WCDMA无线网络规划及优化.doc
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1、WCDMA无线网络规划及优化第一章 WCDMA原理第一节 WCDMA的技术特点WCDMA由欧洲标准化组织3GPP所制定,受全球标准化组织、设备制造商、器件供应商、运营商的广泛支持,将成为未来3G的主流体制。核心网基于GSM/GPRS网络的演进,保持与GSM/GPRS网络的兼容性。核心网络可以基于TDM、ATM和IP技术,并向全IP的网络结构演进。核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分,分别完成电路型业务和分组型业务。UTRAN基于ATM技术,统一处理语音和分组业务,并向IP方向发展。MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制移动性管理机制的核心。空中接口采用WCDMA:信号带宽5MHz,码片
2、速率3.84Mcps,AMR语音编码,支持同步/异步基站运营模式,上下行闭环加外环功率控制方式,开环(STTD、TSTD)和闭环(FBTD)发射分集方式,导频辅助的相干解调方式,卷积码和Turbo码的编码方式,上行和下行采用QPSK调制方式。第二节 3G频谱情况国际电联对第三代移动通信系统IMT-2000划分了230MHz频率,即上行18852025MHz、下行21102200MHz,共230MHz。其中,19802010 MHz(地对空)和21702200MHz(空对地)用于移动卫星业务。上下行频带不对称,主要考虑可使用双频FDD方式和单频TDD方式。此规划在WRC92上得到通过,在2000
3、年的WRC2000大会上,在WRC-92基础上又批准了新的附加频段: 806-960 MHz 、1710-1885 MHz 、2500-2690 MHz。如下图所示:WRC-2000的频谱分配欧盟对第三代移动通信的问题亦十分重视,欧洲电信标准化协会早在十多年前就开始了第三代移动通信标准化的研究工作,成立了一个由运营商、设备制造商和电信管制机构的代表组成的“通用移动通信系统(即UMTS)论坛”,1995年正式向ITU提交了频谱划分的建议方案。欧洲情况为陆地通信为19001980MHz、20102025MHz和21102170MHz,共计155MHz。北美情况比较复杂。在3G低频段的1850199
4、0MHz处,实际已经划给PCS使用,且已划成215MHz和25MHz的多个频段。PCS业务已经占用的IMT-2000的频谱,虽然经过调整,但调整后IMT-2000的上行与PCS的下行频段仍需共用。这种安排不大符合一般基站发高收低的配置。日本1893.51919.6MHz已用于PHS频段,还可以提供260MHz15MHz135MHz的3G频段(19201980MHz,21102170MHz,20102025MHz)。 目前,日本正在致力于清除与第三代移动通信频率有冲突的问题。韩国和ITU建议一样,共计170MHz。WCDMA FDD模式使用频谱为(3GPP并不排斥使用其他频段):上行:19201
5、980MHz,下行:21102170MHz。每个载频的频率为5M范围,双工间隔:190MHz。而美洲地区:上行:18501910MHz,下行:19301990MHz。双工间隔:80MHzWCDMA TDD(包括High bit rate和Low bit rate)模式使用频谱为(3GPP并不排斥使用其他频段):(1) 上下行19001920MHz和20102025MHz(2) 美洲地区:上下行18501910MHz和19301990MHz(3) 美洲地区:上下行19101930MHz特殊情况下(如两国边界地区)可能会出现TDD和FDD在同一个频带内共存的情况,3GPP TSG RAN WG4正
