CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃
一、前言
    現(xiàn)在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究工作正在世界范圍內(nèi)進(jìn)行：未來(lái)公共陸地移動(dòng)通信
系統(tǒng)（FPLMTS）：國(guó)際通信聯(lián)合會(huì)（ITU）的國(guó)際移動(dòng)通信2000年（IMT2000）；歐洲的
通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）。這些系統(tǒng)在很大程度上是基于第二代數(shù)字移動(dòng)無(wú)線系統(tǒng)的
成功，如全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的目標(biāo)是支持多種業(yè)務(wù)，從
語(yǔ)音和低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，對(duì)于車輛達(dá)到144Kb／S，從室外到室內(nèi)達(dá)到
384Kb／S，對(duì)于室內(nèi)和微微蜂窩環(huán)境達(dá)到2Mb／S。支持面向電路和面向分組的業(yè)務(wù)。第
三代移動(dòng)通信系統(tǒng)將適應(yīng)各種無(wú)線環(huán)境，從城區(qū)到郊區(qū)，從丘陵地區(qū)到山區(qū)，徽蜂窩，
微微蜂窩和室內(nèi)環(huán)境向任何人，在任何時(shí)間，任何地萬(wàn)提供業(yè)務(wù)。另外，全球漫游也是
一個(gè)主要目標(biāo)。由于可用頻帶有限且需要寬帶業(yè)務(wù)，無(wú)線接口的頻譜效率必須比第二代
的高。
    從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的觀點(diǎn)看，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特征是提供多種多樣的業(yè)務(wù)，從
每秒幾千比特到2Mb／S；服務(wù)的用戶數(shù)量大（特別是在城區(qū)和人口密集的區(qū)域）；網(wǎng)絡(luò)
結(jié)構(gòu)的靈活性允許在特定的環(huán)境下配置不同的結(jié)構(gòu)（公共場(chǎng)所，高速公路，住宅區(qū)，商
業(yè)區(qū)）；基于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)的移動(dòng)性管理策略使用戶數(shù)據(jù)所需的存儲(chǔ)，更新
和恢復(fù)等總的信令開(kāi)銷最小。很顯然，現(xiàn)在的規(guī)劃方法不能處理這些特殊的特性，必須
開(kāi)發(fā)新的軟件工具來(lái)支持移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商來(lái)處理繁重的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃任務(wù)。
二、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問(wèn)題
    第三代系統(tǒng)的規(guī)劃和優(yōu)化策略需要考慮將來(lái)UMTS運(yùn)營(yíng)商由于引入新而靈活的無(wú)線接
口、更復(fù)雜的蜂窩結(jié)構(gòu)（分層蜂窩結(jié)構(gòu)）、動(dòng)態(tài)資源分配策略（DCA，對(duì)多種業(yè)務(wù)要求
進(jìn)行靈活的資源分配）和提高容量方法的選擇（如自適應(yīng)天線）等所能獲得的額外的自
由程度。如果運(yùn)營(yíng)商能夠清楚的知道規(guī)劃過(guò)程所要達(dá)到的目的，就能將這些先進(jìn)的技術(shù)
應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)上，并能設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)囊?guī)劃和優(yōu)化策略。另外，系統(tǒng)規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)也是第三代移
動(dòng)通信系統(tǒng)能否獲得最大頻譜效率的因素從而影響經(jīng)濟(jì)和運(yùn)營(yíng)上的成功。對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，
要滿足用戶需要并獲得效益，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是關(guān)鍵。
