3G三种制式的无线网络设计规划比较

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#1  3G三种制式的无线网络设计规划比较

一、前言

　　作为3G时代的开拓先锋，上海贝尔阿尔卡特全面支持WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000三大国际标准，提出完善、成熟的多制式端到端3G网络解决方案，WCDMA网络设计规划已得到业界的普遍认可。 通过互相比较借鉴和吸收，上海贝尔阿尔卡特基于同一设计平台，将相应的网络规划手段移植拓展到TD-SCDMA 和CDMA2000，开发出完善的设计规划工具链，形成完整的全制式3G设计能力，保持3G规划领域的领先地位。

　　WCDMA系统的设计规划原理和方法已被广泛了解，本文将从比较TD-SCDMA 、CDMA2000 与WCDMA制式设计规划方法的异同入手，说明TD-SCDMA 和CDMA2000设计规划方法和特点。

二、TD-SCDMA与WCDMA设计规划比较

　　TD-SCDMA作为我国提出的第三代移动通信的制式和WCDMA系统相比较教，在网络设计和规划上既有共同的特点，也存在一定的区别。以下分别从技术特点、设计方法、规划方法三个方面来分析和阐述。

　　1.TD技术特点对容量和覆盖的影响

　　TD-SCDMA系统是一个综合了时分双功（TDD）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）、频分多址（FDMA）的一个系统。其信道每帧长为10ms，由两个结构相同时长为5ms的子帧构成。每个子帧由三个特殊时隙和七个常规时隙构成，每个时隙又可以分为若干个码道。这种信道结构对于TD-SCDMA系统容量和覆盖的计算都有影响。

　　首先，在七个常规时隙中，除了TS0和TS1的上下行关系确定外，其它时隙可根据需要进行上下行关系设置。因而，TD-SCDMA的容量计算多了其它系统所没有的一项新内容——时隙转换点的配置，即根据用户话务需求的特点，合理的配置上下行时隙的比例。

　　其次，TD-SCDMA用户是通过占用某个时隙上某个码道进行通信的，因此TD-SCDM业务对资源的占用是以时隙和码道为单位的。

　　同时，在每个子帧三个特殊时隙种的主保护间隔（GP）为75μs(96chip)，这个时间长度确定了在没有时隙间干扰的前提下，TD-SCDAM系统的小区的基本覆盖范围为11.3km。当然也可以通过允许干扰或减少时隙的方法突破11.3km的限制。

　　2.TD-SCDMA与WCDMA无线网络设计的比较

　　由于TD-SCDMA系统采用智能天线、多用户检测等关键技术，这些技术可以降低系统的干扰，从而使得TD-SCDMA小区呼吸效应不象WCDMA系统这样明显，因此TD-SCDMA的容量和覆盖计算可分别考虑，然后根据系统受限的情况取定最终的设计规模。总的流程如下图所示。



下面分别就覆盖和容量计算进行说明。

覆盖分析计算

　　在TD-SCDMA的覆盖分析时，其原理和WCDMA类似，也是进行上行链路最大允许路径损耗的分析，只是在具体的参数取值与WCDMA不同。这些参数主要是：

　　1)处理增益

　　TD-SCDMA与WCDMA相比处理增益计算公式更为复杂，由于TD-SCDMA码片速率只有1.28Mchip/s，扩频因子为1至16，所以总体来讲TD-SCDMA系统的处理增益比WCDMA要小。

　　2)Node B接收机灵敏度

　　TD-SCDMA与WCDMA接收机灵敏度的定义是一致的，是指仅对于热噪声，达到给定质量所需要的最小接收电平，由于TD-SCDMA的GP与WCDMA小了十几个dB，而其它参数取值比较接近，因而造成TD-SCDMA接收机灵敏度比WCDMA低。TD-SCDMA除话音业务外，其它业务的接收机灵敏度差别较小。这样就使得TD-SCDMA个业务之间覆盖范围的差别不象WCDMA那样大，各业务覆盖区域比较一致。因而使得TD-SCDMA组网更简单。

　　3)阴影衰落量

　　由于存在阴影衰落的影响，为了保证一定的覆盖概率，必须保留一定的阴影衰落余量，其大小与阴影衰落标准方差和覆盖概率有关。同时，由于WCDMA有软切换，软切换可以降低阴影衰落余量。但TD-SCDMA的切换是接力切换，因此不考虑软切换的增益。例如：假定阴影衰落标准方差8dB，要求的区域覆盖概率95%，则WCMDA需要保留4.7dB阴影衰落余量，TD-SCDMA需要保留8.7dB阴影衰落余量，这差值的4dB就是软切换增益。

　　4)快衰落余量

　　WCDMA 1500Hz的快速功控可以在一定程度上对抗快落，因此需要保留一定的功率作为储备用于补偿快衰落，即快衰落余量。TD-SCDMA 200Hz的功控速度无法对抗快落，因此不考虑快衰落余量。

　　5)天线增益

　　TD-SCDMA系统采用了智能天线，智能天线增益的典型值：全向天线为8～9dBi，定向天线14～15dBi，同时还要考虑智能天线赋形增益8或9dB。WCDMA采用普通的天线。

