WCDMA无线网络规划实战研究

摘要　以WCDMA系统的关键技术和特性为基础，介绍了WCDMA无线接入网的规划流程，并结合大量的工程规划实战素材，归纳出了无线网络规划中的关键步骤，对其中的具体实施方法和技巧作了详尽的分析与介绍。

　　各种条件的日益成熟，中国的3G步伐正悄然加快。作为3G主流标准的WCDMA，在近几年的试验应用中日趋完善。其无线接入网的规划也形成了一定的流程和方法。本文结合实际项目中积累的经验，介绍WCDMA无线接入网的规划方法和技巧。

1、WCDMA的关键技术和特性

　　WCDMA系统首先是一个CDMA系统，它承袭了CDMA系统的特性。

　　CDMA系统是自干扰系统，移动台使用相同的频率，因此，每一个移动台，对其他移动台来说，都是一个干扰源，移动台越多，总的干扰电平就会越高。距离基站近的移动用户台到达基站时的信号较强，在反向链路上会对其他移动台造成很大的干扰，这就是远近效应。CDMA系统的容量与用户分布情况和干扰情况等因素有关，是不确定的容量，因此被称为软容量。

　　CDMA系统的小区覆盖范围与小区容量密切相关。当小区负荷增大时，小区覆盖范围缩小；当小区负荷减少时，小区覆盖范围扩大。这就是所谓的小区呼吸效应。

　　与GSM系统相比，CDMA系统引入了软切换和更软切换，由此引入了两个明显的影响，一是增加了系统内的资源开销；二是有效地对抗了阴影衰落，带来了额外的增益，增大了小区覆盖范围。

　　此外，CDMA系统还有一个特性就是导频污染。由于受限于RAKE接收机的检测性能，当某一区域，导频信号数目超过RAKE接收机的最大检测能力时，原来有利的多个导频信号就变得有害了，它使得切换算法无法有效工作。另外，某一区域内导频信号过多，也抬高了该区域的干扰电平，进而影响网络通信质量。

　　上述这些，都是在进行WCDMA无线接入网规划的时候，必须着重考虑的系统特性。

2、WCDMA无线接入网的规划流程

　　根据WCDMA系统多年来试验应用的经验，其无线接入网的规划流程大致可以分为以下6个步骤：

　　（1）确定规划目标

　　确定规划目标是指，结合运营商对网络的要求，确定规划所要覆盖的区域、每个区域所支持的业务类型、每个区域内各种业务所要达到的覆盖率等。规划目标应综合考虑市场需求和成本因素。

　　（2）模型调校

　　无线传播模型是基于某些地区大量测量数据的统计模型，只是客观上反映了这些地区的无线传播环境的特点。按实际工程的经验，将一个没有经过修正的模型应用在其他地区，有可能导致高达20 dB以上的均方误差和-30至-40 dB的平均误差。

　　模型调校就是要通过电测将传播模型中的某些参数修改成更加贴近所应用地区无线传播环境实际情况的值。

　　（3）预规划

　　预规划步骤根据所收集的信息要综合考虑覆盖、容量、质量等要求，通过建立传播模型和制定链路预算表，从理论上得到覆盖和容量规划的初步设计方案，并进行计算机辅助的网络覆盖及干扰分析等。

　　（4）基站选址勘察

　　根据预规划的输出结果，进行基站选择和站址勘察。

　　（5）小区规划

　　系统投入运行前，要对小区进行下行信道的功率分配，多载波的频率规划，PN码规划，切换算法参数设置等详细规划与设计。

　　（6）网络调整及优化

　　系统开通以后，还必须对无线网络进行调整及优化，使实际网络满足设计要求，使网络质量达到较好的效果。

3、WCDMA无线网络覆盖规划的方法和技巧

　　WCDMA无线网络规划是一个长期、复杂的过程，需要从网络覆盖，网络容量，站址选择难易程度等多个方面综合考虑，涉及面非常广。下面就规划中几个关键的部分，分析讲解其中的方法和技巧。

　　3.1　无线传播环境定义

　　无线传播环境决定了无线信号的传播距离，从而影响着无线网络的覆盖规划方案。一般地，根据周围建筑物的平均高度，平均楼距，以及建筑物分布的密集程度，把无线传播环境分为密集市区、普通市区、郊区和农村4类。

