CDMA移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

2019-11-03 09:50:31

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供稿：網(wǎng)友

CDMA移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃一、前言現(xiàn)在第三代移動通信系統(tǒng)的研究工作正在世界范圍內(nèi)進行：未來公共陸地移動通信系統(tǒng)（FPLMTS）：國際通信聯(lián)合會（ITU）的國際移動通信2000年（IMT2000）；歐洲的通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）。這些系統(tǒng)在很大程度上是基于第二代數(shù)字移動無線系統(tǒng)的成功，如全球移動通信系統(tǒng)（GSM）。第三代移動通信系統(tǒng)的目標(biāo)是支持多種業(yè)務(wù)，從語音和低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，對于車輛達到144Kb／S，從室外到室內(nèi)達到384Kb／S，對于室內(nèi)和微微蜂窩環(huán)境達到2Mb／S。支持面向電路和面向分組的業(yè)務(wù)。第三代移動通信系統(tǒng)將適應(yīng)各種無線環(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，在任何時間，任何地萬提供業(yè)務(wù)。另外，全球漫游也是一個主要目標(biāo)。由于可用頻帶有限且需要寬帶業(yè)務(wù)，無線接口的頻譜效率必須比第二代的高。從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的觀點看，第三代移動通信系統(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)（公共場所，高速公路，住宅區(qū)，商業(yè)區(qū)）；基于分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的先進的移動性管理策略使用戶數(shù)據(jù)所需的存儲，更新和恢復(fù)等總的信令開銷最小。很顯然，現(xiàn)在的規(guī)劃方法不能處理這些特殊的特性，必須開發(fā)新的軟件工具來支持移動運營商來處理繁重的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃任務(wù)。二、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題第三代系統(tǒng)的規(guī)劃和優(yōu)化策略需要考慮將來UMTS運營商由于引入新而靈活的無線接口、更復(fù)雜的蜂窩結(jié)構(gòu)（分層蜂窩結(jié)構(gòu)）、動態(tài)資源分配策略（DCA，對多種業(yè)務(wù)要求進行靈活的資源分配）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。如果運營商能夠清楚的知道規(guī)劃過程所要達到的目的，就能將這些先進的技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)上，并能設(shè)計適當(dāng)?shù)囊?guī)劃和優(yōu)化策略。另外，系統(tǒng)規(guī)劃和實現(xiàn)也是第三代移動通信系統(tǒng)能否獲得最大頻譜效率的因素從而影響經(jīng)濟和運營上的成功。對運營商來說，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)劃主要包括兩個方面：無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)范圍的確定。無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃包括鏈路負載，容量以及所需蜂窩數(shù)的計算。另外，無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃還包括詳細的覆蓋和每個蜂窩的參數(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)、交換機以及其它網(wǎng)絡(luò)單元的計算。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)劃過程更復(fù)雜。預(yù)測業(yè)務(wù)量和不同業(yè)務(wù)的使用模式更困難。需要仔細的估價來確定影響所需業(yè)務(wù)不同實現(xiàn)策略的因素。進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃首先要估計業(yè)務(wù)強度。業(yè)務(wù)強度以愛爾蘭（Erlang）為單位，1愛爾蘭等于一條電路使用1小時（3600秒）。業(yè)務(wù)強度（Erlang）=每小時的呼叫數(shù)×平均呼叫9保持時間（秒）／3600 等效的電話愛爾蘭（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)。對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用MbPs／km2表示業(yè)務(wù)強度更好。業(yè)務(wù)級別的度量是區(qū)域覆蓋率和阻塞。