WCDMA无线网络规划与设计.ppt

第5章WCDMA无线网络规划与设计 本章内容 WCDMA无线网络规划的特点 WCDMA无线网络规划过程 WCDMA业务预测 WCDMA覆盖规划 WCDMA容量规划 WCDMA扰码规划 WCDMA无线网络规划软件 本章重点 WCDMA无线网络规划过程 WCDMA覆盖规划 WCDMA容量规划 WCDMA扰码规划 学习本章目的和要求 了解WCDMA无线网络规划的特点 掌握WCDMA无线网络规划过程 了解WCDMA业务预测的目的 原则和方法 掌握WCDMA覆盖规划 掌握WCDMA容量规划 掌握WCDMA扰码规划 了解WCDMA网络规划仿真技术 5 1WCDMA无线网络规划概述 从网络规划的观点来看 与第二代移动通信相比 第三代移动通信系统的主要特征是能够提供不同速率和不同QoS要求的业务 服务的用户数量大 特别是在城区和人口密集的区域 网络结构的灵活性允许在特定的环境下配置不同的结构 公共场所 高速公路 住宅区 商业区 基于分布式数据库结构的先进的移动性管理策略使用户数据所需的存储 更新和恢复等总的信令开销最小 显然 现在的规划方法不能处理这些特殊的特性 第三代系统的规划和优化策略需要考虑将来UMTS运营商由于引入新而灵活的无线接口 更复杂的小区结构 分层小区结构 动态资源分配策略 对多种业务要求进行灵活的资源分配 和提高容量方法的选择 如自适应天线 等所能获得的额外的自由程度 5 1 1WCDMA无线网络规划的特点WCDMA系统的频率复用系数为1 通过扰码以及正交码字来区分小区和用户 WCDMA系统是干扰受限系统 其覆盖不仅取决于最大发射功率 而且与系统负荷有关 WCDMA系统中 发射机发射功率和小区容量之间的对应关系是渐近式的 由于WCDMA系统的覆盖和容量之间存在动态平衡关系 因此 在无线网络规划阶段 两者的规划方式已经有很大的不同 在WCDMA系统中 功率资源是非常有限的 在WCDMA系统中 导频污染也是影响网络性能的一项重要因素 WCDMA网络规划与当前的移动通信网络规划相比 其复杂度要高得多 网络规划的过程也将有很大的不同 下面将详细介绍WCDMA无线网络的规划过程 覆盖分析 容量分析等内容 5 1 2WCDMA无线网络规划过程对于WCDMA网络 详细的规划本身就是一个优化的过程 它的规划不仅仅是覆盖区域估计 还包括干扰分析及容量分析 在无线网络规划过程中 需要优化基站参数 进行天线选择 调整天线方向 甚至站点位置都需要调整 以使用最少的费用满足服务质量 容量和业务需求 图5 1WCDMA网络规划过程 5 2业务预测 5 2 1业务预测概述在无线通信网络的规划与设计过程中 业务分析与预测是非常重要的方面之一 业务预测内容通常包括如下几个方面 1 用户数据预测用于指导网络容量规划 并作为经济收益预测的基础 2 业务的地理和时间上的分布预测可以用于指导网络规划过程中具体的网元配置 3 业务类型以及相应的比例预测可以用于指导业务引入和业务发展策略 准确地预测各类业务在规划区域内的分布与密度情况 对于建设一个良好的无线网络非常重要 尤其对可以提供多种业务的WCDMA无线网络而言 容量 覆盖 质量三者之间紧密联系 准确的业务预测将有助于网络规划设计人员在WCDMA无线网络的规划优化过程中既可获得最优的网络性能 又可以避免设备及资源的浪费 5 2 2业务预测的原则无线网络规划与设计中的业务预测是确定无线网络建设规模的重要依据 必须既要反映客观实际的需要 又需要考虑现实条件的可能性 同时还要考虑未来的业务发展 根据上述的因素 无线网络规划与设计中进行业务预测的原则以及依据主要包括如下几个方面 1 明确预测对象 确定需要预测的业务类型以及区域范围 2 相关统计数据的收集及准备 特别是与用户发展情况相关的数据需要全面准确地收集与整理 3 用户发展情况的分析 根据收集得到的数据分析现有用户的发展情况 4 运用科学的预测方法以及预测工具等 