6、在进行这方面的研究。在我国,根据目前的无线电频率划分,17002300Mhz频段有移动业务、固定业务和空间业务,该频段内有大量的微波通信系统和一定数量的无线电定位设备正在使用。1996年12月,国家无委为了发展蜂窝移动通信和无线接入的需要,对2GHz的部分地面无线电业务频率进行重新规划和调整。但还与第三代移动有冲突,即公众蜂窝移动通信1.9MHz的频段和无线接入的频段均占用了IMT2000的频段中的一部分。因此,第三代移动通信必须与现有的各种无线通信系统共享有限的频率资源。为了促使运营、科研、生产等部门积极发展第三代移动通信系统,满足我国移动通信发展的近期频谱需求和长远频谱需求,必须随着技术、
7、业务的发展,做好IMT-2000频段的规划调整工作。我国的IMT-2000频谱使用情况如下图所示。我国IMT-2000频谱占用情况IMT-2000在我国的频段分配如下:(一)主要工作频段: 频分双工(FDD)方式:19201980MHz21102170MHz;时分双工(TDD)方式:18801920MHz、20102025MHz。 (二)补充工作频率: 频分双工(FDD)方式:17551785MHz18501880MHz; 时分双工(TDD)方式:23002400MHz,与无线电定位业务共用,均为主要业务,共用标准另行制定。 (三)卫星移动通信系统工作频段:19802010MHz2170220
8、0MHz。 第二章 WCDMA无线网络规划第一节 网络规划流程与第二代移动通信相比,第三代系统网络,引入大量各种比特大量业务,预测不同业务的模型是困难的。对于无线网络规划,包括在各种情况下,计算链路预算、容量和小区基站数目,同时要对基站覆盖进行预测,参数进行规划。除此之外,还需要整个网络进行策划,计算基站中信道单元的数目、传输线路容量、基站控制器、交换机等其他单元的数目。在规划中,需引入性能测量,如掉话率和闭塞等指标,衡量网络性能。在小区中均匀覆盖区域提供高比特业务,在小区边缘提供低比特业务。覆盖区域设计成连续覆盖,也可以是热点地区覆盖。不同业务,不同实施策略,需要进行仔细估计。无线网络规划可
9、以分成几个阶段,l 准备阶段:(1) 确定覆盖目标(2) 确定容量目标(3) 确定覆盖策略l 估算预测阶段(1) 小区业务量估计(2) 小区容量估计(3) 覆盖范围预测(4) 容量与链路计算l 规划调整阶段(5) 无线覆盖优化调整(6) 控制信道功率规划(7) 导频规划(8) 软切换参数规划(9) PN偏移切换经过一些列工作,得到无线网络环境特性、确定控制信道分配、规划切换参数后,可以进行详细覆盖分析。小区内干扰与总干扰之比,对于某小区而言是唯一的。在规划的过程中,不断对网络进行分析,并对干扰比例因子进行评估,在用这些因子来预测不同小区的覆盖。重复进行这迭代过程,直至达到收敛。用规划工具来使过
10、程自动化,同时可以检测覆盖中的缝隙。通常情况下,3G网络业务是不均匀的,带来的问题是使性能下降。一方面,业务密集区域干扰增加,使质量变差。另一方面,质量可能过剩,造成浪费。系统效率可以通过自适应控制小区半径、天线方向和上行链路接收功率门限得到改善。小区半径通过调节导频功率来控制。考察到SIR高于所需的值,小区半径可以扩大,反之,小区半径就减少。分别改变(增加或减少)上行链路所需接收功率门限可以平衡上下行链路的小区半径。在分扇区的配置中,改变各扇区的中心角,可以均衡该基站的通信质量。第二节 WCDMA无线网络规划天线选型3G系统(包括WCDMA和CDMA2000)作为新一代移动通信系统,多址方式
11、发生变化,变TDMA/FDMA为CDMA/FDMA方式,但就无线信号而言,仍然面临有效利用频率资源,减少网络干扰,最大效率完成电波信号的转化。基站天线是用户终端与基站控制设备间通信系统的桥梁,广泛应用于蜂窝移动通信系统中。通信技术的发展必将带动天线概念的发展。在七十年代的移动通信系统中,由于用户少,较少的载频和少量的基站即可覆盖一个城市的移动通信需求,采用了全向天线或角形反射器天线。随着经济发展,移动终端需求量的急剧增加,旧的基站已不能满足需求,尤其数字蜂窝技术的发展,基站配置需要新型天线,以改善市区的多路径衰落、区域分配和多信道网络组织。平板式天线由于其剖面低、结构轻巧、便于安装、电性能优越