區(qū)域覆蓋率和無線規(guī)劃的質(zhì)量和無線網(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、無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程可分三個階段：＊準(zhǔn)備階段＊蜂窩數(shù)量估計階段＊詳細的網(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)計和運行的參數(shù)。覆蓋率和容量的目標(biāo)要在所需的質(zhì)量和整個網(wǎng)絡(luò)費用之間折衷。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)的進化。對于可行的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案，需要考慮下列因素：固定線傳輸?shù)馁M用，如何容易地確定蜂窩位置，建立蜂窩的費用以及環(huán)境問題。一種策略是用宏蜂窩對定外覆蓋，用微微蜂窩對建筑物的室內(nèi)進行覆蓋。此方法應(yīng)通過增加室內(nèi)蜂窩數(shù)來提供附加的容量，而不應(yīng)通過室外蜂窩來提供室內(nèi)覆蓋。若通過室外基站來提供室內(nèi)覆蓋，在計算鏈路負載時應(yīng)考慮建筑物的穿透損耗，一般為10-20dB。另一種策略是一開始就使用微蜂窩，并利用它來提供室內(nèi)覆蓋。此方法可用于人口密度大的市區(qū)。在蜂窩數(shù)量估計階段，首先應(yīng)估計在給定區(qū)域內(nèi)的用戶數(shù)以及每個用戶所需提供的業(yè)務(wù)量。估計在給定區(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、車輛的通過量、特殊事件和娛樂場所情況。每個用戶所需提供的業(yè)務(wù)量決定于所需的業(yè)務(wù)種類和使用的頻繁程度。對第三代系統(tǒng)，預(yù)測業(yè)務(wù)量非常困難，因為它提供了許多新業(yè)務(wù)。對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，需要估計每個用戶每秒所需的平均速率。對于電路交換的用戶，平均呼叫時間和業(yè)務(wù)類型、客戶類型和資費有關(guān)。對于其它業(yè)務(wù)，定義平均呼叫時間非常困難，因為沒有經(jīng)驗可借鑒。最重要的是以合理的精確度來預(yù)測業(yè)務(wù)量。蜂窩容量可以根據(jù)仿真或分析公式來估計。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（時延、BER／FER）和中斷率是決定蜂窩容量的主要因素。若需要估計頻請效率，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（SDMA）的影響。 CDMA無線網(wǎng)絡(luò)不能在極限容量下運營。極限容量可定義為理論上的最大容量。負載因數(shù)定義為網(wǎng)絡(luò)正常運行時接近最大容量的程度。確定負載因數(shù)時應(yīng)考慮業(yè)務(wù)性質(zhì)、無線資源管理算法以及網(wǎng)絡(luò)運營商的規(guī)劃能力等因素。一般負載超過75％系統(tǒng)運行就不穩(wěn)定。計算鏈路負載時，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），天線增益和接收機噪聲等。軟切換增益對鏈路負載也有很大影響。還要考慮非對稱業(yè)務(wù)的影響。多用戶檢測可以減少負載因數(shù)的影響。根據(jù)容量和鏈路負載可以計算覆蓋一給定區(qū)域所需的蜂窩數(shù)量。一個網(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蜂窩內(nèi)有足夠的容量支持所有的業(yè)務(wù)。詳細的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃要考慮每個蜂窩所處的實際無線環(huán)境。由于費用原因地區(qū)法律，建筑物的限制和其它因素實際網(wǎng)絡(luò)中不可能得到最佳的蜂窩位置。詳細的網(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，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)化過程包括：＊詳細的無線環(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＊無線網(wǎng)絡(luò)測試為了優(yōu)化，需要通過實際測量或其它技術(shù)來確定無線環(huán)境的特征。如路徑損耗、陰影和時延擴展等。控制信道的傳輸減少網(wǎng)絡(luò)的總?cè)萘俊？偟膫鬏敼β室蕾囉谌绾螌⒐β试趯?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陰影的抑制和進行軟切換的用戶數(shù)。進行軟切換的用戶需要額外的信道和反向連接，進行軟切換的用戶數(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接收機的多徑數(shù)和無線環(huán)境有關(guān)。一般地，多于三個基站參與就不會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器和移動站的導(dǎo)頻搜索窗口。增加TADD的門限值可以減少進行軟切換的用戶數(shù)，因而減少所需的設(shè)備負荷。