在实际的业务预测过程中 需要结合预测范围以及预测对象等因素选择合适的预测方法与工具 进行更为准确地业务预测 5 2 3业务预测的方法用于业务预测的方法有多种 常用的进行业务量预测的方法包括 普及率法 趋势外推法 瑞利分布多因素法 回归预测法等 1 普及率法使用无线通信业务的用户普及率预测法结合类比分析 可以找出类似城市发展的趋势来推及自身发展的趋势 普及率法是从社会需求的宏观角度来考虑用户的增长等情况 其基本思路为 需要规划的无线网络预测用户数 规划区域内人口总数 使用通信业务的用户普及率 该无线网络在所在规划区域的市场占有率 2 趋势外推法趋势外推法是研究事务发展渐进过程的一种统计预测方法 当预测对象依据时间变化呈现某种上升或下降的趋势 并且无明显的季节波动 又能找到一条合适的函数曲线反映这种变化趋势时 就可以依据时间为自变量 时序数值 该方法的特点是 假定用户容量的增长符合某种数学统计曲线 根据以前若干年网络用户数目的历史数据 采用数学曲线拟合的方式 预测今后一段时间内用户数目增长的情况 使用趋势外推法进行用户数目预测的步骤可以包括 1 首先采集用户数目增长的历史数据 根据数据整理出用户数目的历史增长曲线 2 然后选择合适的数学曲线进行拟合 3 最后根据拟合得到的数学曲线的发展趋势预测今后某个时刻点的用户数目 3 瑞利分布多因素法瑞利分布多因素法 瑞利分布多因素法是一种研究移动电话在潜在用户中渗透率的变化趋势的预测方法 瑞利分布多因素法可以通过研究产品在潜在用户中普及率的变化趋势 从而得到对用户数的预测结果 1 潜在用户群采用瑞利分布的原理 2 潜在用户群中渗透率变化趋势的量化采用趋势影响分析法 4 回归预测法回归预测法是根据两个或多个变量数据 如人均国内生产总值和使用无线业务的用户数等 所呈现的趋势分布关系 采用适当的计算方法 找到它们之间特定关系的经验公式 依据此经验公式 根据其中一个变量的变化 来预测推知另外一个变量的发展变化 5 3无线网络规划方案 5 3 1覆盖规划WCDMA无线网络覆盖规划的关键指标包括 阻塞概率与覆盖率 接收信号码功率 导频信号质量等 1 覆盖类型对覆盖类型进行细分的目的 是作为话务分析及基站布局的基础 为后续的覆盖规划 容量规划提供可行的依据 1 密集城区 CBD 密集市区 DenseUrban 密集建筑区 DenseBlockBuilding 2 普通城区 3 郊区 4 农村 5 公路 干道 6 山区 表5 1覆盖类型 2 无线链路预算在进行网络规划和设计时都需要进行链路预算 LinkBudget 链路预算为有效分配无线资源 合理进行网络规划提供了重要依据 并在网络优化中有着重要的意义 是有效分配系统资源的一种解析方法 1 无线链路的组成 图5 2WCDMA无线链路的基本组成 馈线损耗 发射机参数 Pout BS 基站业务信道的发射功率 Pout UE 移动台的最大发射功率限制 3GPP25 101规定了4个等级 表5 2移动台的发射功率等级 接收机参数 热噪声及噪声系数 接收机灵敏度 85dbm 100dbm之间 WCDMA 天线增益 路径损耗 阴影衰落 快衰落 建筑物穿透损耗 车辆穿透损耗和人体损耗 2 链路预算 图5 3链路预算 系统参数系统带宽B5MHz数据速率R处理增益G业务所需的Eb N0 表5 3Eb No解调门限 干扰裕量 10 10log10 1 为负载率 阴影衰落裕量 边缘覆盖率 区域覆盖率 图5 4概率分布 几个典型的衰减裕量 图5 5区域覆盖概率 快速功率控制裕量 软切换增益 3 链路预算的例子 上行链路预算 不考虑覆盖需求 环境时 最大路径损耗 dB 移动台最大发射功率 dBm 人体损耗 dB 移动台连接器损耗 dB 快衰落裕量 dB 基站馈线损耗 dB 基跳线接头及避雷器损耗 dB 基站天线增益 dBi 基站接收机灵敏度 dBm 考虑覆盖需求时 最大允许的路径 dB 最大路径损耗 