    網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主要包括兩個(gè)方面：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)范圍的確定。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃包括
鏈路負(fù)載，容量以及所需蜂窩數(shù)的計(jì)算。另外，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃還包括詳細(xì)的覆蓋和每個(gè)
蜂窩的參數(shù)規(guī)劃。網(wǎng)絡(luò)范圍的確定包括基站所需的信道數(shù)、傳輸線的容量、基站控制器
數(shù)、交換機(jī)以及其它網(wǎng)絡(luò)單元的計(jì)算。
    和第二代系統(tǒng)相比，由于第三代系統(tǒng)支持多種比特率和不同的業(yè)務(wù)，因而使網(wǎng)絡(luò)規(guī)
劃過(guò)程更復(fù)雜。預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)量和不同業(yè)務(wù)的使用模式更困難。需要仔細(xì)的估價(jià)來(lái)確定影響
所需業(yè)務(wù)不同實(shí)現(xiàn)策略的因素。
    進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃首先要估計(jì)業(yè)務(wù)強(qiáng)度。業(yè)務(wù)強(qiáng)度以愛(ài)爾蘭（Erlang）為單位，1愛(ài)爾
蘭等于一條電路使用1小時(shí)（3600秒）。
    業(yè)務(wù)強(qiáng)度（Erlang）=每小時(shí)的呼叫數(shù)×平均呼叫9保持時(shí)間（秒）／3600
    等效的電話愛(ài)爾蘭（ETE）定義為基本的電話呼叫業(yè)務(wù)量。它和基本電話業(yè)務(wù)的傳
輸速率有關(guān)。對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用MbPs／km2表示業(yè)務(wù)強(qiáng)度更好。
    業(yè)務(wù)級(jí)別的度量是區(qū)域覆蓋率和阻塞。區(qū)域覆蓋率和無(wú)線規(guī)劃的質(zhì)量和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的
容量有關(guān)。阻塞和可用的硬件有關(guān)。由于容量不足而使用戶阻塞稱為軟阻塞。首先，以
所需的區(qū)域覆蓋率為目標(biāo)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)。在此條件下，滿足一定的阻塞率要求，一般是2％。
    阻塞率可定義為第一次呼叫時(shí)被阻塞的概率、阻塞的原因可能是基站的信道不足，
或者是固定網(wǎng)的資源不足。設(shè)N是信道總數(shù)，T是所提供的業(yè)務(wù)量所有信道都忙的概率遵
從油松分布：
      P（N；T）=TNe一T／N！；P（N；T）即是阻塞率。
    信道利用率可定義為：效率（％）=業(yè)務(wù)量（Erlang）/信道數(shù)×100％
三、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過(guò)程
    無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過(guò)程可分三個(gè)階段：
    ＊準(zhǔn)備階段
    ＊蜂窩數(shù)量估計(jì)階段
    ＊詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段
    在準(zhǔn)備階段，要建立覆蓋率和容量的目標(biāo)，定義網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策略，決定初始設(shè)計(jì)和運(yùn)
行的參數(shù)。覆蓋率和容量的目標(biāo)要在所需的質(zhì)量和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用之間折衷。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃策
略包括微蜂窩的部署，提供室內(nèi)和高比特率的覆蓋，以及第二代系統(tǒng)的進(jìn)化。對(duì)于可行
的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案，需要考慮下列因素：固定線傳輸?shù)馁M(fèi)用，如何容易地確定蜂窩位置，
建立蜂窩的費(fèi)用以及環(huán)境問(wèn)題。
    一種策略是用宏蜂窩對(duì)定外覆蓋，用微微蜂窩對(duì)建筑物的室內(nèi)進(jìn)行覆蓋。此方法應(yīng)
通過(guò)增加室內(nèi)蜂窩數(shù)來(lái)提供附加的容量，而不應(yīng)通過(guò)室外蜂窩來(lái)提供室內(nèi)覆蓋。若通過(guò)