　　划分无线传播环境，需要进行实地勘察，在所考察区域的制高点拍照记录，并借助于电子地图，军用地图，城市旅游图，以及向熟悉地形的人询问当地情况等辅助手段，根据之前制定的标准进行分类。

　　无线传播环境的分类只是给出一个大概的初步结论，某些区域很可能介乎于两个分类等级之间，像这种情况就要在站点选择勘察的时候根据实际环境对覆盖方案进行适当的调整。

　　3.2　链路预算

　　无线链路预算是对一条通信链路中的各种损耗和增益的核算。对收发信机之间信号传递过程中的各要素损益进行分析，获得一定场景下满足覆盖要求允许的最大传播损耗，选用合适的电磁波传播模式，可以有效地评估基站的覆盖范围。链路预算分为前向链路预算和反向链路预算，其中反向链路预算的各种因素为已知或准确估计，结果较为可靠，且WCDMA系统是上行覆盖受限系统，因此，通常使用反向链路预算对基站覆盖能力进行估算。

　　上行链路预算计算公式如下：

　　最大允许空间路径损耗=移动台发射功率（dBm）+移动台天线增益（dB）-人体损耗（dB）-馈线损耗（dB）+基站接收天线增益（dBi）+软切换增益（dB）-建筑物或车体穿透损耗（dB）-慢衰落余量（dB）-功控余量（快衰落余量）（dB）-干扰余量（dB）-基站接收灵敏度（dBm）

　　如表1所示，给出密集市区的链路预算表。

表1　链路预算表

 

　　表1中的小区负载是反映网络负荷对网络覆盖影响的一个参数。根据工程经验，在密集市区和普通市区，小区负载一般取50%，郊区取40%，农村取30%。这是在权衡网络建设初期成本投入与效益产出之后得到的经验数值。网络发展中后期，在密集市区的某些区域可能会出现负载超过50%，小区覆盖范围缩小的情况，这时，我们建议采用增加第二载频的方法来解决问题。

　　根据COST-231-HATA模型，可以利用以下公式得出基站覆盖半径dkm预测的结果。式中的K值应根据具体电测后模式调校的结果来进行调整。

　　

　　其中，K1为衰减常数；K2为距离衰减系数；K3、K4为移动台天线高度修正系数；K5、K6为基站天线高度修正系数；K7为绕射修正系数；Kclutters为地物衰减修正值；Hmeff为移动台天线的有效高度；Heff为基站天线的有效高度。

　　在实际工程中，网络运营商对网络的业务承载能力都有明确的目标，如密集市区通常都会被划分成A类业务区，要求能满足PS384业务的连续覆盖；农村通常被划分成D类业务区，只要求满足语音业务的连续覆盖等等。因此，我们可以根据这些具体要求选取不同业务下的链路预算值，来求出基站覆盖半径dkm。一般地，对于要求同时支持语音和一种或多种数据业务连续覆盖的区域，我们只需根据最小的链路预算值Ploss来计算基站覆盖半径dkm。因为最小的Ploss对应最小的dkm，以最小的dkm分布的基站必定能满足Ploss值更大的业务连续覆盖的要求。

　　得到不同区域类型的基站覆盖半径d之后，可以依照标准蜂窝结构三叶草模型算出基站覆盖面积S以及站间距D：

　　

　　3.3　站点数目预估计

　　借助电子地图，按照区域分类原则，将规划区域划分成密集市区、普通市区、郊区和农村四类，然后分别算出这四类区域的有效面积。再将结果分别除以不同类型区域的单站覆盖面积S，即可得到不同区域的基站数目。

　　预估计出来的基站数目对评判整个方案的成本有一定的指导意义。

　　3.4　站点选址方法技巧

　　站点选址勘察是一个漫长的过程，既要以理论知识为基础，又要联系实际情况，在实际情况允许的前提下，最大限度地满足理论的要求。站点选址合理与否是影响整个网络规划方案优劣的关键因素，在网络规划中应予以高度重视。