阴影衰落裕量 切换增益 穿透损耗 接收机灵敏度计算方法 Smin Eb N0 req Nth F R dBm Eb N0 req 所需要的信噪比 单位 dBNth 热噪声密度 单位 dBm HzF 噪声系数 单位为dBR 信息速率 单位dBHz 表5 4密集市区链路预算 续表 续表 续表 续表 续表 表5 5一般市区链路预算 续表 续表 续表 续表 续表 表5 6郊区链路预算 续表 续表 续表 续表 4 小区范围及覆盖面积估算 表5 73GPPUTRAFDD无线频率划分 表5 8不同地区基站的最大覆盖距离 表5 9不同站点配置下的系数K 覆盖面积S Kr2 图5 6覆盖分析流程图 5 3 2容量规划1 话务量预测无线网络规划的第一步是对业务量进行预测 对第三代系统 由于它提供了许多新的业务 因此 业务量的预测变得更加困难 对于数据业务 需要估计每个用户每秒所需的平均速率 对于电路交换的用户 平均呼叫时间和业务类型 客户类型和资费有关 对于其他业务 定义平均呼叫时间非常困难 因为没有经验可借鉴 因此 应该以一个合理的精确度来预测业务量 2 WCDMA无线网络软容量与GSM系统提供的硬容量不同 WCDMA无线网络可以提供软容量 如果相邻小区系统用户较少时 在WCDMA系统中被认为是增加了软容量 软容量定义为在软拥塞的条件下厄朗容量的增加 当平均每个小区具有相同的最大信道数时 软阻塞与硬阻塞相比的厄朗容量增加量为软容量 厄朗容量 软拥塞 厄朗容量 硬拥塞 1 3 容量规划WCDMA系统是一套典型的自干扰受限系统 它的容量与系统负荷 噪声 干扰水平密切相关 影响WCDMA系统容量的主要因素包括基站端发射功率 邻区干扰水平 业务质量 终端性能 无线环境 用户类别 软切换比例 功率控制 公共信道与业务信道的功率配比等 无线容量规划将通过对系统安全负荷 噪声及干扰的分析 从业务承载角度来计算每个基站 每个载扇支持的业务量 并依据业务需求估算所需站点数或载扇数 容量规划的结果很大程度上受限于系统安全负荷和干扰水平 并与无线覆盖规划的结果矛盾同一 WCDMA的频率复用系数为1 该系统是干扰受限系统 所以容量规划的实质是对干扰量的估计 对于下行负荷的估计 一个重要方面是对于基站发信功率的估计 这里所说的功率为平均功率 而不是小区边沿峰值发射功率 对于每个用户所要求的最小功率 由基站到移动台平均衰耗及移动台灵敏度决定 条件是不存在多接入引起干扰 包括小区内和小区外 干扰引起的噪声提升使得移动台所需最少功率比原来有了提高 最后使得系统能接入的用户数得以减少 WCDMA容量规划的关键性能指标包括 并发用户数 数据吞吐量 系统负载因子 阻塞率与延时等 1 上行单业务环境下容量估算 2 上行负载因子 3 下行负载因子负载因子 小区当前负载相对于理论最大负载的比值 0 5的负载因子相当于50 的负荷程度 理论容量上限 厄朗 的推导 4 WCDMA无线网络规划中提高系统容量的方法在实际网络规划中 提高WCDMA系统上下行容量的方法如下 1 运营商启用新的频率 即采用新的频点 依靠增加第二 三载波来实现容量的增加 2 使用功分器 即一个扇区的功率可分配到更多的扇区中使用 通过减少每个用户的发射功率来实现站点容量的提高 3 采用发分集 4 可以采用扇区化 即增加某个基站的扇区数 在话务量很高的密集城区 城区 增加基站的扇区数是提高容量的一种方法 这是因为使用多个方向的天线而使天线增益提高的结果 增加扇区还有助于解决码资源限制的问题 5 另外 使用低比特率编码模式也可提高WCDMA系统的话音容量 图5 7容量 覆盖分析的迭代过程 5 3 3扰码规划WCDMA系统采用码分多址的无线接入方式 不需频率规划 但是由于WCDMA无线网络区分不同的用户和基站主要靠不同的扰码 所以需要进行扰码规划 通过WCDMA无线网络的扰码规划 可以确定两个使用相同扰码的小区的复用距离 区分各小区 1 扰码规划概述而在WCDMA系统中 