　　6)馈线损耗

　　考虑到馈线及接头带来的损耗，WCDMA系统保留一定的余量，通常取3dB。但TD-SCDMA系统设备结构中功放位于天线下端，因此馈线损耗取0dB。

　　7)噪声增加量

　　考虑到CDMA系统是一个自干扰系统容量，随着用户的增长，系统的干扰上升，小区覆盖减小，这就是小区呼吸效应。WCDMA系统小区呼吸效应明显，为了平衡容量和覆盖的关系，我们通常采用迭带的算法。简化计算时也可采用固定负载的方法，噪声增加量取3dB。由于TD-SCDMA系统采用智能天线、多用户检测降低小区干扰等的技术，因而，噪声增加量较小，通常在1~2dB范围以内。

链路预算

　　在确定了上述参数后，通过链路预算可以计算出在各种区域的小区的覆盖范围。在密集市区、话音业务情况下，比较TD-SCDMA和WCDMA的链路预算，虽然TD-SCDMA接收机灵敏度比WCDMA小了十几个dB，但由于智能天线、馈线损耗等因素的作用，TD-SCDMA的MAPL比WCDMA只小了2~3dB。如果比较分析TD-SCDMA各种不同速率的业务之间的差距就会发现各业务和覆盖区域比较一致。

容量分析计算

　　由于WCDMA系统小区呼吸效应比较明显，小区的容量和覆盖密切关联。小区覆盖范围受到小区内用户数和业务量的影响。在用户密度确定的前提下，小区内的用户数和业务量又决定于小区的覆盖范围。因此，阿尔卡特采用对话务量分析和链路预算进行迭代分析的处理方法，使设计结果更为合理准确。



在TD-SCDMA系统的容量分析方面，由于TD-SCDMA系统容量和覆盖可以分别进行，因此TD-SCDMA系统的容量分析与WCDMA相比较简单。

　　由于TD-SCDMA系统上下时隙配比可以进行灵活的设置，因此容量分析计算首先需要通过上下行话务量的计算确定时隙分配。虽然每个小区的上下行时隙比例都可以单独设置，但考虑到如果相邻小区上下行时隙比例设置不一致，会造成小区间上下行时隙干扰。因此时隙设置时应该使成片的小区设置一致。由于TD-SCDMA采用的多项技术使得其上下行容量接近码道极限，并且TD-SCDMA各种业务对资源的占用是以时隙和码道为单位的。系统定义一个时隙的扩频因子为16的码道为一个BRU，因而所有业务对资源的占用都是用BRU衡量的。

　　由于所有业务对资源的占用都是用BRU这个统一的单位衡量，这种方式很适合采用扩展背包模型。下图为话务模型和其他常见的话务处理模型的比较示例。



从比较示例可以看到，对于同样的话务和质量需求条件下，上海贝尔阿尔卡特的话务模型与其他常见的话务处理模型相比，对系统资源的需求是最小的，是最优的设计。根据TD-SCDMA的特点，还开发了相应的网络设计工具，将话务模型集成在当中。

　　3.TD-SCDMA与WCDMA无线网络规划比较

　　上海贝尔阿尔卡特在三种制式无线网络规划中采用的是统一规划工具A9155，这个工具是以FORSK公司开发的规划工具Atoll为基础，通过功能定制、二次开发、集成第三方功能以及参数预制等形成的。同样这三种制式无线网络规划流程也基本一致。通常分为下列几步：数据的收集和分析，传播模型的选择，覆盖预测，Monte Carlo仿真以及基于仿真结果的业务预测等。基于A9155的网络规划流程如下图所示：



在TD-SCDMA系统的规划方面，其规划流程与WCDMA基本一致，并且TD-SCDMA规划效果主要取决于规划工具功能。TD-SCDMA规划产生了一些新的规划图和统计结果。由于TD-SCDMA系统采用智能天线、多用户检测、动态信道分配等技术，因此要求TD-SCDMA系统的规划工具必须充分考虑TD-SCDMA关键技术，才能获得准确的规划结果。同时，由于WCDMA、TD-SCDMA在具体的信道结构、关键技术等方面存在的差异，使得三种制式在具体的网络规划结果（图、统计报表等）上也略有差别。

三、CDMA2000 1X EVDO网络设计和规划

　　1.CDMA2000 1x EVDO的主要技术特点

　　CDMA2000 1x EVDO系统主要是针对非实时、非对称的高速分组数据业务而设计的，其基本设计思想是将高速分组数据业务和低速语音和数据业务分离开来，利用单独载波提供高速分组数据业务。因此，从无线链路设计的角度上，系统设计优化的重点是前向链路。为了解决前向链路的高速传输问题，EVDO采用了前向链路时分复用、自适应编码调制，HARQ，智能调度算法，虚拟软切换等多种新技术，对反向链路也进行了一定优化。在无线网络设计和规划中，必须充分考虑这些新技术带来的影响。下面首先对这些特点进行介绍。