　　3.4.1　网络结构的合理性

　　和GSM网络不同，WCDMA网络是一个自干扰系统，基站使用相同的载频，容易产生导频污染。因此，在规划中应特别注重网络结构的合理性。

　　结构的合理性首先体现在站点距离均匀上。选址勘察时，应根据链路预算得出的基站覆盖半径推导出不同类型区域的站间距，以此为依据选取站址，保持同一区域内的各基站之间站距均匀。如，通过链路预算得出某城市密集市区和普通市区的基站覆盖半径分别为300 m和600 m。则密集市区和普通市区内的站间距分别为450 m和900 m。实际操作中，由于种种原因，并不能做到完全符合站间距要求。实际站址和理想站址会存在一定的偏差。按以往的经验，这种偏差只要能控制在1/8以内，就不会对整个方案产生大的影响。

　　其次，基站的方向设置要具有互补性，尽量避免两个小区方向对打的情况出现。这样做其实是和链路预算的依据保持一致的。在链路预算中，得出基站覆盖半径之后，是按标准蜂窝结构推算站间距的，标准蜂窝结构中的基站方向就具有互补性。反过来，如果基站的方向不具备互补性，为了达到相同的覆盖效果，站间距就不能再按标准蜂窝结构推算，必须进行调整。再者，基站方向互补是为了保证每个区域都有主导导频，从网络结构上避免出现导频污染。

 

图1　密集市区布点情况

 

图2　普通市区布点情况

　　3.4.2　设置标准方向

　　为了使基站方向具有互补性，最简单的方法就是设置标准方向（每小区相差120度）。没有特殊因素影响的基站一律使用标准方向。若遇覆盖区域偏离了标准方向或标准方向上有阻挡等特殊情况，则可以适当调整小区方向，一般情况下，调整范围在30度以内。

　　标准方向的设置应“迁就”对小区方向最为敏感的区域，如水域。由于水面对无线电波有镜面反射的特性，无线电波沿水面的传播距离会比陆地上远得多。为了防止基站越区覆盖，靠近海洋、江河、湖泊的基站应尽量避免设置指向水域的小区方向。如果不能避免，要控制天线高度和下倾角，同时尽量将小区方向设置为垂直水域，这样其对周边基站的影响将会降到最低。

　　3.4.3　结合话务分布特点，合理选择站址位置

　　WCDMA系统是一个覆盖与容量密切相关的系统。其独有的软容量、呼吸效应等特点，使得在覆盖规划过程中，要同时兼顾话务需求的分布特点。

　　假设把基站建在热点区域的边缘，也就是说让话务热点区落在基站覆盖范围的边缘，这样做很容易在话务繁忙时，由于呼吸效应的影响而在热点区产生覆盖空洞。就算是在站点规划时已充分考虑话务影响，无论话务如何繁忙，小区覆盖范围如何收缩，也不会出现覆盖空洞，但跟把基站设在热点区域中心的做法相比，还是会带来很多不必要的干扰，从而降低了系统的效率和质量。因此，对于话务热点区域的覆盖，应把站址选择在该区域的中心，以便于吸收话务，降低干扰。

　　一个很典型的应用例子就是在诸如火车站、码头等人流密集的重要交通枢纽建立基站。另一个典型的例子是在大的十字路口建立基站，其主要目的也是为了吸收话务。此外，由于波导效应和拐角效应的影响，十字路口附近的信号比较杂乱，需要一个较强的信号“压制”其他信号，充当主导信号。

　　3.4.4　合理控制基站高度

　　基站高度是一个重要的网络参数，它直接影响基站的覆盖范围，进而影响网络的容量、质量。过高的站高会增加对网络的干扰，带来质量和容量的损失；过低的站高又会妨碍基站效率的发挥。基站高度是否合理是一个相对的概念，一般来说，基站高度比需覆盖区域高10 m左右是比较合适的。

　　若选取的站点和周围的楼房相比，不具备什么优势，则考虑采用在楼顶建升高架等手段提高天线挂高；若选取的站点过高，则可以采用在外墙挂装天线或在裙楼平台安装天线等降低天线挂高的方法；若不具备降低天线挂高条件，则要充分利用远处建筑物的阻挡去避免造成基站过大的越区覆盖。

