WCDMA 中的软容量和软覆盖规划

  第二代移动通信系统GSM主要采用时分/频分多址的无线接入方式,它的无线网络规划一般可以分为两步。第一步主要是无线路径衰耗的预测,以便保证所需业务区域的无线覆盖。第二步是根据对业务区业务量的估计进行频率规划,以便确定系统的容量。通常在对GSM系统的无线规划中,主要考虑的是话音业务和少量的数据业务(例如SMS业务),这样对于给定的信道数量,小区的容量是一个常数。因此在GSM的无线规划中,覆盖和容量的规划可以分别独立地进行。
  
  而在WCDMA系统中,引入了多媒体业务和每种业务所具有的不同的QoS的概念。多业务环境和WCDMA系统本身的特点使得在规划WCDMA系统时有许多不同于GSM系统规划的地方。其中特别要注意的是在规划WCDMA系统时,小区的覆盖和负荷要相互结合起来考虑。由于限制了移动台的最大发射功率,这样在上行链路限制了小区的覆盖范围;而在下行链路由于干扰而限制了小区的容量。另外在WCDMA系统中,功率控制(TPC)、由于软切换和更软切换产生的增益、上下行链路的功率预算不同等因素在做规划时都要加以考虑。
  
  总之,GSM系统的无线网络规划是在小区的容量和覆盖两者间求得最佳点,而WCDMA系统无线网络规划要在容量、覆盖、不同服务质量三者间寻求最佳点,这就相应地增加了WCDMA系统无线网络规划的复杂度。
  
  一、WCDMA系统无线网络规划中的容量和覆盖关系
  WCDMA系统本身是一个干扰受限系统,在对其进行网络规划的时候,容量和覆盖的规划要联合起来考虑,不像GSM系统网络规划时容量和覆盖是分开来考虑的。这主要是由于小区的负荷会对小区允许的最大传播损耗产生影响,也就是对覆盖产生影响,同时小区负荷又是小区容量的决定因素。当负荷比较小时WCDMA系统是上行链路覆盖受限,当负荷比较大时下行链路容量受限。因此在网络规划时覆盖和容量的规划对于上、下行链路是不同的。特别是3G系统提供多媒体业务,每种业务的服务质量(QoS)不同,所以准确地规划覆盖和容量就更为重要。
  
  1.上行链路覆盖
  
  在WCDMA无线网络规划的初始化布局阶段,上行链路功率预算一般基于链路质量方程。
  
  当上行链路负荷因子趋于1时,小区达到它的极点容量,或者渐进小区容量。当用户的数据速率不太高的时候(此时处理增益W/Ri比较高),上行链路小区的负荷因子和小区的覆盖几乎呈线性关系。
  
  2.下行链路覆盖
  
  WCDMA下行链路和上行链路具有明显的不同,主要表现在:
  
  (1)基站的发射功率是由它所服务的所有移动台共享;
  
  (2)不同移动台是否会遭受到相邻小区的干扰,取决于移动台在小区中的位置;
  
  (3)下行链路的负荷因子与正交系数有很大关系。
  
  同上行链路一样,当下行链路负荷因子趋于1时,下行链路容量也达到它的最大值,即极点容量,此时所需的基站功率达到无限。所以在做网络规划时,小区的负荷一般不能太大,负荷因子应该保持在一个比1小的值,以便使整个网络达到稳定状态。
  
  3.上、下链路间比较
  
  由上述论述,我们可以得到WCDMA系统无线网络规划时的上、下行链路覆盖和容量之间关系,如图1所示。从图中可以看出下行链路覆盖范围随小区负荷因子的增加迅速减小,而上行链路仅当小区的负荷因子接近1时,小区的覆盖范围才减小得比较明显,由此可见下行链路的覆盖比上行链路的覆盖更依赖于负荷。其原因是:在下行链路中不管用户数为多少,最大发射功率同样为40dBm,它被下行链路的所有用户共享;而在上行链路中每个额外用户有自己的功率放大器。因此,在下行链路中,即使下行链路的负荷很低时,作为用户函数的覆盖仍然随负荷的增加在减少。
  


