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标题: 第三代通信系统-3G曲折的商用化进程： 3G无线网络规划方法研究 [查看完整版帖子] [打印本页]

时间: 2006-2-17 15:17

作者: 风中追风 标题: 第三代通信系统-3G曲折的商用化进程： 3G无线网络规划方法研究

目前，第三代移动通信的发展在国内备受关注，刚刚结束的3G峰会更是吸引了众多的眼球。政府关于第三代移动通信的执照发放问题，仍在决策之中，但可以预见，第三代移动通信执照的发放必然在国内掀起第三代移动通信网络建设的热潮，即将到来的网络建设热潮将对3G网络规划提出更高的要求。

　　从技术上来看，第三代移动通信系统具有更高的容量、更高的速率等诸多优势，但同时也给无线网络规划带来新的问题。本文从3G无线网络规划的特点和难点入手，提出无线网规划的框图，并详细讨论框图中的每个环节，最后进行了小结。

一、3G无线网规划的特点

　　1.1　多业务特性

　　第三代移动通信系统是以提供多媒体业务为特征的，网络同时承载了话音、电路数据、分组数据等多项业务。不同类型、不同速率的业务对无线信号的覆盖强度、干扰情况要求不同；在同一无线环境下，不同业务的覆盖范围也是不一致的，这将给无线网规划带来更大的复杂性。

　　1.2　CDMA技术带来的变化

　　由于CDMA技术的高效性，3G系统无一例外的都选择了CDMA技术。与窄带CDMA系统类似，3G系统的覆盖、容量、质量不是孤立的，而是彼此关联的，与传统的TDMA系统不同，CDMA无线网覆盖不是简单取决于发射功率、天线高度、天线增益等参数，而是与网上实际的话务分布等因素相关，这也就导致了所谓的CDMA软覆盖特性，具体表现为在话务密度较高的地区，基站覆盖范围较小；话务密度较低的地区，基站覆盖范围较大。除此之外，CDMA系统全网可以采用同样的频点进行组网，无线网规划中不存在频率分配问题，大大地提高了CDMA系统的容量，但同时带来了更为复杂的功率分配，使得CDMA系统成为一个牵一发而动全身的系统。

二、3G无线网规划流程

　　与2G系统类似，无线网规划是整个3G系统规划中的难点和重点，无线网网络规划的好坏将直接影响到3G的投资规模、覆盖范围、网络性能、服务质量等，并将对下一步的网络运行维护、网络扩展等产生重大影响。

　　结合3G无线网的特点，我们提出了如下的3G无线网规划流程。

图1　3G无线网络规划流程

　　下面我们结合3G无线网规划的特点对主要环节中进行说明。

　　2.1　覆盖要求

　　首先应根据各类业务需求预测及总体发展策略，提出各类业务的无线覆盖范围。3G无线覆盖要求可以用业务类型、覆盖区域、覆盖概率和穿透损耗等指标来进行表征。

　　业务类型包括12.2K话音业务、64K电路数据业务、64K分组业务、144K分组业务、384K分组业务等；覆盖区域可划分为市区(可进一步细分为密集城区、普通城区、郊区等)、县城、乡镇及交通干线、旅游景点等。覆盖概率有边缘覆盖概率和区域覆盖概率两种，边缘覆盖概率反映的是在小区边缘接收信号的强度；区域覆盖概率反映的是在整个区域中接收信号的强度。

　　对于不同的业务，不同的覆盖区域，不同的覆盖概率，其要求的衰落储备不同，典型的衰落储备在3-7dB。此外，覆盖要求中还需考虑穿透损耗，不同地理区域对穿透损耗的考虑不同，一般对于市区要考虑建筑物穿透损耗。典型情况下，大中型城市的市区穿透损耗一般在15-20dB，中小城市在10-15dB。

　　2.2　用户模型

　　用户模型可分为用户业务行为和用户分布两部分。

　　由于3G数据业务的多样化，一般按承载层对业务分类，电路域的业务分12.2K话音和64K可视电话，分组域的业务分PS(分组业务)64K、PS128K和PS384K IP承载业务。