它主要采用码分多址的接入方式 并且由于是异步系统 所以WCDMA网络频率规划不同于GSM网络的频率规划和IS 95CDMA网络的PN偏置规划 在WCDMA网络中 区分不同的用户和基站主要是靠不同的扰码 所以对WCDMA无线网络中对扰码的规划非常重要 长扰码 10ms 38400个码片 速率为3 84Mchip s 采用25阶Gold序列 用于Rake接收机的情况 短扰码 256个码片 用于多用户检测或干扰相消接收机的情况 这两种扰码族都具有几百万个可用扰码 不需要进行规划 移动台在建立链接时 由RNC负责分配 上行链路扰码 用于区分用户 采用长扰码 18阶Gold序列 不采用短扰码 共218 1 262143个码 为了缩短移动台搜索的时间 只采用其中的512个作为主扰码 分为64组 每组8个 每个小区仅分配一个主扰码 一般地 所谓的扰码规划就是指下行扰码的规划 下行链路扰码 用于区分不同的小区 2 扰码规划的原理WCDMA系统中的扰码规划类似于GSM系统中的频率规划 主要是为小区分配主扰码 每个小区分配一个主扰码 如果小区数量超过了512个 则重新分配一个主扰码给它 需要保证相同主扰码的小区距离足够远 为什么 扰码规划的主要思想是确定两个使用相同扰码的小区的最小无线传播距离 和GSM频率规划一样 这个距离成为复用距离 由于扰码是用于区分小区的 可用于移动台的初始接入网络 小区重选及切换等 所以扰码分配在系统规划中是非常重要的 3 扰码规划的方法 1 主扰码的作用3GPP有关WCDMA的规范规定了用户终端在小区搜索过程中 采用主扰码而不是小区识别码 CellID 识别不同的小区 因此 每个小区需要分配 并且只能分配1个主扰码 2 可用的主扰码资源WCDMA无线网络中使用的主扰码是Gold码族 512个主扰码之间具有最佳的自相关和互相关特性 问题 WCDMA中相邻小区能否使用相邻扰码 GSM中相邻小区能否使用相邻频率 3 主扰码的复用由于WCDMA无线网络中一个频率上的小区数目远大于主扰码的数量 因此 主扰码也存在复用问题 主扰码复用需要满足的原则是 在网络中的任意位置不会产生扰码冲突问题 即用户终端在网络中的任意位置 可以由搜索到的主扰码确定一个唯一的小区 而不会出现用户终端搜索到的主扰码在某一位置上有可能是来自两个不同小区的情况 扰码冲突会导致干扰剧增 容量下降 扰码规划时必须避免这一情况的发生 1 相邻小区不能使用相同的主扰码 2 仅当满足一定的条件时 同一频率上的两个小区才能复用同一个主扰码 A小区用扰码n B小区也能用扰码n的条件为 A小区内的任意位置 用户收到来自B小区的导频信道的载干比低于用户终端导频信道的接收门限 一般为 20dB B小区内也要满足同样的条件 3 若A 主服务区B 干扰区 则A B小区都能采用同一个主扰码n的条件为 用户在A小区内的任意位置接收到的导频信号与B小区的导频信号的比值大于一定的门限 最小取值一般为 24dB B小区内也要满足同样的条件 4 在软切换或更软切换时可能产生扰码冲突 小区A的主扰码为1 邻集列表为 2 3 4 5 分别为B C D E小区的主扰码 小区B的主扰码为2 邻集列表为 1 3 4 6 分别为A C M N小区的主扰码 即M D共用一个主扰码4 A向B软切换过程中 有效导频为 1 2 其维持的邻集列表为 3 4 5 6 其中3 5 6分别指小区C E和N 不过4却存在歧义 是M还是D小区 如果此时检测到主扰码4 试图向扰码号为4的小区切换时 无法确定 冲突 4 边界小区的主扰码协调在GSM系统中 由于频率数量少 复用次数多 相邻业务区边界基站的频率规划必须事先协调好 否则将导致边界基站的频率冲突问题 问题严重时 可能还需要对某个业务区重新进行频率规划 在窄带CDMA系统中 一般采用保留若干个PN码专用于边界基站的方法 由于可用的PN码数量相对富余 所以比较容易进行规划和协调 WCDMA的边界小区 