  
图1上行链路和下行链路中覆盖与容量关系

  
  由此我们可以知道:当负荷较低时,覆盖明显受限于上行链路,而容量受限于下行链路。因此我们在进行网络规划时,对覆盖规划时集中于上行链路,采用成熟技术来提高上行链路的覆盖,如通过增加天线增益,减小基站射频部分的基站噪声系数,减小天线和基站低噪声放大器间的电缆损耗(使用塔顶放大器MHA)等方式来实现。而对容量规划时主要针对下行链路,这可以通过使用更多的载频,发射分集和基站扇区化等方式来实现。
  
  二、软容量和软容量的规划
  在进行WCDMA系统的容量和覆盖规划时,两种情况可能出现:
  
  容量受限情况这种情况一般是由于根据规划区域用户的业务特征所确定的系统负荷因子大于系统实际允许的最大负荷因子所导致。对于容量受限情况可分为两种,一种情况是上行链路容量受限,例如在农村,规划的小区服务范围比较大而负荷因子小;而在城市,由于用户比较多,小区的负荷一般规划为比较大,基站的发射功率限定了小区服务的最大用户数,所以常常是下行链路容量受限。
  
  覆盖受限情况根据规划区域用户的业务特征所确定的系统负荷因子小于系统实际允许的最大负荷因子。同容量受限情况一样也存在上、下行链路覆盖受限。
  
  由于存在以上两种情况,并且在进行WCDMA系统规划时必须同时考虑软容量和软覆盖的情况,所以我们首先假设所规划的小区为覆盖受限情况,以说明如何确定小区的软容量和软覆盖。
  
  首先根据小区允许的最大负荷因子、链路预算方程和场强预测模型计算出小区的覆盖范围,然后根据小区覆盖范围内用户的业务特征(如用户的移动速度,所使用的业务类型和所要满足的覆盖概率等)计算出小区的负荷因子。对于实时业务,业务类型经常用Erlangs来表示,而对于非实时业务,业务类型则用kbps来表示。计算出小区的负荷因子后,比较系统最大允许的负荷因子,则可能存在下面容量和覆盖受限两种情况。
  
  (1)覆盖受限情况系统允许的最大负荷小于计算小区覆盖范围时的小区负荷。这意味着在计算小区覆盖范围时所取的小区负荷因子太大。为了使两者相等,则必须取一个更小的负荷因子重新计算小区覆盖范围。减小负荷因子意味着系统的干扰减小,小区覆盖范围增大。小区覆盖范围增大则可以吸收更多的用户,这也同时增加了小区的干扰和负荷。这个过程一直重复进行,直到最后小区的负荷因子大小和根据小区范围内用户业务特征所得到的负荷因子大小相等,则此时的小区范围和负荷因子为最终规划的小区范围和容量。
  
  (2)容量受限情况 这种情况和上一种正好相反,系统允许的最大负荷大于计算小区覆盖范围时的小区负荷。这意味着要减小小区的覆盖范围,这样就减小了小区服务的用户数。由于小区的覆盖范围减小,小区的负荷因子也就要重新计算,整个过程是一个迭代过程,直到根据小区内用户业务特征所计算出的小区负荷因子和系统的实际负荷因子相等,则可以最终确定小区的覆盖范围。
  
  三、结束语
  由于WCDMA系统中引入了新的业务需求以及在系统无线接口等方面不同于第二代GSM系统,所以在无线网络的规划设计方面也就不同于GSM系统。本文对WCDMA系统中软容量和软覆盖问题做了详细的探讨,从中可以看出在进行网络规划时容量和覆盖要同时考虑,并且两者对上下行链路也具有不同的影响。另外本文对在规划初始阶段如何确定小区的范围和容量作了比较详细的论述。所有这些结论对于WCDMA系统无线网络规划工程师具有较好的指导意义。