次间干扰采用导频相位规划实现空