　　用户的电路域业务行为用爱尔兰表示，用户的分组域业务行为用忙时数据量(KByte/BH)表示；用户的分布用每平方公里的用户数来表征，由于3G是多业务环境，不同业务有不同的用户分布。

　　国外一些运营商已经部署3G网络并进行了商用，积累了一定的用户行为和用户分布的数据。对于没有3G的地区，对用户行为和用户分布可以基于对已有GSM网络的统计和进行一定的假设分析。通过调查规划区域的国民经济和地理概况，现有的用户发展情况和网络话务统计数据预测3G用户发展、用户业务行为及话务分布。

　　用户的话务行为和用户分布两者相乘，得到业务密度，它综合反映了用户话务行为和用户分布，业务密度图作为网络仿真阶段的一个重要输入。电路域业务可以用Erl/km²表征，分组域业务可以用Kbps/km²表征。

　　2.3　传播模型

　　传播模型的选择与校正方面，3G无线网规划与2G是基本相同的，这里我们不再具体介绍。

　　2.4　预规划

　　由于3G无线网网络覆盖与网络容量是密切相关的，在网络仿真之前，为提高无线网网络规划的有效性，应事先在覆盖范围和所需容量之间进行平衡，估算所在区域的基站数量和信道配置，这就是预规划。在预规划中，一般采用迭代预规划方法，该方法是在预测好规划区域的业务密度下，先假设基站半径为R，通过迭代使输入R和输出R相等，然后输出结果。其上行迭代的条件是基站noise rise小于设计值，下行迭代的条件是基站下行功率小于其允许输出最大值。而我们在3G无线网规划中，考虑到3G无线网络初期建网的特点和工程实施方面的因素，可以简化预规划方法。我们将预规划分为以下三步。

　　(1)从覆盖角度出发计算最小基站数

　　根据覆盖要求通过链路预算进行无线网规划。链路预算的目的就是得到一个合理的宏蜂窝站距建议，并依据此建议对网络进行初步规划(作为网络仿真的基础)。

　　在CDMA系统中，链路预算与系统负荷相关，负荷增大，小区半径将缩小。因此系统负荷是网络设计的一个重要指标。具体的系统负荷设计和网络的发展策略和无线网的建网思路相关。网络的不同建设阶段，对系统负荷的要求不同，在网络初期对于市区考虑到容量的潜力，一般按高负荷进行设计，对于其它地区，客户和话务的增长相比城区来说较缓慢，可以按照低负荷进行设计。在网络规划中，一般按照城区50%的上行负荷，郊区30%～40%的上行负荷，农村20%～30%的上行负荷来考虑。

　　另外，根据仿真，在网络负载低于50%的情况下，相同承载速率的覆盖明显受限于上行链路。另外，下行覆盖的提高可以通过增大下行基站输出功率而提高。因此根据链路预算进行的覆盖分析一般对上行链路来进行。

　　典型的上行链路预算如下：

　　一般情况下，市区最大允许的路径损耗在130dB左右，采用COST-231模型，在基站天线高度25-30米，小区半径500米左右。

业务数率

话音
数据
数据

业务速率
Kbps
12.2
64
128

发送方(移动手机)

手机发射功率
dBm
21
24
24

天线增益
dBi
0
0
0

身体阻挡损耗
dB
3
0
0

EIRP
dBm
18
21
21

接收方(基站)

热噪声密度
dBm/Hz
-174
-174
-174

接收机噪声系数
dB
5
5
5

接收机噪声功率
dBm
-103.2
-103.2
-103.2

干扰余量
dB
3
3
3

噪声+干扰总量
dBm
-1OO.2
-100.2
-100.2

扩频处理增益
dB
25
17.8
14.8

接收信号Eb/No
dB
6
4
3

接收机灵敏度
dBm
-119.1
-113.9
-111.9

基站天线增益
dbi
18
18
18

基站馈线损耗
dB
2
2
2

快衰落余量
dB
4
4
4

对数正态衰落余量
dB
7
4.9
3.5

建筑物穿透损耗
dB
16
16
16

车辆穿透损耗
dB
0
0
0

软切换增益
dB
2
2
2

最大允许路径损耗
dB
128.1
128
127.4

　　(说明：表中参数为3GPP推荐值)