WCDMA的主扰码数量多 有512个 数量富余 边界小区的主扰码规划和协调相对容易得多 可以保留若干个主扰码专用于边界小区 16个或32个 5 微蜂窝小区的主扰码规划在扰码规划上 微蜂窝小区并没有什么不同于宏蜂窝小区的特别要求 微蜂窝小区和宏蜂窝小区完全可以一同进行扰码规划 当然 如果有其他特殊情况需要考虑时 也可以保留若干个主扰码专用于微蜂窝小区 6 多载频下的主扰码规划WCDMA无线网络中的一个信道对应于某个频率上的一个扩频码和一个扰码 用户终端在搜索小区时 首先要锁定在某个频率上 在此基础上才有识别主扰码组和主扰码的过程 因此 不同频率上的WCDMA小区 在扰码问题上是互不相关的 或者说 如果某个小区启用了多载频 则不同载频之间的主扰码之间没有必然的关系 当然 这也意味着启用了多载频的小区 完全可以在不同频率上使用相同的主扰码 7 主扰码规划策略 随机分配 按地理位置顺序分配 按主扰码组分配 不同策略对小区搜索速度的影响 不同策略对小区搜索速度的影响 1 不同的主扰码分配策略可能会造成不同的小区搜索速度 例如 若采用顺序搜索 解调7号主扰码将比0号主扰码多花费7个时隙 但若采用随机分配 则时间是相同的 2 不同的策略可能影响的仅是小区搜索速度 只发生在用户终端初始化时 在空闲模式下 用户终端总是不停地更新新激活集 侯选集以及测量集的信息 所有的小区都在广播它的邻小区的主扰码 用户终端很容易识别邻小区的主扰码 不需要像初始化小区那样搜索 4 扰码规划小结由于主扰码采用的是自相关和互特性良好的Gold码族 并且资源丰富 与GSM中的频率规划以及窄带CDMA中的PN码规划相比 WCDMA系统中的主扰码规划更为灵活 更易实施 在主扰码出现复用的情况下 只需避免发生扰码冲突问题即可 频率 PN码 主扰码分别被用于GSM系统 窄带CDMA WCDMA系统中标识不同的小区 三者的规划都存在因资源有限而需要复用的问题 都要遵循避免发生干扰冲突的原则 这是频率规划 PN码规划以及主扰码规划之间的共同之处 频率 PN码 主扰码之间本质的区别决定了三者的规划各有各的特点 可用的资源不同 要解决的具体问题不同 采用的方法不同 将频率规划中的模式或者PN码规划的模式硬搬到主扰码规划中显然是不合适的 只有充分了解它们各自的技术特点 才能针对性地做好各自的规划 在完成无线网络规划后 下一步就是要设计一个网络将各种类型的基站与各个无线控制器RNC连接起来 具体包括 计算所需RNC数量 确定每个RNC安装的位置 设计连接每个RNC到它所控制的各基站的传输网络以及RNC之间的传输网络 以及实现软切换的策略 5 3 4无线接入网设计 RNC容量受哪些限制 对于GSM系统中的基站控制器 BSC 来说 其容量主要受所能支持的基站 小区和射频载波数量的限制 话务量的影响一般不大 对于WCDMA系统 RNC其容量一般受限于对综合业务的处理能力 包括 总业务量限制 Iub接口总容量和语音业务忙时呼叫次数 BHCA 总额 而基站 小区和射频载波数量对RNC容量的影响不大 1 接口容量的估算要进行RNC组网设计 首先要完成各接口容量的估算 先确定每个基站对于Iub接口的流量要求 据此决定RNC的使用数量 实际中需要加25 35 的富裕量 因为 1 需要综合考虑位置和路由区 以便配置方案具有一定的弹性 2 RNC区域内软切换与区域间的软切换相比 前者可以减少RNC对rub接口的流量需求以及RNC之间的请求 因此 一般将高业务量小区和低业务量小区分配在不同的RNC区域 以上的灵活方案都需要RNC数量具有一定的富裕量 Iub接口速度必须是某一档数据接口速率 例如 北美T1速率 1 5Mbit s 欧洲E1速率 2Mbit s 更高速率有DS 3 OC 3 例如 某RNC管理100个基站 每个基站数据速率为3Mbit s 则每基站需要2个E1 是不是说 RNC的总量两需要2 2M 100 400Mbit