　　如图3所示，是某基站某个小区的覆盖范围，靠近基站的范围内是一大片的平房，高度与基站高度相去甚远。但可以利用远处的高楼（图3中所圈部分）对无线信号的阻挡，防止造成越区覆盖。

 

图3　某小区覆盖区域

　　对于目标覆盖区域内建筑物高度差别比较大的情况，可利用射频拉远的方式降低某些方向的天线挂高。

　　如图4所示，某基站位于某大楼顶层，三个方向覆盖目标高度相差较大，且第一、第二方向受附近大楼阻挡。

 

图4　某大楼基站位置

　　方向一：如图5所示，主要覆盖道路及基站所在大楼东侧的建筑，覆盖目标属于中等高度。天线以射频拉远方式安装在图5中圆圈所示梯间顶上，挂高28 m。

 

图5　方向一覆盖区域

　　方向二：如图6所示，主要覆盖道路及海边的古炮台等旅游景点，覆盖目标高度较矮，且临近海域，需要控制覆盖范围。天线以射频拉远方式安装在图中红圈所示位置，挂高20 m。

 

图6　方向二覆盖区域

　　方向三：如图7所示，主要覆盖住宅群，覆盖目标高度较高，基站所在大楼对其具有高度优势，适合安装天线。天线挂高32 m。

 

图7　方向三覆盖区域

　　3.5　典型区域覆盖方案

　　下面根据总结出来的实际工程经验，介绍几种典型区域的覆盖方案。

　　3.5.1　密集市区覆盖解决方案

　　高楼林立是密集市区很明显的特点，这种环境会造成严重的多径现象。其次，密集市区内的高楼档次较高，楼体结构较复杂，外墙较厚，不利于室外信号穿透进室内。再者，密集市区内需要覆盖的目标多种多样，既要考虑建筑物的深度覆盖，又要考虑热点区域的覆盖，还要兼顾道路覆盖。此外，在密集市区内选取站点，难度要比郊区、农村困难得多，一是空间资源的限制，二是业主对无线信号辐射敏感，反对建站。

　　针对上述的这些特点，可以采取下列相应手段来解决：

　　（1）在热点区域设置基站，吸收话务，降低干扰；

　　（2）采用室外基站+室内分布系统等多种覆盖手段相结合，解决室内信号弱的问题；

　　（3）尽量利用宾馆、酒店、政府机构、企事业单位等公共物业建站，尽可能避免在居民住宅、中小学、幼儿园等谈点难度较大的地方建站；

　　（4）在无法租赁房间充当机房的情况下，可利用天面空间自建简易机房；

　　（5）在有必要的情况下，应对天馈系统做美化、隐蔽处理。

　　3.5.2　普通市区覆盖解决方案

　　普通市区与密集市区的特点大同小异，相对地，楼高较矮一点，楼间距较大一点，周边道路稍宽一点。

　　因此，在做普通市区覆盖方案时，应注意把站距相对密集市区拉大一点。同样地，在建设初期也先在热点区域设立宏蜂窝基站，把网络的“骨架”搭好，再结合微基站、射频拉远和光纤直放站等手段，补充完善网络覆盖。

　　3.5.3　城中村的覆盖解决方案

　　城中村是城市不断向外扩张发展的产物，相对于密集市区、普通市区来说，是一种特殊的区域。它一般由大片的农民房组成，其楼高比普通市区略为矮一点，但密集程度比密集市区的楼房还要大，有时只有1～2 m。在这种环境下，无线信号损耗很大，很难穿透建筑物进入室内。另一方面，由于是农民自建的楼房，因此承重能力有限，且很多城中村受高压电缆或飞机航线的影响，难以通过建设铁塔或者升高架提高天线挂高。此外，城中村内的楼房多为出租性质，物业谈判较为容易，低端用户也较多。