　　得到小区半径以后就可以计算得到小区的覆盖面积。计算覆盖区所需基站数目时，将该地区各类业务中最小的小区覆盖面积作为该地区的小区覆盖面积。

　　(2)从容量角度出发计算最小基站数

　　因为3G网络承载的是话音和数据的混合业务，简单地采用ErlangB方法进行核算是不合适的。为了统一考虑，可以将各种业务的数据速率的总和，即总数据速率作为业务量的衡量标准。

　　由于3G小区的容量和许多因素有关，如业务Eb/No的要求，用户分布，无线环境。所以实际的容量在规划阶段很难准确获得。在预规划的容量规划期间一般根据各个业务的频谱效率预测单小区吞吐率，或者根据从试验网容量测试获得的单小区吞吐率结果，作为单小区容量的依据。然后用不同覆盖区域内预测的总业务数据速率来除以单小区容量，即可求得不同覆盖区域所需的基站数目。例如，某一区域根据各种业务在忙时预测需要100Mbps的数据速率，而一个扇区区忙时支持的速率为1.2Mbps时，则需要28个三小区基站。

　　(3)分析两者计算结果，得出预规划所需基站数

　　如果从覆盖角度出发计算最小基站数大于从业务量角度出发计算最小基站数，则可进一步考虑采用覆盖增强的方法(如OSTR、TMA、四接收分集)以减少从覆盖角度出发计算得到的基站数量。

　　如果从覆盖角度出发计算最小基站数小于从业务量角度出发计算最小基站数，需要综合分析。如果从业务量角度出发计算最小基站数所决定的基站站距小于覆盖分析里所考虑的最小合理站距，此时不宜采用过近的站距，而是考虑改变基站配置，增加载频或采用一些容量增强技术来满足容量要求。

　　针对不同的覆盖区域，得到不同覆盖区域的基站数结果。最后汇总得到总覆盖区域的所需总基站数，完成预规划。

　　2.5　站址和工程参数

　　根据预规划的结果，得出基本站距，在候选站址中进行选择3G基站，确定基站工程参数，进行初步仿真(静态分析)，通过静态分析调整天线高度、指向、下倾的参数，以满足覆盖的需要；进行基站容量配置，以满足容量的需要。3G的规划重点在于控制干扰，控制干扰的关键在于控制覆盖，基站站址的选择为理想地控制干扰创造条件。因此，基站站址的确定，很大程度上影响着3G无线网地网络质量。在确定站址时，一般考虑以下原则：

　　◆充分考虑满足覆盖要求，设在业务集中的地方；

　　◆力求理想蜂窝布局。便于控制干扰；

　　◆尽量考虑利用已有局房；

　　◆避免系统间干扰，与其他系统有一定的空间隔离；

　　◆避免在强干扰源附近设站，避免在易燃、易爆场所附近设站；

　　◆天线高度应高于周围建筑物；

　　◆基站高度、密度逐渐变化，避免忽高忽低，强调整体布局。

　　天馈参数配置方面，从控制覆盖的角度出发，同一区域内相邻基站天线挂高基本相同以便于覆盖控制，以保证网络的指标和性能。以市区基站为例，天线高度25米到40米比较合适。郊区和农村可以较为宽松。基站天线主瓣方向要无明显阻挡，同时考虑小区间天线指向的相互关系，以形成一个区域只有一个主服务小区。同时应考虑到扇区间话务的平衡。为网络优化、天线调整的方便，在市区一般使用双极化和电子倾角天线。天线方向和下倾角的取定根据覆盖和干扰的情况而取定。