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定時太短，就可能產(chǎn)生切換乒乓效應(yīng)。將來，可能會有其它的切換準(zhǔn)則，如在切換過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。因為軟切換增益依賴于不同蜂窩信號的相關(guān)和同一蜂窩陰影衰落的相關(guān)長度，需要現(xiàn)場測量來確定實際的增益和網(wǎng)絡(luò)容量。搜索窗口決定移動站搜索導(dǎo)頻時的碼片時延數(shù)。搜索窗口大可以收集所有的多徑能量但導(dǎo)致測量過程很慢可能對高速移動站有損害。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延擴展的函數(shù)，應(yīng)對每個蜂窩進行優(yōu)化，考慮預(yù)期移動站的速度分布。壓縮模式是無縫頻率問切換的一種方式。頻率間切換的主要參數(shù)是基站命令移動站測量相鄰載波時的頻率。使用分時隙的幀導(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，如果在微蜂窩中檢測到一快速移動的移動站，應(yīng)切換到宏蜂窩。因此需要估計移動站的速度。另一方面，慢速的移動站應(yīng)切換到微蜂窩。應(yīng)避免錯誤的切換。在IS-95和CDMA2000系統(tǒng)中，屬于不同基站和扇區(qū)的導(dǎo)頻信號通過使用同一導(dǎo)頻偽隨機序列（PN）的相位偏置來區(qū)別。如果兩個基站間的傳播時延超過導(dǎo)頻信號的偏置，就產(chǎn)生了剛混淆。因此需要PN偏置規(guī)劃。一旦無線網(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，就可以進行詳細的覆蓋分析一般地說，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)量變化過大。通過蜂窩半徑的自適應(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，蜂窩半徑通過調(diào)節(jié)導(dǎo)頻傳輸功率來控制。當(dāng)然，蜂窩半徑的動態(tài)控制和天線方向性需要仔細的規(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)進行測試來確定網(wǎng)絡(luò)的實際性能。使用驅(qū)動測試采收集網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化所需的數(shù)據(jù)。測量的主要參數(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，工作并沒有結(jié)束。需要一定的運行和維護工作來進行測量和收集網(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，微蜂窩的實現(xiàn)和客蜂窩的實現(xiàn)有很大的區(qū)別。微蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的兩個主要問題是拐角效應(yīng)和軟切換設(shè)計。為了減小拐角效應(yīng)的影響，如果原來基站的性能變壞，就應(yīng)進行快速前向切換。也可通過恰當(dāng)?shù)囊?guī)劃蜂窩位置和切換門限來避免拐角效應(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的移動站產(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，信令負荷也有相當(dāng)大的增加。可以使用分布式無線和蜂窩分區(qū)未減少CDMA微蜂窩所需的軟切換。對于室內(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，沒有通用的傳播模型可利用。墻和地板對信號的衰減和建筑物的結(jié)構(gòu)有關(guān)。對每個建筑物要進行實地測量和傳播預(yù)測。竹扇區(qū)可以提高CDMA系統(tǒng)的容量。在理想的情況下，可實現(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，波束間沒有切換。和固定波束天線相比，天線陣的優(yōu)點是它提供了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行軟切換的用戶數(shù)，就可以計算信道單元數(shù)。根據(jù)愛爾蘭（Erlang）表來計算。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。每個寬帶CDMA載波需要～個導(dǎo)頻信道和至少一個公共控制信道。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)。進行軟切換的用戶數(shù)和無線環(huán)境，切換門限以及天線結(jié)構(gòu)有關(guān)，可以通過仿真和現(xiàn)場測量得到。另外，還要計算出BSC和交換機的數(shù)量，HLR和VLR的信令負載。最后進行傳輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。六、結(jié)論我國對第三代系統(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)濟建設(shè)中的巨大作用。

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