12、等优点被广泛应用于2G 数字蜂窝系统。在80年代中期至90年代中后期,大多采用单极化(VP)天线,而一个扇区需用3副天线,一个小区通常划分为三个扇区,因此一个小区要用9副天线,天线数目太多给基站建设、安装带来困难,安装费用居高不下,有的站点根本无法安装分集接收天线,即使安装了也无法得到最佳分集接收增益。因此,双极化天线技术应运而生。3G阶段,随着无线技术的改变,信号检测方式的改变,蜂窝网络必须调整和优化,需要更新型的基站天线满足这一要求,如自适应控制天线、智能化天线。3G典型天线的选择需考虑几个方面,基站天线的选择应依据以下原则:(1) 根据基站扇区数量、话务密度、覆盖要求合理选择定向天线的半
13、功率角及增益。(2) 为节省天线位置,宜采用双工器。(3) 在城市密集区,宜采用双极化天线。天线指向调整和2G工程应用相同,在实际工程中,可以根据话务分布情况和通信质量要求对定向天线的主瓣方向、下倾角进行适当的调整。天线隔离度在工程中需注意,天线的安装要满足水平与垂直隔离度的要求,以避免干扰。天线挂高取决于覆盖要求,施工时应根据覆盖、干扰、隔离度及远期发展发求合理设置天线挂高。3G网络用的天线与2G 类似,天线基本要求如下:定向天线增益:13-16dBd全向天线增益:9-10dBd定向天线半功率角:60-65度,或者90度全向天线不圆度:+/-1dB驻波比:500W天线分集方式,或者采用空间分
14、集,或者极化分集接收为标准配置。第三节 WCDMA无线网络容量与覆盖规划1、概述在WCDMA系统中,网络的覆盖和容量的预规划是网络规划的重要部分,本文用小区半径表示覆盖,用吞吐率来表示小区的容量;通过计算小区半径和吞吐率的介绍了与覆盖和容量相关的几个基本概念,将覆盖半径和吞吐率的关系通过干扰余量联系起来,从而通过在上行和下行的的覆盖半径和吞吐率的关系图来说明容量和覆盖的关系。2、几个基本概念2、1 与覆盖相关的几个概念在网络规划中,覆盖主要是通过链路预算和系统仿真来得到。链路预算主要是通过在各种场景中分析满足覆盖条件下的路径损耗,得到小区的覆盖半径。2、1、1影响链路预算的因素在考虑链路预算的
15、过程中,影响无线链路的因素有很多,我们从发射端、接收端和空间损耗等三部分考虑。1)发射端要考虑的因素有:发射功率、线缆损耗、人体损耗、天线增益;2)接收端要考虑的因素有:接收机灵敏度、接收天线的增益、线缆损耗、人体损耗、干扰余量、解调所需的Eb/No、软切换增益和快衰落余量;3)空间损耗要考虑的因素有:穿透损耗和阴影衰落余量。在以下的部分中,主要介绍一下阴影衰落余量和干扰余量。2、1、2 阴影衰落余量在无线电波传播的过程中,存在快衰落和慢衰落;快衰落是由于多径现象引起的电磁波的幅度和相位随着终端的运动产生很大的起伏变化,通常也称为多径衰落;快衰落的电场强度概率密度函数是服从瑞利分布的;故多径衰
16、落也称瑞利衰落。终端接收的信号除瞬时值出现快速瑞利衰落外,其场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化,这种变化称为慢衰落; 慢衰落是由阴影效应引起的,所以也称作阴影衰落;阴影衰落主要与障碍物的状况、工作频率、车速等有关;阴影衰落服从对数正态分布。阴影衰落余量与覆盖概率密切相关的。阴影衰落余量是满足覆盖概率要求的保证。在没有阴影衰落余量时,边缘覆盖概率为50。在移动通信系统中,一般要求的区域覆盖概率为90,所以需要一定的阴影衰落余量。阴影衰落是无线电波在空间传播的一种损耗,所以在无线通信系统中对上行和下行具有相同的值。2、1、3 干扰余量由于WCDMA系统是一个自干扰系统,也就是说,用户的数量不一
17、样的话,WCDMA系统的干扰是不一样的,随着用户的增加,系统的干扰是上升的。在TDMA和FDMA系统中的干扰主要是来自于外界的干扰和频率的复用方式,如果外界的干扰和频率的复用方式确定后,系统的干扰就确定了。WCDMA系统在这一点上与传统的TDMA和FDMA系统是不一样的。WCDMA系统的干扰随着用户的增加,系统的干扰是上升,这样系统的发射功率(上行和下行)要增加以保证接收机能接收到发射机所发射的信号和接收的信号能达到解码所需要的Eb/No。在进行WCDMA系统设计的过程中,在设备一定的情况下,如果设计的容量越大,干扰余量也需要越大;容量增加的情况下,由于基站的最大发射总功率是不变的(一般为20