　　2.6　系统仿真

　　在确定基站的位置和工程参数后，需利用规划工具进行分析，其中主要的一步就是Monte Carlo仿真。Monte Carlo仿真是一种半动态的仿真计算方法，通过执行很多次的用户接入网络计算得到统计的结果，从而能更加真实地反映实际的网络情况。通过在规划工具中输入业务模型、传播模型、基站工程参数、NodeB和终端的性能参数等参数后，进行网络的MonteCarlo仿真，根据仿真结果和基站查勘信息，对基站及其参数进行调整，使仿真结果达到规划的目标，完成初步优化。为了支持对无线网络的仿真，多个厂家已经开发了相应的规划软件，这些软件的功能基本相同，都是采用MonteCarlo算法，只是在具体算法实现上有所不同。

　　系统仿真给出了大量图形，最重要的包括最好服务小区(Best server)、导频信号、导频污染、软切换和业务覆盖概率等。下面以WCDMA为例，对这些仿真图形的含义及其应用进行简单说明。

　　(1)Best Server

　　Best server图是根据导频的强度来决定服务区内每个位置的最好服务小区。Best server图可用来评价各个小区各自负责的最佳覆盖区域是否合理，是否符合覆盖区的业务密度要求。合理的Best server对软切换和导频污染的控制都是重要的前提条件。通过观察有无出现过大或者过小、越区覆盖的情况判断最好服务区是否合理，通过调整天线的挂高、方向角和下倾角等来实现对最好服务区的调整。

　　(2)导频强度图

　　导频强度图显示服务区内每个位置导频信号的强度大小。对于WCDMA系统，通常当导频信号强度大于-100dBm时，表示该地区的导频覆盖较好，移动终端能接入系统。考虑一定的富余，认为导频信号大于-90dBm，移动终端能可靠接入。据此判断在覆盖区域能否达到连续覆盖，观察是否存在网络覆盖空洞。导频强度的调整可以通过增大天线发射功率、调整天线挂高、方向角和下倾角等来实现。

　　(3)导频污染图

　　导频污染图反映的是网络的导频污染情况。在WCDMA里，导频污染是经常遇到的问题，导频污染的主要特点是没有主导小区。如果在低于主导频Ec/Io值的一定范围内(通过设置软切换窗大小来确定)，有多于激活集个数的导频个数存在，就认为存在导频污染。导频污染增加了网络干扰，降低了网络容量。

　　(4)软切换图

　　软切换图反映的是网络的软切换情况。软切换一方面提高了上行的覆盖，另一方面占有了信道资源。因此必须设置合理的软切换比例，控制软切换区域的大小。通过观测软切换图来评价软切换区域是否合理，软切换比例是否合适。一个成熟的WCDMA网络的软切换比例应为30%左右，在网络建设初期，由于网络负载较低，软切换的比例在30%～40%之间。

　　可以通过调整基站下行的导频功率和软切换的参数来实现软切换的调整。

　　(5)业务覆盖概率图

　　业务覆盖概率图反映的是服务区内每个位置不同业务的覆盖概率。图中是通过不同的颜色来显示不同的业务覆盖概率。业务覆盖概率是指在覆盖区域中某一用户的某种业务在某个位置发起呼叫的接通概率。通过业务覆盖概率图，可以评价不同种类业务的覆盖水平，检查是否达到规划目标的要求。

三、小结

　　3G无线网规划具有很高的复杂性，既要考虑软容量、功率规划等特性，也要考虑到多业务的特性，在具体的规划实践中还必须考虑与2G共站址、与2G系统的干扰、传输配套等其他问题。随着我国3G全面商用时代的来临，为提高3G网络建设的有效性，深入研究3G无线网规划的方法和流程就日显重要。我院在信息产业部组织的3G现场测试中负责北京地区3G试验网的规划设计工作，理论联系实际，对3G无线网规划有了更深更全面的认识。

作者：胡坚波　摘自：泰尔网

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