室外基站來(lái)提供室內(nèi)覆蓋，在計(jì)算鏈路負(fù)載時(shí)應(yīng)考慮建筑物的穿透損耗，一般為10-20dB。
另一種策略是一開(kāi)始就使用微蜂窩，并利用它來(lái)提供室內(nèi)覆蓋。此方法可用于人口密度
大的市區(qū)。
    在蜂窩數(shù)量估計(jì)階段，首先應(yīng)估計(jì)在給定區(qū)域內(nèi)的用戶數(shù)以及每個(gè)用戶所需提供的
業(yè)務(wù)量。估計(jì)在給定區(qū)域內(nèi)的用戶數(shù)至少應(yīng)考慮下列因素：給定區(qū)域內(nèi)居住的人口，給
定區(qū)域內(nèi)工作的人口、車輛的通過(guò)量、特殊事件和娛樂(lè)場(chǎng)所情況。
    每個(gè)用戶所需提供的業(yè)務(wù)量決定于所需的業(yè)務(wù)種類和使用的頻繁程度。對(duì)第三代系
統(tǒng)，預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)量非常困難，因?yàn)樗�提供了許多新業(yè)務(wù)。對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，需要估計(jì)每個(gè)用
戶每秒所需的平均速率。對(duì)于電路交換的用戶，平均呼叫時(shí)間和業(yè)務(wù)類型、客戶類型和
資費(fèi)有關(guān)。對(duì)于其它業(yè)務(wù)，定義平均呼叫時(shí)間非常困難，因?yàn)闆](méi)有經(jīng)驗(yàn)可借鑒。最重要
的是以合理的精確度來(lái)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)量。
    蜂窩容量可以根據(jù)仿真或分析公式來(lái)估計(jì)。用戶傳輸速率，業(yè)務(wù)性質(zhì)（可變性、突
發(fā)性）業(yè)務(wù)的質(zhì)量要求（時(shí)延、BER／FER）和中斷率是決定蜂窩容量的主要因素。
    若需要估計(jì)頻請(qǐng)效率，應(yīng)考慮扇區(qū)的劃分或自適應(yīng)波束，也叫做空分多址接入（SD
MA）的影響。
    CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不能在極限容量下運(yùn)營(yíng)。極限容量可定義為理論上的最大容量。負(fù)載
因數(shù)定義為網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)接近最大容量的程度。確定負(fù)載因數(shù)時(shí)應(yīng)考慮業(yè)務(wù)性質(zhì)、無(wú)
線資源管理算法以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的規(guī)劃能力等因素。一般負(fù)載超過(guò)75％系統(tǒng)運(yùn)行就不穩(wěn)
定。
    計(jì)算鏈路負(fù)載時(shí)，在假設(shè)了數(shù)據(jù)傳輸速率和Eb／Nb性能后，還應(yīng)考慮設(shè)備的特定參
數(shù)（如電纜損耗），天線增益和接收機(jī)噪聲等。軟切換增益對(duì)鏈路負(fù)載也有很大影響。
還要考慮非對(duì)稱業(yè)務(wù)的影響。多用戶檢測(cè)可以減少負(fù)載因數(shù)的影響。
    根據(jù)容量和鏈路負(fù)載可以計(jì)算覆蓋一給定區(qū)域所需的蜂窩數(shù)量。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以是覆
蓋受限或容量受限。容量受限意味著在最大的蜂窩半徑下不能支持所有提供的業(yè)務(wù)。而
覆蓋受限意味著在一個(gè)蜂窩內(nèi)有足夠的容量支持所有的業(yè)務(wù)。
    詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃要考慮每個(gè)蜂窩所處的實(shí)際無(wú)線環(huán)境。由于費(fèi)用原因地區(qū)法律，建
筑物的限制和其它因素實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中不可能得到最佳的蜂窩位置。詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃應(yīng)使用
網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃工具有被規(guī)劃區(qū)域的數(shù)字地圖，建筑物的高度和天線模型，
    無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化過(guò)程包括：
    ＊詳細(xì)的無(wú)線環(huán)境特征
    ＊控制信道功率的規(guī)劃
    ＊軟切換參數(shù)的規(guī)劃
    ＊頻率間切換的規(guī)劃
    ＊重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋分析