　　综合分析上述的特点，我们总结出以下几点覆盖解决手段：

　　（1）在承重等条件允许的情况下，尽可能建设铁塔、升高架等设施，以提高天线挂高，增大下倾角，加强深度覆盖；

　　（2）条件有所限制时，要充分利用地势起伏等特殊的地形，尽量增加基站对周边楼房的高度优势；

　　（3）由于城中村多为低端用户，可以结合工程投资，在建设初期，先以宏蜂窝基站解决大面积的覆盖问题，后期再考虑增设街道站或室外分布系统解决深度覆盖的问题。

　　3.5.4　高尚住宅的覆盖解决方案

　　在经济较为发达的城市，高尚住宅的数量较多，解决这些住宅区的覆盖是一个难题。一方面，住宅区相对封闭，外围信号较难进入；另一方面，业主对无线辐射非常敏感，不同意在住宅区内建站，但是，又希望无线信号质量好，一旦信号质量差，容易产生投诉，对运营商的品牌塑造有较大影响。

　　针对上述的这些特点，我们可以采取下列相应手段来解决。

　　（1）主要利用室外宏蜂窝基站进行覆盖，合理选择室外站站址，利用楼宇的空隙使室外信号到达小区内；

　　（2）采用射频拉远或微蜂窝设备，补充解决住宅区内的覆盖问题；

　　（3）做好天线的隐蔽、美化工作，条件允许的，可在小区内的水塔上，或会所的楼顶安装小尺寸天线，条件不允许的，可在小区内安装伪装天线，模仿成树木或者路灯。

　　3.5.5　大面积住宅小区覆盖解决方案

　　这种类型区域具有建筑分布整齐有序，高度较高，占地面积较大等特点。同时，业主对无线信号辐射也同样敏感。

　　和前述一致，可以通过天线隐蔽或美化来解决业主对无线辐射敏感的问题。此外，应尽量避免选择有楼顶花园的住宅楼作为候选站点，因为这些楼宇的天台多半为顶层住户所买下，所以在天台安装天线几乎不可能。

　　利用建站分布整齐有序的特点，避免从住宅群的正面设置天线，而是从侧面设置天线，这样更有利于无线信号传播。如图8所示，在左图所示的方向设置天线要比在右图所示的方向有利。

 

图8　充分利用建筑物分布特点

　　见图9，在网络建设初期，应在有一定高度优势的建筑物（图9中箭头所指建筑物）上建站，以解决大范围的覆盖问题。网络建设后期，再根据实际测试的情况，考虑在深度覆盖不好的小范围区域（图9中圆圈所画区域）增设微蜂窝或射频拉远基站解决问题。

图9　大面积住宅小区

　　3.5.6　城市在建区覆盖解决方案

　　无线网络的规划方案应满足未来2～3年的城市变化需要。因此在进行规划时应充分考虑城市在建区的覆盖问题。

　　如上面图9所示的在建住宅区，可以通过观察其建筑吊臂的高度大致估计其楼高，或到售楼部观察模型，了解楼盘的具体情况。在站址选择时，就要将楼宇按建好后的情况来考虑。

　　若是科技园、软件园、工业区等面积较大的在建区域，则可按以下步骤进行规划：

　　（1）根据在建区域的规划图纸，定出传播类型，通过链路预算确定站间距；

　　（2）结合区域面积，确定站点数目；

　　（3）实地考察，利用GPS定位在建区域的具体位置；

　　（4）考虑区域周边站点的分布情况，结合规划图纸中建筑物高度，确定站点位置、天线方向等。

　　限于篇幅，上面只介绍了6种典型区域的覆盖方案，实际工程中涉及到的特殊区域、场景远远不止这些。但无论是在什么场景，都要根据不同的具体情况，确定区域的传播类型，再通过链路预算得出基站覆盖半径，从而估算出站间距和区域内的站点数目。并不是相同类型的典型区域就一定有相同的站间距。例如，区域A和B同为高尚住宅区，假设区内都是高端用户，都要满足PS384业务连续覆盖。区域A位于市中心，区内楼房较高，楼间距也较密，传播类型定义为普通市区；区域B位于城郊，区内以花园小洋房为主，楼房较矮，楼与楼之间有大片绿化带，传播类型定义为郊区。这两个区域在覆盖手段上虽然都遵循上述的高尚小区覆盖解决方案这个相同的原则，但在站间距和站点数目上则存在着一定的差异。