　　与CDMA2000 1x相比， EVDO的下行链路采用了新的技术体制，前向覆盖特性也明显不同，主要包括以下特点：

　　1)前向链路时分复用

　　EVDO充分利用了数据通信业务的不对称性和数据业务对实时性要求不高的特征，前向链路设计为时分复用(TDM)CDMA信道。对于前向链路，用户将得到1X EV-DO载波的全部功率。另外，不管是传输控制信息还是传输业务信息，EV-DO的载波总是以全功率发射。

　　2)自适应调制编码和HARQ

　　EVDO前向采用了自适应调制编码方式和HARQ，能够自动适应信道条件变化，选择相应的速率和编码方式，同时降低了对测量误差和时延的敏感性。从网络设计的角度来看，降低了对系统解调门限的要求，获得了系统增益。

　　3)智能调度算法

　　EVDO前向链路采用智能调度算法，无线条件好的用户，可以获得较高的速率，具有较高的优先级。相对于CDMA2000 1x系统，EVDO可以获得一定的多用户分集增益。

　　4)虚拟软切换

　　EVDO前向链路采用虚拟软切换，可以直接进行业务协商和建立业务连接，降低了对系统信道资源的占用率，加快可切换速度。但相对于CDMA2000 1x来说，无宏分集增益。虚拟软切换增益比软切换增益要低。

　　在反向链路，EVDO与CDMA2000 1x相似，都采用码分方式，主要区别为反向信道的设计和反向速率的考虑，EVDO采用反向链路速率控制，反向速率与系统反向负载、当前传输速率等因素有关。

EVDO与CDMA2000 1x的主要区别如下表所示。



2.CDMA2000 1x EVDO的网络设计

　　通常情况下，CDMA2000 1x会与EVDO混合组网，由于CDMA 1X 和EVDO需要分配不同的载波，在网络设计中，必须充分考虑EVDO和CDMA2000 1x技术体制的差异及其对网络的影响。需要同时对CDMA 1X 和EVDO上下行链路分别进行链路预算和覆盖分析，同时通过恰当的话务模型，结合用户密度，进行容量分析，判断覆盖受限还是容量受限，选择合理的小区半径策略。

　　1)反向链路

　　在反向链路，反向链路设计与CDMA2000 1x相似，采用最大允许路径损耗（MAPL）的计算，二者的覆盖范围也非常接近。与WCDMA相比，主要存在以下差异

　　l终端发射功率的差异：CDMA2000 1x/EVDO的终端发射功率为23dBm，WCDMA的终端发射功率为21/24dBm。

　　l扩频带宽的差异：CDMA2000 1x/EVDO的扩频带宽为1.2288MHz，WCDMA的扩频带宽为3.84MHz。

　　l速率的差异：CDMA2000 1x/EVDO的反向速率为9.6/19.2/38.4/76.8/153.6 kbps，WCDMA的反向速率为12.2/64/128/384 kbps。

　　l解调门限的差异：主要为Eb/No要求的不同。

　　2)前向链路

　　在前向链路，EVDO与CDMA2000 1x和WCDMA的多址方式不同，链路覆盖只与基站总功率，无线环境和传输速率有关，从链路设计的角度来看，它们之间的主要差异为：

　　l业务信道最大发射功率的差异：EVDO采用时分方式，业务信道满功率发射，因而不需要迭代算法。CDMA2000 1x和WCDMA的功率为所有信道共享。

　　l解调门限的差异：EVDO采用了自适应编码调制和HARQ，降低了对系统门限的要求。

　　l软切换增益的差异：EVDO采用虚拟软切换，CDMA2000 1x和WCDMA采用软切换。

　　l多用户分集增益的差异：EVDO采用速率控制和智能调度算法，可以获得多用户分集增益，CDMA2000 1x和WCDMA则无此增益。

　　l用户间干扰的差异：EVDO前向链路采用时分方式，每个时隙只为一个用户服务，避免了对其它用户的干扰，而CDMA2000 1x和WCDMA采用码分方式，不同用户之间码道存在非正交性，导致用户间干扰。在网络设计中，体现为一定的干扰余量。


3.CDMA2000 1x EVDO的网络规划

　　从网络规划的角度来看，和WCDMA一样，也是基于工具的网络规划。规划工具必须具备CDMA2000 1x和EVDO的混合规划功能，规划参数能够充分反映EVDO的特点和差异，用户模型能够体现混合组网的效果。总体来看，网络规划流程与WCDMA基本一致，只是规划工具所考虑的参数类型及取值有所差异，规划效果也主要取决于规划工具功能。A9155已经具备了所有这些功能。

四、小结

　　上海贝尔阿尔卡特在3G无线网络设计和规划方面拥有丰富的经验、先进的技术实力和卓越的无线网络设计思想，充分考虑了网络建设的不同阶段受限的不同机理，为3G三种制式的网络规划做好了充分准备。上海贝尔阿尔卡特丰富的网络规划经验和优秀的网络规划工具，能够为客户规划出更为准确的结果，节约网络投资，协助运营商从容面对3G制式的不确定性，以及所带来的机遇与挑战。