    ＊無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試
    為了優(yōu)化，需要通過(guò)實(shí)際測(cè)量或其它技術(shù)來(lái)確定無(wú)線環(huán)境的特征。如路徑損耗、陰
影和時(shí)延擴(kuò)展等。
    控制信道的傳輸減少網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘�。總的傳輸功率依賴于如何將功率在�?dǎo)頻、同步
尋呼、廣播和業(yè)務(wù)信道之間分配。功率分配原則與覆蓋率有關(guān)。一般，基站總功率的5％
分配給同步信道。
    軟切換的性能影響對(duì)陰影的抑制和進(jìn)行軟切換的用戶數(shù)。進(jìn)行軟切換的用戶需要額
外的信道和反向連接，進(jìn)行軟切換的用戶數(shù)依賴于切換門限和業(yè)務(wù)類型。有可能分組業(yè)
務(wù)完全不需要使用軟切換。在軟切換時(shí)天線的傾斜度和方向也影響蜂窩的覆蓋區(qū)域，在
切換參數(shù)和區(qū)域的規(guī)劃時(shí)應(yīng)加以考慮。最優(yōu)的參與軟切換的基站數(shù)和切換門限、可獲得
的RAKE接收機(jī)的多徑數(shù)和無(wú)線環(huán)境有關(guān)。一般地，多于三個(gè)基站參與就不會(huì)得到更明顯
的軟切換增益。軟切換的主要參數(shù)是切換門限切換定時(shí)器和移動(dòng)站的導(dǎo)頻搜索窗口。
    增加TADD的門限值可以減少進(jìn)行軟切換的用戶數(shù)，因而減少所需的設(shè)備負(fù)荷。然而
減少的太多增加了干擾因而降低了性能。TDROP應(yīng)足夠低以防止損失好的導(dǎo)頻。如果TADC
和TDROP大接近，并且TTDROP定時(shí)太短，就可能產(chǎn)生切換乒乓效應(yīng)。
    將來(lái)，可能會(huì)有其它的切換準(zhǔn)則，如在切換過(guò)程中需要知道上行鏈路的干擾。另外，
不同質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)需要不同的切換準(zhǔn)則，甚至不同的參與軟切換的基站數(shù)。這將增加
網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的復(fù)雜性。因?yàn)檐浨袚Q增益依賴于不同蜂窩信號(hào)的相關(guān)和同一蜂窩陰影衰落的
相關(guān)長(zhǎng)度，需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量來(lái)確定實(shí)際的增益和網(wǎng)絡(luò)容量。
    搜索窗口決定移動(dòng)站搜索導(dǎo)頻時(shí)的碼片時(shí)延數(shù)。搜索窗口大可以收集所有的多徑能
量但導(dǎo)致測(cè)量過(guò)程很慢可能對(duì)高速移動(dòng)站有損害。搜索窗口小可能丟掉一些重要的徑，
因而降低性能。搜索窗口的大小是時(shí)延擴(kuò)展的函數(shù)，應(yīng)對(duì)每個(gè)蜂窩進(jìn)行優(yōu)化，考慮預(yù)期
移動(dòng)站的速度分布。
    壓縮模式是無(wú)縫頻率問(wèn)切換的一種方式。頻率間切換的主要參數(shù)是基站命令移動(dòng)站
測(cè)量相鄰載波時(shí)的頻率。使用分時(shí)隙的幀導(dǎo)致性能的下降。
    在即有微蜂窩又有宏蜂窩覆蓋的情況下，應(yīng)決定選擇每一層的準(zhǔn)則。一般地說(shuō)，如
果在微蜂窩中檢測(cè)到一快速移動(dòng)的移動(dòng)站，應(yīng)切換到宏蜂窩。因此需要估計(jì)移動(dòng)站的速
度。另一方面，慢速的移動(dòng)站應(yīng)切換到微蜂窩。應(yīng)避免錯(cuò)誤的切換。
    在IS-95和CDMA2000系統(tǒng)中，屬于不同基站和扇區(qū)的導(dǎo)頻信號(hào)通過(guò)使用同一導(dǎo)頻偽隨
機(jī)序列（PN）的相位偏置來(lái)區(qū)別。如果兩個(gè)基站間的傳播時(shí)延超過(guò)導(dǎo)頻信號(hào)的偏置，就
產(chǎn)生了剛混淆。因此需要PN偏置規(guī)劃。
    一旦無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境被確定，控制信道功率的分配已完成，切換參數(shù)已規(guī)劃，就可以
進(jìn)行詳細(xì)的覆蓋分析
    一般地說(shuō)，非均勻的業(yè)務(wù)量降低系統(tǒng)的總體性能。一方面，在繁忙的業(yè)務(wù)地區(qū)，由
于增加了干擾而使性能下降；另一方面，系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量變化過(guò)大。通過(guò)蜂窩半徑的自適