18、W),这样覆盖就越小。2、2 与容量相关的几个概念根据WCDMA技术与系统设计可以得到单小区的容量计算公式为:1)上行容量:公式(1) 2)下行容量 公式(2)其中:为负载因子为邻区干扰因子为码片速率一个用户的业务的数据速率一个用户在的一种业务的Eb/No用户的激活因子是正交化因子在下面对负载因子、邻区干扰因子、用户激活因子和正交化因子的进行一下解释。l 负载因子:负载因子是衡量在一个WCDMA系统上的负载的指标。在一个网络中,对于一个处于连接状态的用户来说,负载因子是接收机所接收到的信号功率与干扰功率的比值;对于一个小区来说,负载因子是每一个用户的负载因子的累加。l 邻区干扰因子:在WCDM
19、A系统的网络中,对于用户和基站所接收到的干扰不只是本小区的干扰,还包括邻近小区的干扰。为了描述邻近小区对本小区的影响而定义了邻区干扰因子,邻区干扰因子是来自邻近小区的干扰和来自本小区的干扰的比值。l 用户激活因子:用户通话的过程中,用户在物理层并不是全时间在占用,如语音业务时用户在说话的间隙里;对于语音用户来说,用户激活因子是小于1的,根据实际的经验为0.67;而对于数据业务来说,用户激活因子为1。l 正交化因子:在WCDMA系统中下行链路为区分用户采用的是正交码字,在没有多径的条件下,每个用户接收到的信号是正交的;但是在实际的传播过程中,多径是必然存在的,每一径的时延都是不确定,在接收的过程
20、中不可能将每一个多径都接收并加以合并,因而没有进行合并的信号就对接收的信号构成了干扰,因而造成了下行信号的不是完全正交的。所以定义了正交化因子,当正交化因子为1时表示完全正交;为0时表示完全不正交。3、 容量和覆盖的关系3、1覆盖的计算对于WCDMA系统的设计来说,要计算一个小区覆盖的大小,可以分为以下两步进行:l 计算最大允许路径损耗l 小区覆盖半径3、1、1最大允许路径损耗最大允许路径损耗是在小区边缘允许的路径损耗,在WCDMA系统中最大允许路径损耗与以下两种参数有关:l 系统的硬件参数:上、下行的发射功率、接收机的灵敏度、天线增益(接收和发射天线)、线缆损耗、穿透损耗、人体损耗、合路损耗
21、等;l 系统参数:与干扰余量、阴影衰落余量等WCDMA系统的参数有关。根据链路预算最大允许路径损耗的计算有以下计算公式:l 上行 公式(3)其中:PL_UL 上行链路最大传播损耗Pout_UE 移动台业务信道最大发射功率Lf_BS 馈线损耗Ga_BS 基站天线增益Ga_UE UE 天线增益Mf 阴影衰落余量MI 干扰余量Lp 建筑物穿透损耗Lb 人体损耗S_BS 基站接收机的灵敏度l 下行 公式(4)其中:PL_DL 下行链路最大传播损耗Pout_BS 基站业务信道最大发射功率Lc_BS 基站内合路器损耗Lf_BS 馈线损耗Ga_BS 基站天线增益Ga_UE 移动台天线增益Mf 阴影衰落余量M
22、I 干扰余量Lp 建筑物穿透损耗Lb 人体损耗S_UE 移动台接收机灵敏度3、1、2 小区覆盖在WCDMA中,我们可以用的是COST231Hata模型来计算小区的覆盖半径:PL=46.3+33.9logf-13.82logHb-a(Hm)+44.9-6.55logHb)logd+Cm 公式(5)其中: PL为传输损耗 f为工作频率 Hb为天线高度 Hm为终端的天线高度 d为传播距离 Cm为环境校正因子其取值见下表:环境Cm(dB)密集城区3城区0郊区-2 (Lg(f / 28) 2 - 5.4农村-4.78(Lg(f) + 18.33 Lg(f) - 40.94道路(车内)-4.78 * (L
23、og10(f) + 18.33 * Lg(f) - 35.943、2 容量的计算在WCDMA网络中,由于每一个用户的特性不一样,即每一用户的相对应各种参数()也是不一样的,这样对分析整个网络带来不便;为了方便地分析上下行地容量,假设:l 假设功控为理想功控l 用户是均匀分布l 每一个用户同时使用同一种业务这样的话每一个用户的特性(各种参数)得到了统一,可以将公式(1)、(2)作以下的近似。公式(1)可以简化为: 公式(6) 公式(6)公式(2)可以简化为: 公式(7) 公式(7)通过公式(6)和公式(7)的变换,可以得到上行和下行的吞吐率:上行: 公式(8)下行: 公式(9)3、3 容量与覆盖
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