　　3.6　数据仿真

　　根据基站规划方案，采用校正后的无线传播模型，用无线规划仿真工具（如：Asset）对基站设置方案进行评估和调整的循环调校，确定最终满足设计目标的基站设置方案。

　　在定义无线传播模型时，通常会把一个地区划分为密集市区、普通市区、郊区和农村等四种区域类型，也可以根据具体需求划分为更具体的区域类型。在不同的地区，对于同样的区域类型，其无线传播模型往往不尽相同。某一地区内各种区域类型传播模型的确定，需要进行实地测试，对测试结果进行统计分析，并作后期调校而得到。

　　数据仿真所使用的数字地图信息以及基站基础数据的准确性对仿真结果的可信度起着决定性的作用，因此，我们在进行规划方案仿真时，必须尊重事实，实事求是，不得随意修改基础数据，只有这样，仿真结果才会对实际的工程规划实践有指导意义。

　　在使用Asset仿真软件进行WCDMA网络的Monte Carlo仿真时，可以输出仿真报告及若干仿真预测图，如表2所示。

表2　Asset Monte Carlo仿真预测图

 

　　3.7　重选点

　　若仿真输出结果表明某些站点选址不好，对周边站点影响较大，或者物业谈判时遇到困难，则要进行重选点工作。

　　重选点工作最重要的一条是要明确站点的覆盖目的，如果是因为仿真结果不好而重选点的，则是指修正后的覆盖目的。新选的点要满足覆盖上的要求，如果一个新选点不能满足覆盖要求，可以考虑用多个站点来进行覆盖，具体用哪些站型来实现，则要根据具体情况具体分析。可以采用两个微蜂窝，也可以使用一个宏基站加射频拉远，总之，手段是多种多样的，根据需求来选择。

　　WCDMA无线网络非常注重结构性，我们应尽量避免牵“一发”而动“全身”。选取新点的时候，应尽量减少对原有网络结构的影响，一般建议变动基站的选择范围不要超过原基站覆盖半径的1/8，实际中还可以利用建筑物的阻挡和天线的高度等多种手段去达到既满足覆盖要求，又降低对其它基站影响的目的。

　　3.8　HSDPA网络规划

　　据统计，截至2006年4月，商用HSDPA网络已达18个。另有47个国家和地区的94个HSDPA网络正在规划、部署或试商用。欧洲很多UMTS运营商也将在今年把网络升级到支持HSDPA。WCDMA向HSDPA演进是一种不可避免的趋势，因此HSDPA规划是进行WCDMA无线网络规划时应充分考虑的一个问题。

　　根据HSDPA技术特点和工程经验总结，在进行HSDPA网络规划时，应注意以下几点：

　　（1）选好覆盖区域。综合考虑WCDMA和HSDPA的站点布局，选取数据业务使用频繁和潜在使用可能性高的区域作为HSDPA覆盖区域。

　　（2）减少对WCDMA网络的影响。一方面，应尽量避免因为引入HSDPA而改变原WCDMA规划方案中基站的覆盖范围；另一方面，若WCDMA和HSDPA共用载频，则要尽量在不降低WCDMA网络质量的前提下，合理分配好两者之间的功率资源和码资源。

　　（3）重视网络演进能力。在HSDPA规划时就应考虑到日后对高数据速率的支持，同时还应考虑到设备的后续演进能力。

　　在HSDPA建设初期，业务需求不会很大，而且大部分用户可能都是采用数据卡加笔记本电脑的方式接入网络，对移动性要求并不高，因此，建议采取热点覆盖，WCDMA R99和HSDPA共用单载频的形式建网。随着HSDPA智能手机的发展普及，用户对移动性的要求会越来越高，此时可以发展连续覆盖。另一方面，在R99和HSDPA业务需求不断提高的区域，可以考虑增加第二载频。而在载频分配上，在增加第二载频的初期建议采用R99和HSDPA共享双载频的方式，等HSDPA业务需求进一步增大之后，再考虑将第二载频改为HSDPA专用。

4、结束语

　　WCDMA作为3G的主流标准，有别于已有的2G标准，其无线网络的规划具有鲜明的特点，是一个复杂的课题。本文在前人研究的基础上，对WCDMA无线网络规划进行了进一步的研究探讨，通过对大量工程规划实践的总结，归纳出贴近实战的WCDMA无线网络规划方法和技巧。我们相信，随着WCDMA网络商用化程度日益加深，WCDMA无线网络规划方法和流程将日趋成熟完善。