s 应该是300Mbit s 1 Iub接口容量估算 Iub接口容量冗余量不宜太大 留出9 12个月系统业务增长的冗余容量过大 不太合适 无线网络在建设成本中所占比重最大 过大的冗余量将大大增加初期资金开支 因此 一般系统的冗余量之需要能应付将来3 6个月的业务增长即可 1 Iub接口容量估算 Iub接口容量一般可用预期业务量加上一定的冗余容量 包括 业务突发 信令开销以及操作维护的开销 如果采用ATM 还包括ATM信源头开销 如果采用IP 则包括IP包头开销 Iub接口容量 业务突发 预期 1 Iub接口容量估算 Iub接口容量 业务突发 预期用户业务总速率 1 信令开销 操作维护开销率 1 ATM开销 1 分集因子 可见 Iub接口容量接近了用户业务数据速率的两倍 业务流量的上下行不对称性 下行大 上行小 计算的时候按照下行方向的速率确定Iub接口容量 1 Iub接口容量估算 2 其他接口 Iu接口 CS域 预期总业务所需要带宽 1 信令开销率 PS域 预期忙时RNC总业务所需带宽 1 ATM开销率 1 信令开销率 Iur接口 用于传输用户数据 信令 RRC信令 RNSAP信令 Q2630信令 速率一般取Iu接口容量的1 2 2 RNC数量的确定如前所述 一个RNC的容量取决于以下几个限制因素 1 总话务量 2 BHCA总次数 3 Iub接口容量 Mbit s 4 Iur接口容量 Mbit s 5 Iu接口容量 Mbit s 6 数据交换容量 Mbit s 7 RNC所控制的基站数目限额 8 RNC所控制的射频载波数目限额 大多数情况下 决定RNC容量的是Iub的接口容量 例 一个RNC可控制500个载波 需要的Iub接口容量为150Mbit s 200Mbit s 若一个小区只使用1个载波 则可控制500个小区 假定每个小区可以支持500kbit s到1Mbit s 问题 RNC能否支持500个载波 RNC实际可控制的载波数受Iub接口容量的限制 不会达到RNC能力的上限 RNC数目按以下三种方法计算并取最大值 1 根据归属于一个RNC的小区数目进行计算 numRNC numCELL cellRNC fillrate1 2 根据基站数计算RNC数目 numRNC numBTS btsRNC fillrate2 3 如果是载波数目受限 即根据载波数目计算 numRNC numCARRIER carrierRNC fillrate3 如果是Iub接口受限 即根据Iub的容量计算 numRNC voiceTP CsdataTP PSdataTP numSUB tpRNC fillrate4 3 UTRAN传输网络设计根据Iub接口容量确定其所支持的RNC数量后 将基站分配给不同的RNC控制 划定每个RNC的边界 根据小区的环境 估算RNC间切换的业务流量 然后确定是否需要建立Iur接口已经Iur接口的容量 在从用户手机到RNC再到Iur接口所组成的数据通信中 Iur接口可以看作是其中的一个部分 因此 前面对Iub接口容量的估算方法同样适用于Iur接口 在确定了NodeB到各RNC的配属关系以及各Iub Iur接口的容量之后 就可以设计一个传输网络 将各RNC 各NodeB 各SGSN节点和各移动业务交换中心 MSC 连接起来 5 4WCDMA无线网络规划软件 在无线网络规划阶段 需要考虑包括无线传播环境 基站分布 话务分布 系统容量 所提供业务和服务质量等在内的很多因素 这是一个相当复杂的系统 因为这些因素不论在空间还是时间上都是不断变化而且相互作用的 为此人们借助计算机 通过建立某种模型来模仿实际的网络环境 计算上述各因素相互作用的规律和结果 辅助进行网络的规划 因此 网络规划工具是伴随着无线通信网络的发展不断发展的 5 4 1网络规划软件概述目前国内外有很多公司开发了适合于WCDMA无线网络规划以及优化的软件 这些WCDMA无线网络规划优化软件适