應(yīng)控制，天線的方向和上行鏈路接受的功率門限可以改善系統(tǒng)的效率，蜂窩半徑通過(guò)調(diào)
節(jié)導(dǎo)頻傳輸功率來(lái)控制。當(dāng)然，蜂窩半徑的動(dòng)態(tài)控制和天線方向性需要仔細(xì)的規(guī)劃和穩(wěn)
定的控制以防止出現(xiàn)不需要的效果。
    在網(wǎng)絡(luò)建立后，應(yīng)進(jìn)行測(cè)試來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際性能。使用驅(qū)動(dòng)測(cè)試采收集網(wǎng)絡(luò)性能
優(yōu)化所需的數(shù)據(jù)。測(cè)量的主要參數(shù)是覆蓋范圍，掉適率，質(zhì)量和軟切換所需的導(dǎo)頻組。
網(wǎng)絡(luò)建成后，工作并沒(méi)有結(jié)束。需要一定的運(yùn)行和維護(hù)工作來(lái)進(jìn)行測(cè)量和收集網(wǎng)絡(luò)性能
的數(shù)據(jù)。
四、CDMA的做蜂離網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃
    由于傳播環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)拓樸的不同，微蜂窩的實(shí)現(xiàn)和客蜂窩的實(shí)現(xiàn)有很大的區(qū)別。微
蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的兩個(gè)主要問(wèn)題是拐角效應(yīng)和軟切換設(shè)計(jì)。為了減小拐角效應(yīng)的影響，如
果原來(lái)基站的性能變壞，就應(yīng)進(jìn)行快速前向切換。也可通過(guò)恰當(dāng)?shù)囊?guī)劃蜂窩位置和切換
門限來(lái)避免拐角效應(yīng)。如果使用一般的蜂窩規(guī)劃，由于切換太慢而使快速移動(dòng)的移動(dòng)站
產(chǎn)生非常大的干擾，從而使微蜂窩的容量降低很多。另外，由于基站數(shù)很大，信令負(fù)荷
也有相當(dāng)大的增加�？梢允褂梅植际綗o(wú)線和蜂窩分區(qū)未減少CDMA微蜂窩所需的軟切換。
    對(duì)于室內(nèi)規(guī)劃，由于建筑物的類型，大小，結(jié)構(gòu)和材料都有很大的區(qū)別，因此，沒(méi)
有通用的傳播模型可利用。墻和地板對(duì)信號(hào)的衰減和建筑物的結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)每個(gè)建筑物
要進(jìn)行實(shí)地測(cè)量和傳播預(yù)測(cè)。
    竹扇區(qū)可以提高CDMA系統(tǒng)的容量。在理想的情況下，可實(shí)現(xiàn)扇區(qū)間的理想隔離，并
且容量的增加和扇區(qū)數(shù)成比例。通常，分成三個(gè)扇區(qū)可以增加容量2.5倍。智能天線（
也稱為SDMA）定義為多波束或自適應(yīng)陣列天線，波束間沒(méi)有切換。和固定波束天線相比，
天線陣的優(yōu)點(diǎn)是它提供了M重分集增益。
五、BTS信道單元的規(guī)劃
    已知所提供的業(yè)務(wù)量、需要的控制信道和進(jìn)行軟切換的用戶數(shù)，就可以計(jì)算信道單
元數(shù)。根據(jù)愛(ài)爾蘭（Erlang）表來(lái)計(jì)算。此表給出了在給定阻塞率和提供的業(yè)務(wù)量條件
下所需的信道數(shù)。另外，可以根據(jù)容量，下行鏈路的公共控制信道和上行鏈路的接入信
道確定業(yè)務(wù)信道。每個(gè)寬帶CDMA載波需要～個(gè)導(dǎo)頻信道和至少一個(gè)公共控制信道。公共
控制信道包括尋呼信道，同步信道和廣播信道。對(duì)于分組接入，在微蜂窩也需要公共控
制信道。軟切換所需的附加信道單元數(shù)和軟切換類型有關(guān)。進(jìn)行軟切換的用戶數(shù)和無(wú)線
環(huán)境，切換門限以及天線結(jié)構(gòu)有關(guān)，可以通過(guò)仿真和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到。
    另外，還要計(jì)算出BSC和交換機(jī)的數(shù)量，HLR和VLR的信令負(fù)載。最后進(jìn)行傳輸網(wǎng)絡(luò)的
優(yōu)化。
六、結(jié)論
    我國(guó)對(duì)第三代系統(tǒng)的希望是頻率利用率高，覆蓋效率好，建網(wǎng)要經(jīng)濟(jì)有足夠的靈活
性。要滿足這些要求網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是關(guān)鍵。因此，一定要重視網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，更好地發(fā)揮通信在
經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的巨大作用。